IBD                                                                                                                      2009.05.22

Laboratorium z fizyki

Ćw. nr:  29

Charakterystyka diody półprzewodnikowej

Mateusz Kruk

LP6

I. Wstęp teoretyczny

Półprzewodnikami nazywane są ciała stałe, dla których szerokość pasma wzbronionego nie przekracza 3 eV. Szerokość pasma wzbronionego nazywamy najmniejszą ilość energii, jaką jest potrzebna, aby przenieść elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Półprzewodniki dzielimy na:

   1. Jonowe (nośnikami prądu elektrycznego są jony, nie mają większego zastosowania)

   2. Elektronowe:

              a) samoistne

              b) domieszkowe .

              W półprzewodnikach samoistnych przewodnictwo jest uwarunkowane przejściem elektronów z zapełnionego pasma walencyjnego do pustego pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach domieszkowych przewodnictwo jest uwarunkowane różnicą elektronowych poziomów energetycznych atomów kryształu i atomów domieszki.

Przewodnictwo samoistne półprzewodników.

              Mechanizm przewodzenia elektryczności w półprzewodnikach omówimy na przykładzie germanu. W atomie mamy 32 elektrony. 4 elektrony z powłoki zewnętrznej (walencyjne) tworzą z elektronami sąsiednich atomów wiązania kowalencyjne. Szerokość pasma energii wzbronionej jest stosunkowo mała (DW=0,7eV).Wskutek oddziaływań zewnętrznych niektóre z elektronów walencyjnych uzyskują energię przekraczającą szerokość pasma energii wzbronionej i mogą brać udział w przepływie prądu elektrycznego. Przejście elektronu z pasma zapełnionego powoduje powstanie w tym paśmie walencyjnych poziomów, na które mogą przechodzić inne elektrony o energiach należących do tego pasma, a zatem przewodnictwo wewnątrz pasmowe.

Przewodnictwo domieszkowe półprzewodników.

              Stosuje się dwa rodzaje domieszek. Do sieci krystalicznej typowych kryształów półprzewodnikowych wprowadza się atomy pierwiastków pięciowartościowych np.: arsen (As), fosfor (P), antymon (Sb), lub trójwartościowych jak glin (Al), ind (In).

Podstawowe własności półprzewodników:

1.      Ekspotencjalny spadek oporu właściwego wraz ze wzrostem temperatury.

2.      Duży wpływ zanieczyszczeń i domieszek na opór właściwy np.: opór tlenku niklu, który w czystym stanie jest izolatorem, maleje 10 razy po dodaniu 1% litu.

3.      Zmiana własności elektrycznych pod wpływem temperatury (termistory), oświetlenia (zastosowanie w fotoelementach), pola elektrycznego i ciśnienia.

4.      Opór elektryczny zależy również od tego czy sieć krystaliczna półprzewodnika nie ma defektów.

Złącze p-n.

              Obszar graniczny rozdzielający obszary o przewodnictwie dziurowym i elektronowym nazywamy złączem dziurowo-elektronowym lub złączem p-n. Na granicy półprzewodników o różnym typie przewodnictwa mamy do czynienia ze zjawiskiem dyfuzji nośników ładunku elektrycznego. W otoczeniu granicy półprzewodników typu n i typu p powstaje kontaktowe pole elektryczne oraz różnica potencjałów.

Pole to ma taki kierunek, że przeciwdziała dyfuzji większościowych ładunków przez złącze, ale umożliwia przepływ nośników mniejszościowych. Przez złącze przepływają więc 2 prądy: prąd dyfuzji i prąd dryfu. Przy braku zewnętrznego napięcia suma tych prądów jest równa zero. Gdy doprowadzimy do złącza p-n napięcie zewnętrzne U, obszar typu p łączymy z ujemnym biegunem napięcia, nastąpi poszerzenie strefy ładunku przestrzennego, przez zwiększenie skoku potencjału na złączu p-n do wartości (DU+U). W tych warunkach przepływa jedynie prąd wsteczny zależny od koncentracji nośników mniejszościowych. Jeśli napięcie przyłożymy odwrotnie wówczas natężenia pola zewnętrznego i kontaktowego mają przeciwne zwroty. Następuje wówczas zmniejszenie obszaru ładunku przestrzennego oraz skoku potencjału do wartości (DU,+U), co sprzyja przepływowi nośników większościowych przez złącze. Płynie wówczas prąd przewodzenia. Posługując się modelem pasmowym półprzewodnika można obliczyć natężenie prądu całkowitego płynącego przez złącze p-n, do którego przyłożone jest napięcie U.

gdzie:              I - prąd płynący przez diodę złącze p-n .

              I0 - całkowity prąd mniejszościowy.

              q - ładunek elektronu .

              T - temperatura w skali Kelwina.

II. Tabele pomiarowe

         Dioda półprzewodnikowa