cw045.pdf

Ćwiczenie 45

E. Dudziak

DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Cel ćwiczenia: pomiar charakterystyk prądowo–napięciowych półprze-

wodnikowych diod prostowniczych i diod Zenera.

Zagadnienia : półprzewodniki typu n (donorowe) i typu p (akceptorowe),

złącze p–n , model pasmowy złącza, napięcie dyfuzji, charakterystyki

prądowo–napięciowe półprzewodnikowych diod prostowniczych i diod

Zenera.

45.1. Wprowadzenie

Przed czytaniem dalszego tekstu należy zapoznać się z modelami

pasmowymi półprzewodników typu n i typu p , z pojęciami nośników

większościowych i mniejszościowych w półprzewodniku, przedstawionymi we

wprowadzeniu do ćwiczenia 44.

Złącza p–n są to układy złożone z dwóch obszarów o różnym typie

przewodnictwa w obrębie tego samego półprzewodnika. Złącza p–n otrzymuje

się przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek akceptorowych

i donorowych w półprzewodniku. Na przykład, w przypadku germanu,

zawierającego początkowo w całej objętości donory o koncentracji ,

wprowadzić do części próbki domieszki akceptorowe o koncentracji ,

znacznie przekraczającej koncentrację donorów ( ). W germanie

w temperaturze pokojowej prawie wszystkie domieszki są zjonizowane (zakres

nasycenia koncentracji nośników – patrz wykres na rys. 44.2), dlatego

koncentracje nośników większościowych w obszarze n i p w przybliżeniu

wynoszą odpowiednio n i

N d

N a

a >>

N d ≅ pN ≅ .

= 0

b) z napięciem zewnętrznym U , polaryzacja

zaporowa,

c) z napięciem zewnętrznym U , polaryzacja

przepustowa,

E – energia elektronów, x – odległość,

E c – dno pasma przewodnictwa,

E v – wierzchołek pasma walencyjnego,

E F – poziom Fermiego

W strefie przejściowej między obydwoma obszarami różnego typu

przewodnictwa, na odległości rzędu mikrometra, zachodzi mniej lub bardziej

skokowa zmiana rodzaju domieszek i ich koncentracji. Na skutek gradientów

koncentracji elektronów i dziur następuje dyfuzja nośników większościowych

– elek-tronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru n .

W wyniku prądów dyfuzji obszar typu n ładuje się dodatnio a obszar typu p –

ujemnie. Energia elektronów w obszarze n zmniejsza się, zatem pasma energii

elektronów w obszarze n przesuwają się w dół względem pasm obszaru p

(rys. 45.1a).

Rys. 45.1. Model pasmowy złącza p–n :

a) bez zewnętrznego napięcia ( U

Powstała w obszarze przejściowym warstwa dipolowa ładunku

przestrzennego, zwana warstwą zaporową, wytwarza pole elek-tryczne. Pole to

przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników większościowych i jednocześnie

wywołuje prądy unoszenia (ruch nośników w polu elektrycznym) nośników

mniejszościowych – elektronów z obszaru p do obszaru n i dziur z obszaru n

do obszaru p . Gdy różnica potencjałów w warstwie zaporowej (bariera

potencjału) osiągnie pewną wartość , zwaną napięciem dyfuzji, ustala się

stan równowagi termodynamicznej, w którym znoszą się obydwa rodzaje

prądów (dyfuzji i unoszenia). Oznacza to wyrównanie się poziomu Fermiego w

całym obszarze złącza. Przyłożenie do złącza p–n zewnętrznego napięcia

zakłóca tę równowagę. Jeżeli napięcie zewnętrzne U jest zgodne

z biegunowością bariery potencjału i ją powiększa, to prąd nośników

większościowych spada praktycznie do zera. Pozostaje tylko słaby prąd

nośników mniejszościowych. Przypadek ten odpowiada kierunkowi

zaporowemu (rys. 45.1b). Jeżeli natomiast do obszaru p przyłożymy potencjał

dodatni, a do obszaru n potencjał ujemny, to bariera potencjału ulega obniżeniu

i prąd nośników większościowych znacznie wzrasta. Odpowiada to kierunkowi

przepustowemu (przewodzącemu, rys. 45.1c).

U d

Charakterystykę prądowo – napięciową złącza p–n opisuje równanie





exp



nkT

 −

1 ,

(45.1)

w którym jest natężeniem prądu nasycenia w kierunku zaporowym,

U – napięciem ze znakiem dodatnim dla polaryzacji przepustowej a ze znakiem

ujemnym dla polaryzacji zaporowej, n – współczynnikiem zależnym od

konstrukcji diody.

I SO

Własności prostownicze złącza p–n (duży prąd w kierunku

przepustowym, mały – w kierunku zaporowym) wykorzystuje się

w diodach półprzewodni-kowych. Na rysunku 45.2 przedstawiono typowy









wykres charakterystyki diody. Wyraźnie widoczne są na nim własności

prostownicze diody.

Rys. 45.2. Charakterystyka prądowo–

napięciowa diody półprzewodnikowej:

– napięcie zaporowe graniczne

W kierunku przepustowym (dodatnie wartości osi współrzędnych) płynie duży

prąd nośników większoś-ciowych. Wartość natężenia tego prądu jest

ograniczona wielkością, powyżej której następuje zniszczenie diody.

W kierunku zaporowym płynie prąd nośników mniejszościowych

o znacznie mniejszym natężeniu. Prąd ten już przy małych napięciach

zaporowych osiąga stan nasycenia. Dopiero od pewnej wartości napięcia

zaporowego U , zwanego napięciem granicznym lub napięciem Zenera, prąd

gwałtownie wzrasta. Jest to związane ze zwiększeniem koncentracji nośników

prądu, spowodowanym przejściem elektronów z pasma walencyjnego do

pasma przewodnictwa pod wpływem silnego pola elektrycznego w warstwie

zaporowej (efekt Zenera) albo jonizacją zderzeniową w silnym polu, albo

wreszcie – przegrzaniem diody. Diody, w których proces gwałtownego

wzrostu prądu dla U nie prowadzi do zniszczenia diody i jest odwracalny,

znajdują zastosowanie jako stabilizatory napięcia (są to tzw. diody

stabilizacyjne, czyli diody Zenera). Napięcie powyżej wartości

U zg

jest stałe,

niezależne od wartości natężenia prądu.

U zg

45.2. Układ pomiarowy – zasada pomiaru

Rys. 45.3. Układ do pomiaru charakterystyk prądowo–napięciowych diod: –

badane diody, – rezystory zabezpieczające (liniami ciągłymi zaznaczono

połączenia wykonane wewnątrz przystawki)

DD D

RR R

Układ do pomiaru charakterystyki prądowo – napięciowej diody, czyli

zależności natężenia prądu płynącego przez diodę od napięcia na diodzie

, przedstawiono na rys. 45.3. Układ składa się ze stabilizowanego

zasilacza prądu stałego oraz mierników (multimetrów) natężenia prądu

i napięcia. W przedstawionym układzie pomiarowym miernik natężenia prądu

(mA) mierzy sumę natężeń prądów płynących przez diodę oraz przez

woltomierz (V). Jest to układ odpowiedni dla pomiaru charakterystyki

w kierunku przepustowym. Dla kierunku zaporowego należy tak

zmienić połączenia, aby miernik natężenia prądu (mA) mierzył wyłącznie prąd

płynący przez diodę, a woltomierz – sumę napięć na diodzie i

mikroamperomierzu. Badane diody prostownicze i stabilizujące (Zenera), wraz

z rezystorami zabezpieczającymi diody przed przekroczeniem dopuszczalnego

()

I f U

()

1 , ,

I f U

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: