Dioda półprzewodnikowa

DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA
Cel: Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej.
Przyrządy: woltomierz, miliamperomierz, mikroamperomierz, opornik, źródło stałej SEM.
Wprowadzenie teoretyczne
Dioda półprzewodnikowa to rzeczywiste złącze p-n. Złączem p-n nazywamy warstwę
rozgraniczającą półprzewodnik typu „p” od półprzewodnika typu „n”. W półprzewodniku
typu „n” jest większa koncentracja elektronów (nośniki większościowe), a w półprzewodniku
typu „p” większa koncentracja dziur. Rozpatrzmy przebiegi fizyczne w złączu p-n.
Po zetknięciu półprzewodników typu „n” i „p” obserwujemy procesy dążące do
wyrównania koncentracji swobodnych nośników ładunku w obu obszarach półprzewodnika.
Elektrony dyfundują z obszaru „n” do „p”, a dziury z obszaru „p” do „n”. W wyniku tego procesu w pobliżu granicy złącza zanikają swobodne nośniki ładunku, a pozostają jedynie nieruchome jony domieszek w węzłach sieci krystalicznej półprzewodnika. Po obu stronach
granicy złącza pojawiają się ładunki o różnych znakach. W półprzewodniku typu „n” pojawia
się ładunek przestrzenny dodatni - tworzą go dodatnie jony domieszki donorowej. W półprzewodniku typu „p” powstaje ujemny ładunek przestrzenny - tworzą go ujemne jony
domieszki akceptorowej.
Rozkład ładunku przestrzennego w obszarze złącza pokazany jest na rys.1. Wskutek
istnienia ładunków elektrycznych na złączu p-n powstaje statyczna różnica potencjałów, nazywana „barierą potencjału”. Potencjał obszaru „n” jest wyższy od potencjału obszaru „p”
(rys.1c). W następstwie tego średnia energia elektronów w obszarze „n” obniża się, a w
obszarze „p” podwyższa się - doprowadza to do wyrównania poziomów Fermiego w obu
obszarach. Model pasmowy złącza p-n pokazany jest na rys.1e. Powstałe w obszarze złącza
pole elektryczne ma zwrot od „n” do „p” (rys.1d). Pole to przeciwdziała dyfuzji nośników
większościowych, natomiast sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych w kierunku
przeciwnym do ruchu dyfuzyjnego nośników większościowych. W stanie równowagi
termicznej przez złącze p-n płyną dwa prądy: prąd dyfuzyjny - JD oraz prąd wsteczny - JW.
Prąd dyfuzyjny JD utworzony jest przez ruch nośników większościowych: elektronów z „n”
do „p” i dziur z „p” do „n”. Prąd wsteczny - JW , to ruch nośników mniejszościowych: dziur z
„n” do „p”, elektronów z „p” do „n”. W stanie równowagi termicznej natężenie tych prądów
są sobie równe.
Obszar złącza p-n jest pozbawiony swobodnych nośników ładunku, ma zwiększoną
oporność i nazywany jest warstwą zaporową. Szerokość tej warstwy jest rzędu jednego
mikrometra. Doprowadzenie do złącza p-n zewnętrznego napięcia wywołuje zmianę:
szerokości warstwy zaporowej, wysokości bariery potencjału, natężenia pola elektrycznego
oraz natężenia prądu dyfuzyjnego JD.
Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony dodatni biegun źródła SEM, a do obszaru
„p” - ujemny, to wówczas zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot zgodny z polem E0
wytworzonym przez ładunek przestrzenny złącza (rys.2d. Swobodne nośniki większościowe,
pod działaniem sił pola elektrycznego, odpływają z obszaru otaczającego warstwę zaporową wzrasta jej szerokość (rys.2ab), zwiększa się tym samym opór wewnętrzny złącza. Mówimy,
1
Rys.1. Złącze p-n niespolaryzowane:
Rys.2. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku
a) model fizyczny złącza, b) rozkład ładunku
zaporowym (a – e jak na rys.1).
przestrzennego, c) rozkład napięcia w stosunku
do powierzchni granicznej, d) rozkład pola elektrycznego, e) model pasmowy złącza p-n oraz
kierunki przepływu prądów - dyfuzyjnego JD
(ładunków większościowych) i wstecznego JW
(ładunków mniejszościowych).
że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku zaporowym. Bariera potencjałów tak spolaryzowanego złącza zostaje zwiększona o U – napięcie zewnętrzne i jest równa sumie napięć
U+U0 (rys.2c). Zwiększone pole elektryczne w warstwie zaporowej przeciwdziała prądowi
dyfuzyjnemu JD, prąd ten maleje (rys.2e) i przy napięciu zewnętrznym rzędu dziesiątych
części wolta zupełnie zanika. Pole to natomiast sprzyja przepływowi prądu wstecznego -
2
natężenie jego jest niewielkie (10-6 - 10-7A) i nieznacznie zależy od przyłożonego napięcia.
Prąd JW zależy od temperatury złącza, tzn. od koncentracji nośników mniejszościowych.
Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony ujemny biegun źródła SEM, a do „p”
dodatni, wówczas mówimy, że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
Zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot przeciwny do pola E0, wytworzonego przez ładunek
przestrzenny złącza niespolaryzowanego. W wyniku tego zmniejsza się wypadkowe pole elektryczne w obszarze złącza (rys.3d), zmniejsza się szerokość warstwy zaporowej (rys.3ab) oraz
opór złącza. Bariera potencjału zostaje zmniejszona o U - napięcie zewnętrzne, przyłożo -
Rys.3. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia (a-e jak na rys.1).
Rys.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa
diody półprzewodnikowej.
ne do złącza i jest równa U0 - U (rys.3c). W wyniku zmniejszenia spadku napięcia na warstwie
zaporowej, maleje natężenie pola elektrycznego ograniczającego dyfuzję nośników większościowych Im bardziej wzrasta napięcie zewnętrzne, tym bardziej zmniejsza się bariera potencjału - tym samym wzrasta dyfuzja, a z nią prąd płynący przez złącze w kierunku
przewodzenia (rys.3e).
Opór złącza w kierunku przewodzenia jest 103-105 razy mniejszy od oporu w kierunku
zaporowym. Złącze p-n charakteryzuje się zdolnością do jednokierunkowego przewodzenia
3
prądu. Rzeczywiste złącza p-n nazywane są diodami półprzewodnikowymi. Statyczna charakterystyka prądowo-napięciowa takiej diody przedstawiona jest na rys. 4.
Zależność prądu złącza od przyłożonego napięcia zewnętrznego z dobrym przybliżeniem opisuje teoretycznie znaleziona funkcja:
J = J s (e
qU
kT
 1)
gdzie:
Js - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu w kierunku zaporowym
U - napięcie przyłożone do złącza
T - temperatura złącza
q - ładunek elektronu
k - stała Boltzmana.
Na charakterystyce prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej wyróżnia się
pewne graniczne wartości napięć i prądów, których osiągnięcie lub przekroczenie może być
przyczyną uszkodzenia diody w sposób trwały lub czasowy. Dla kierunku zaporowego podaje
się:
Urg - napięcie przebicia diody,
Urd - maksymalne dopuszczalne napięcie w kierunku zaporowym (Urd = 0,8 Urg),
Js - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu; a dla kierunku przewodzenia:
JF - natężenie prądu płynącego pod wpływem napięcia UF = 0,5V lub UF = 1V,
Tjd - dopuszczalna temperatura złącza,
Jo max - dopuszczalny prąd średni, jaki może płynąć przez diodę w kierunku
przewodzenia,
Js
- dopuszczalny prąd szczytowy, jaki może płynąć przez diodę w kierunku
przewodzenia.
a)
b)
Rys.5. Schemat układu do zdejmowania charakterystyki prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym, gdy nie korzystamy z
zasilacza używanego zestawie do wykonania ćwiczenia.
4
Przebieg pomiarów
1. Połączyć diodę germanową z zasilaczem wg schematu z rys.6. Czołową płytę zasilacza
przedstawia rys.7.
2. Wcisnąć przycisk 400 mA oraz włączyć przełącznik „sieć”. Zmieniając pokrętłem potencjometru napięcie co 0,1 V odczytywać natężenie prądu płynącego przez diodę.
Z chwilą gdy amperomierz pokaże 400 mA zacznie mrugać lampka z oznaczeniem „+”.
Należy natychmiast przerwać pomiary i zmniejszyć napięcie do 0 V, ponieważ została
przekroczona dopuszczalna wartość natężenia płynącego prądu.
3. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli.
Rys.6. Schemat układu pomiarowego:
Z - zasilacz, D - dioda.
Rys.7. Płyta czołowa zasilacza.
Tabela.
Kierunek przewodzenia
Dioda germanowa
Lp.
Dioda krzemowa
U
I
U
I
[V]
[mA]
[V]
[mA]
1.
2.
...
Kierunek zaporowy
Dioda germanowa
Lp.
U
I
[V]
[A]
1.
2.
...
5
4. W celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody germanowej w kierunku
zaporowym należy odwrotnie podłączyć diodę do zasilacza, wcisnąć przycisk 40 A i
zmieniając napięcie potencjometru odczytać wartość natężenia płynącego prądu.
5. Wartości natężenia płynącego prądu należy odczytywać dla następujących wartości napięcia: 0 V; 0,1 V; 0,2 V; 0,5 V; 1 V; 2 V; 4 V; 8 V; 16 V.
6. Wyniki wpisać do tabeli.
7. Identyczne pomiary przeprowadzić dla diody krzemowej. Należy jednak pamiętać, że
kierunek przewodzenia jej elektrody ujemnej (katody) jest oznaczony niebieską kropką.
8. Na podstawie uzyskanych wyników wykreślić na jednym arkuszu papieru milimetrowego
charakterystyki prądowo-napięciowe dla obu typów diod.
9. Na podstawie wykresów wyznaczyć opór wewnętrzny obu diod w kierunku przewodzenia
i w kierunku zaporowym dla prostoliniowych odcinków charakterystyki.
10. Pomiary dokonane przy pomocy mierników cyfrowych są bardzo dokładne, błędy nie
przekraczają 0,3% wartości mierzonej. Możemy więc przyjąć, że pomiary nie są obarczone
istotnym błędem, zwłaszcza, że odczytywana z mierników wartość natężenia prądu jest
ciągle zmienna. Wynika to z pracy elementu półprzewodnikowego (wpływ temperatury na
płynący przez diodę prąd).
Zagadnienia
Teoria pasmowa ciała stałego. Model pasmowy izolatora, półprzewodnika
i przewodnika. Poziom Fermiego. Półprzewodnik samoistny - schemat pasmowy w T = 0 K i
T > 0 K. Półprzewodniki domieszkowe typu „n” i „p” - schematy pasmowe T = 0 K i T > 0 K.
Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku
zaporowym. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody półprzewodnikowej. Wyznaczenie
charakterystyki diody - schemat układów pomiarowych.
Literatura
M. Skorko: Fizyka. PWN. Warszawa 1976. Par. par. 32.8, 32.13, 32.15, 32.16.
6