Dioda półprzewodnikowa.pdf

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 - J D oraz prąd wsteczny - J W . Prąd dyfuzyjny

J D utworzony jest przez ruch nośników większościowych: elektronów z „n” do „p” i dziur z „p”

do „n”. Prąd wsteczny - J W , 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 J D .

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 E 0 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

1. 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 J D

(ładunków większościowych) i wstecznego J W

(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+U 0 (rys.2c). Zwiększone pole elektryczne w warstwie zaporowej przeciwdziała prądowi

dyfuzyjnemu J D , 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 -7 A) i nieznacznie zależy od przyłożonego napięcia. Prąd J W 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.

ewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot przeciwny do pola E 0 , 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 U 0 - 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 10 3 -10 5 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:

J s - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu w kierunku zaporowym

U - napięcie przyłożone do złącza

T - temperatura złącza

q - ładunek elektronu

k - stała Boltzmana.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: