DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA
Cel: Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej.
Przyrządy: woltomierz, miliamperomierz, mikroamperomierz, opornik, źródło stałej SEM.
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.
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.
Kierunek przewodzenia
Dioda germanowa
Dioda krzemowa
Lp.
U
I
[V]
[mA]
1.
2.
...
Kierunek zaporowy
Kaacha91