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,

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 elek-

trycznego, 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 - 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 kie-          Rys.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa

runku przewodzenia (a-e jak na rys.1).                        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 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:

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.

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:                 Rys.7. Płyta czołowa zasilacza.

           Z - zasilacz,  D - dioda.

Tabela.