123.DOC

              Podstawowymi strukturami półprzewodnikowymi przyrządów złączowych, takich jak diody, tranzystory, układy scalone, są warstwowe złącza półprzewodnikowe typu p - n. Złącze to stanowi obszar monokrystaliczny półprzewodnika ze zmienną koncentracją domieszek akceptorowych i donorowych, prowadzącą do zmiany typu przewodnictwa z elektronowego (półprzewodnik typu n) na dziurowy (typu p).

W krysztale typu p głównymi nośnikami ładunku są dziury, a nośnikami mniejszościowymi elektrony,w krysztale typu n mamy sytuację odwrotną.

Jeżeli między obydwoma kryształami istnieje kontakt elektryczny i swobodne nośniki mogą przemieszczać się z jednego kryształu do drugiego, to kryształy te utworzą jednolity układ i poziomy Fermiego znajdą się w nich na tej samej wysokości. Prowadzi to do przemieszczania się względem siebie pasm energetycznych w obu kryształach i powstania w obszarze kontaktu bariery potencjału o wysokości , gdzie - kontaktowa różnica potencjałów.

Strumień większościowych nośników ładunku, które przechodzą przez złącze p - n tworzy prąd dyfuzyjny . Zależność ilościową Id od wielkości bariery potęcjałów określa czynnik wynikający z rozkładu Bolzmanna Id ~ exp(eU/kT).Przechodzeniu większościowych nośników ładunku przez złącze p - n towarzyszy przechodzenie mniejszościowych, przy czym ich strumień jest skierowany przeciwnie i tworzy prąd dryfu . W warunkach równowagi prądy te są równe co do swych wartości bezwzględnych, a ponieważ są przeciwnie skierowane, to prąd całkowity złącza . Przyłożenie zewnętrznego napięcia U do złącza powoduje naruszenie istniejącej poprzednio równowagi. Zależnie od sposobu jego podłączenia do złącza możliwe jest obniżenie lub podwyższenie wewnętrznej bariery potencjału o wartość .

Zgodnie z warunkiem zerowania prądu całkowitego dla U=0, prąd diody określony jest zależnością:

gdzie: U - napięcie zewnętrzne przyłożone do złącza,

           Is - prąd nasycenia złącza,

         - potencjał termiczny złącza.

Powyższe równanie stanowi tzw. statyczną charakterystykę prądowo - napięciową złącza p - n.

Charakterystyka prądowo - napięciowa złącza jest silnie nieliniowa. Złącze ma własność jednokierunkowego przewodzenia. Ma bardzo duży opór przy polaryzacji zaporowej oraz bardzo mały przy polaryzacji w kierunku przewodzenia.

Powyższy wzór opisuje idealną charakterystykę złącza p - n. Wzór ten nie zawiera żadnych parametrów określających własności konkretnego półprzewodnika, takich jak wartość przerwy energetycznej czy koncentracji nośników. Wobec tego charakterystyki rzeczywistych diod mogą być tylko gorsze od charakterystyki idealnego złącza p - n, tj. wykazują większy spadek napięcia w kierunku przewodzenia i większą wartość prądu wstecznego w kierunku zaporowym w porównaniu do idealnego złącza p - n.

W przypadku złącz złożonych z obszarów o dużej koncentracji domieszek akceptorowych i donorowych, przy ich zaporowej polaryzacji odpowiednio dużym napięciem wstecznym, pasmo przewodnictwa po stronie n złącza leży naprzeciw pasma walencyjnego po stronie p. Przy dużej koncentracji domieszek szerokość warstwy opróżnionej jest mała i może zachodzić tunelowe przejście elektronów z obszaru p do n. Zjawisko to jest nazwane zjawiskiem Zenera. Zjawisko to powoduje w diodach gwałtowny wzrost prądu wstecznego po przekroczeniu pewnego progowego napięcia Zenera Uz.

Współczynnik stabilizacji diody Zenera jest stosunkiem względnej zmiany napięcia do względnej zmiany prądu. Można go też określić jako stosunek oporności dynamicznej rz do statycznej Rz diody Zenera:

Schemat płyty ćwiczeniowej przedstawiamy na poniższym rysunku:

Przebieg doświadczenia i opracowanie wyników

a)      Po zestawieniu układu pomiarowego wykonaliśmy pomiary charakterystyk prądowo - napięciowych dla diod prostowniczych germanowej i krzemowej spolaryzowanych w kierunku przewodzenia do wartości natężenia prądu 10 mA, spolaryzowanych w kierunku zaporowym do napięcia 10 V. Otrzymane wyniki pomiarów przedstawiamy w tabelach.

( W dalszej części opracowania będziemy dla ułatwienia zamiast „spolaryzowane w kierunku przewodzenia (zaporowym)” będziemy mówić „ w kierunku przewodzenia (zaporowym)” )