Literatura

Nazwisko i imię:
Zespół:
Data:
Ćwiczenie nr 123: Półprzewodnikowe złącze p-n
Cel ćwiczenia:
Zapoznanie się z własnościami warstwowych złącz półprzewodnikowych p-n. Wyznaczanie charakterystyk stałoprądowych dla diod germanowych, krzemowych i stabilizujących.
Literatura
[1] Zięba A. (red), Pracownia Fizyczna Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej SU1642, AGH, Kraków
2002 (ew. wydania wcześniejsze).
[2] Bobrowski Cz.,Fizyka – krótki kurs. Warszawa, WNT 1995
Ocena i podpis
Zagadnienia do opracowania
1.
Klasyfikacja ciał stałych ze względu na przewodnictwo elektryczne
2.
Różnice między półprzewodnikami samoistnymi i domieszkowymi.
3.
Zasada działania warstwowego złącza p-n.
4.
Charakterystyka prądowo-napięciowa idealnego złącza p-n.
5.
Rodzaje nośników ładunku w przewodnikach i półprzewodnikach.
6.
Sposoby wykorzystania własności złącz p-n oraz rodzaje elementów (przyrządów)
półprzewodnikowych.
7.
Opisz zjawisko Zenera oraz jego wykorzystanie w przyrządach półprzewodnikowych.
Ocena z odpowiedzi:
123-1
1
Opracowanie ćwiczenia
Opracuj i opisz zagadnienia nr
i
podpis:
123-2
2
Oznaczenia, podstawowe definicje i wzory
Równanie prądowo-napięciowe złącza p-n
I = I S exp
eU
kT
−1
(1)
gdzie:
– natężenie prądu złącza,
– napięcie polaryzacji zewnętrznej złącza,
– teoretyczny prąd nasycenia złącza
– potencjał termiczny złącza (∼ 26 mV, dla T = 300 K).
Powyższe równanie określa zależność natężenia prądu od zmian zewnętrznego napięcia sterującego,
czyli określa tzw. statyczną charakterystykę prądowo-napięciową dla idealnego złącza p-n.
I
U
IS
kT /e
Układ pomiarowy
W ćwiczeniu mierzy się prąd płynący przez diodę w funkcji przyłożonego napięcia. Do pomiaru natężenia prądu służy wielozakresowy przyrząd uniwersalny o dużej czułości typu V-640, lub równoważny
o czułości prądowej co najmniej 1 nA. Pomiar napięcia odbywa się przy użyciu dowolnego woltomierza
cyfrowego. Schemat układu płyty ćwiczeniowej przedstawiono na rysunku123-1. Dołączamy do niej zasilacz stabilizowany oraz wymienione wyżej przyrządy pomiarowe. Na płycie ćwiczeniowej znajduje się
przełącznik polaryzacji złącza, przełącznik rodzaju badanej diody oraz 10-cio obrotowy potencjometr
umożliwiający płynną i precyzyjną zmianę wartości napięcia oraz natężenia prądu złącza.
3
Wykonanie ćwiczenia
1. Zestaw układ pomiarowy według rysunku 123-1. Prowadzący ćwiczenia sprawdza układ przed
włączeniem zasilania. Przyrząd uniwersalny V-640 używany jest jako amperomierz dla pomiaru dużego natężenia prądu w kierunku przewodzenia oraz dla pomiaru bardzo małych natężeń,
na zakresach nA dla kierunku zaporowego. Aby uchronić przyrząd przed zniszczeniem należy
przed każdym pomiarem ustawić go na największy zakres pomiarowy i następnie dobrać, w
trakcie pomiaru, optymalny zakres pracy przyrządu. Przyrząd V-640 posiada przyciski ”+” i ”-”
umożliwiające zmianę polaryzacji. Przyrząd należy wyzerować dla każdego używanego zakresu
pomiarowego.
2. Wykonaj pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych dla polaryzacji w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym dla jednego z poniżej podanych wariantów:
(a) diody germanowej i krzemowej
(b) diody germanowej, krzemowej i Zenera
(c) diody germanowej, krzemowej i diody nieznanego rodzaju (DX)
123-3
Wykonaj pomiary dla wariantu .....................
podpis:
Rysunek 123-1: Schemat płyty ćwiczeniowej.
1. Charakterystyki przy polaryzacji w kierunku przewodzenia: mierzymy napięcie na poszczególnych diodach dla wartości natężenia prądów określonych w tabeli 1.
2. Charakterystyki przy polaryzacji zaporowej dla diody germanowej i krzemowej: mierzymy natężenie prądu przy ustalonych napięciach polaryzacji zaporowej określonych w tabeli 2.
3. Charakterystyki dla diody Zenera w kierunku zaporowym: mierzymy napięcie przy wymuszonym
natężeniu prądu wstecznego dla wartości określonych w tabeli 2.
4. W przypadku diody ”DX”: przy pomiarach dla kierunku zaporowego, po osiągnięciu natężenia
prądu IS > 100 µA należy przejść na pomiar napięcia przy ustawianym natężeniu prądu, czyli
tak jak dla diody Zenera.
123-4
4
Wyniki pomiarów
Tabela 1: Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych dla kierunku przewodzenia
I
Napięcie U [V]; diody:
[mA] germanowa krzemowa Zenera dioda ”DX”
0,1
0,2
0,3
0,5
0,7
1,0
2,0
3,0
5,0
7,0
podpis:
10,0
Tabela 2. Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych dla kierunku zaporowego
U
Natężenie prądu zaporowego diod:
I
Napięcie zaporowe diod:
[V]
germanowa krzemowa dioda ”DX” [mA] Zenera dioda ”DX”
[µA]
[nA]
[......]
[V]
[V]
0,1
0,1
0,2
0,2
0,3
0,3
0,5
0,5
0,7
0,7
1,0
1,0
1,5
1,5
2,0
2,0
3,0
3,0
4,0
4,0
5,0
5,0
6,0
6,0
7,0
7,0
8,0
8,0
9,0
9,0
10,0
10,0
Uz [V]
Z
123-5
5
Opracowanie wyników pomiarów
1. Narysuj wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych, log(I) = f (U ), dla wszystkich zmierzonych diod dla polaryzacji przewodzenia na jednym wspólnym polu rysunkowym nr.123-2.
2. Narysuj wykresy I = f (U ) przy polaryzacji zaporowej dla diody germanowej, krzemowej i diody
”DX”. Wszystkie wykresy wykonaj na polu rysunkowym nr.123-3a.
3. Dla diody Zenera i ewentualnie diody ”DX” wykonaj wykresy na polu rysunkowym nr.123-3b.
4. Określ napięcie stabilizowane UZ diody Zenera. Wartość tego napięcia dla diod małej i średniej
mocy ustalamy umownie dla natężenia prądu zaporowego diody IZ = 5 mA. Otrzymane wyniki
wpisz w dolnej części tabeli nr 2.
5. Oblicz współczynnik Z stabilizacji napięcia dla diod Zenera. Współczynnik ten jest określony
jako iloraz Z = R/r, oporności statycznej diody, R = UZ /IZ dla IZ = 5 mA, do oporności
dynamicznej, r = ∆U/∆I. Przyrosty ∆U i ∆I powinny być określone w bezpośrednim otoczeniu
IZ .
6. W przypadku realizowania wariantu ”(c) ćwiczenia, określ na podstawie wyznaczonych charakterystyk rodzaj badanej diody ”DX”.
Z1 =
ZX =
Otrzymane wyniki zestaw w tabeli nr 2.
Wnioski:
Uwagi prowadzącego:
Ocena za opracowanie wyników:
ocena
6
Załączniki: dodatkowe wykresy, obliczenia, ewentualna poprawa
123-6
podpis
Rysunek 123-2: Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych diod polaryzowalności w kierunku
przewodzenia.
123-7
Rysunek 123-3: Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych diod polaryzowalności w kierunku
zaporowym: a)dla diody germanowej i krzemowej, b)dla diody Zenera.
123-8