Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 1/9

Ćwiczenie: Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

1.Wiadomości wstępne

Ciała   stałe ze  względu  na  ich  przewodnictwo  elektryczne  dzielimy  na  izolatory,  półprzewodniki  i

przewodniki (metale). Rezystywność metalu w temperaturze pokojowej jest zawarta w przedziale od 10

-8 

m

do  10

-4  

m,  przy  dodatnim  temperaturowym  współczynniku  rezystancji.  Rezystywność  półprzewodników

wynosi   od  10

-4  

m  do  10

8  

m,   a   współczynnik  temperaturowy   rezystancji   jest   ujemny.   Rezystywność

izolatorów jest zawarta  w granicach 10

8  

m do 10

20  

m, przy ujemnym współczynniku temperaturowym

rezystancji. Mechanizm przewodnictwa i powyższy podział ciał krystalicznych wyjaśnia pasmowa teoria ciała
stałego. Podstawowym materiałem stosowanym do budowy elementów elektronicznych są półprzewodniki.

l. 1. Półprzewodniki

Wyróżnia się dwa rodzaje półprzewodników:

  - półprzewodniki samoistne,
  - półprzewodniki domieszkowe.

Najczęściej   stosowanymi   w   elektronice   półprzewodnikami   samoistnymi   są   kryształy   krzemu   i

germanu.   W   stanie   niewzbudzonym   są   one   izolatorami.   Dostarczenie   energii   większej   od   przerwy
energetycznej W

G

 (rys. 1.1.a) powoduje przejście (wzbudzenie) elektronu z zapełnionego pasma walencyjnego

do   pasma   przewodnictwa.   Przejście   to   powoduje  oddalenie  elektronu   od  jego  pierwotnego  położenia   w
krysztale, a tym samym powstaje miejsce z nadmiarem ładunku dodatniego, zwane dziurą. Miejsce to może
być zajęte przez elektron z sąsiedniego atomu. Dzięki kolejnym przenoszeniom elektronów dziura może się
poruszać   w krysztale.  Zatem  wzbudzenie  elektronu  do  pasma   przewodnictwa  powoduje  powstanie dwóch
nośników prądu - elektronu i dziury. W półprzewodniku samoistnym liczba elektronów i dziur jest taka sama.
Szersze   zastosowanie  znalazły   półprzewodniki  domieszkowe.  Powstają   one  w   wyniku   wprowadzenia   do
kryształu germanu lub krzemu pierwiastków trójwartościowych (bor, glin) lub pięciowartościowych (antymon,
fosfor, arsen)

W pierwszym przypadku mamy do czynienia z półprzewodnikiem typu „p”. Zawiera on domieszki

akceptorowe  powodujące   powstanie   nadmiaru   dziur.   Trójwartościowa   domieszka   wprowadza   dodatkowy
poziom energetyczny W

A

  leżący blisko pasma walencyjnego.  Jest  to poziom akceptorowy (rys. 1.1.b).  W

drugim  przypadku  otrzymujemy  półprzewodnik  typu   „n”,   zawierający   domieszki  donorowe  wytwarzające
nadmiar elektronów w krysztale. Energia dodatkowego elektronu W

D

  ma wartość bliską energii elektronu w

paśmie przewodnictwa (rys.1.l.c). Poziom energetyczny takiego elektronu nosi nazwę poziomu donorowego.

1.2. Złącze "p-n"

Złącze   "p-n"   w   półprzewodniku   jest   to   warstwa   przejściowa   między   obszarem   przewodnictwa

akceptorowego, a obszarem przewodnictwa donorowego. Domieszka akceptorowa sprawia, że koncentracja
dziur w obszarze "p" jest większa od koncentracji elektronów. Natomiast domieszka donorowa w obszarze "n"
prowadzi do przewagi elektronów nad dziurami.

W   warunkach   ustalonej  temperatury   i   braku   napięć   zewnętrznych   złącze   znajduje   się   w   stanie

równowagi.  W  tej  sytuacji  występuje  tendencja  do  przenikania  dziur  z  obszaru   "p"  do  obszaru   "n"  oraz
elektronów z obszaru "n" do obszaru "p". Po pewnym czasie przepływ zanika ze względu na istnienie bariery
potencjału w pobliżu złącza. W otoczeniu złącza powstaje wtedy obszar izolacyjny ograniczający przepływ
nośników  prądu.   Przepływ  nośników  wymaga   pokonania   bariery   potencjalnej  V

o

,   (rys.   l.2a)   -   0,2 V   w

germanie i 0,7 V w krzemie.

Przyłożenie do materiału typu "p" potencjału dodatniego, a do materiału typu "n" potencjału ujemnego

powoduje   obniżenie   wysokości   bariery   potencjalnej   o   przyłożony   potencjał   V   rys.(l.2.b).   Powoduje   to
zmniejszenie rezystancji złącza i pozwala na wzrost natężenia przepływającego przez złącze prądu. Złącze
"p-n" jest wtedy w stanie przewodzenia.

Przy odwrotnej polaryzacji złącza "p-n" (w kierunku zaporowym) bariera potencjalna zwiększa się o

wartość przyłożonego potencjału V (rys.l.2.c). Wzrasta wtedy rezystancja złącza. Przepływ nośników prądu
jest utrudniony. Prąd przepływający przez złącze jest znikomo mały. Złącze "p-n" jest w stanie zablokowania.

 1.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza "p-n"
 

W charakterystyce pradowo-napięciowej złącza "p-n" można wyróżnić cztery zakresy (rys.1.3):

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 2/9

 - zakres przewodzenia (I),
 - zakres napięć bliskich zeru (lI),
 - zakres zablokowania (III),
 - zakres przebicia (IV).
 W I zakresie prąd przewodzenia 

I

p

 rośnie bardzo szybko. Wzrost prądu ma charakter prawie liniowy. Styczna

do   tej   części   charakterystyki   przecina   oś   napięcia   przewodzenia   Up   w   punkcie  Uo   zwanym  napięciem
progowym (0,2V dla złącz germanowych i 0,7V dla złącz krzemowych).
 W II zakresie przebieg prądu ma charakter nieliniowy.
 W III zakresie prąd wsteczny 

I

w

 ma niewielką wartość, a przebieg ma charakter liniowy.

 W IV zakresie prąd wsteczny 

I

w

 gwałtownie rośnie. Gwałtowny wzrost prądu spowodowany jest jedna z dwu

przyczyn: - jonizacją Zenera lub jonizacją lawinową. Zjawiska te spowodowane są powstaniem w obrębie
złącza silnego pola elektrycznego wywołanego przyłożonym napięciem wstecznym.

Jonizacja (zjawisko) Zenera występuje w złączach wąskich, gdzie niewielkie napięcie polaryzacji w

kierunku zaporowym powoduje powstanie pola elektrycznego o dużym natężeniu. Pozwala to na rozrywanie
wiązań kowalentnych i wzrost liczby swobodnych elektronów - nośników prądu elektrycznego, a tym samym
wzrost wartości prądu wstecznego.

Jonizacja lawinowa występuje w złączach szerszych przy znacznie wyższych napięciach, niż ma to

miejsce w przypadku zjawiska Zenera. Przyłożone napięcie wytwarza pole elektryczne nadające elektronom
dużą prędkość. Energia kinetyczna uzyskana przez elektrony pozwala na wybicie innych elektronów z atomów
złącza. Te elektrony uzyskują również dużą energię wybijając następne elektrony, itd. Przy braku ograniczenia
prądu, zjawisko to prowadzi do przebicia złącza powodującego jego zniszczenie.

 1.4. Podział diod półprzewodnikowych
 

Półprzewodnik   ze   złączem   "p-n"   mający   wyprowadzenia   służące   do   włączania   go   do   obwodu

elektrycznego tworzy element półprzewodnikowy zwany diodą półprzewodnikową.
 

Ze  względu  na   właściwości  i  zastosowanie  rozróżnia  się  diody  półprzewodnikowe:  prostownicze,

stabilizujące,   impulsowe   (przełączające),   pojemnościowe,   mikrofalowe,   elektroluminescencyjne   itp.   Ze
względu  na   przebiegające  w  diodach  półprzewodnikowych  zjawiska   rozróżnia   się  diody:  Zenera,   Gunna,
Schottky'ego, lawinowe, tunelowe, fotoczułe itp.

 l .5 Dioda prostownicza

Zadaniem diody prostowniczej jest przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy. Ze

względu  na   konstrukcję  rozróżnia   się  diody  prostownicze  ostrzowe,   prostujące   za   pomocą   styku   metal-
półprzewodnik oraz diody prostownicze warstwowe, w których prostowanie odbywa się za pomocą złącza "p-
 n". Powszechne zastosowanie znalazły półprzewodnikowe diody prostownicze warstwowe. Wykorzystuje się
tu właściwości złącza "p-n", Symbol graficzny i charakterystykę prądowo-napięciową diody prostowniczej
przedstawiono na rys. l .4.
 

Charakterystyka   diody   prostowniczej   jest   niesymetryczna,   dzięki   temu   prąd   elektryczny

przepuszczany jest tylko w jednym kierunku, natomiast w kierunku przeciwnym w stopniu bardzo małym.
Diody prostownicze mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia, co umożliwia uzyskanie sprawności
prostowania rzędu 99% i małego spadku napięcia na diodzie. Przy przepływie prądu obciążenia wynosi on na
diodzie  krzemowej  0,6-0,8V,   a   na   diodzie  germanowej  0,2-0,4V.   Diody  prostownicze  pracują   w   ściśle
określonym zakresie temperatur i są wrażliwe na przepięcia, zwłaszcza występujące w kierunku zaporowym.
Zakres temperatur pracy, obciążalność prądowa i dopuszczalne napięcia pracy zależą od rodzaju materiału
użytego do budowy diody.

 1.6. Dioda Zenera

Dioda  Zenera  (stabilitron,  stabilistor   lub  dioda  stabilizacyjna)  pracuje  w  układach  ograniczania  i

stabilizacji napięcia. Wykorzystywane jest tu zjawisko Zenera. Normalnym stanem pracy tej diody jest praca
przy   zasilaniu   w   kierunku   zaporowym.   Symbol   graficzny   i   charakterystykę   pradowo-napięciową   diody
stabilizacyjnej pokazano na rys.1.5. Stabilitrony są diodami krzemowymi. Napięcia stabilizacji powszechnie
stosowanych diod Zenera zawierają się granicach od 3V do 300V. Mogą one przewodzić prąd o wartości od
kilku miliamperów do kilku amperów.

1.7. Dioda tunelowa.

Symbol graficzny i charakterystykę prądowo-napięciową zobrazowano na rys.1.6. Dioda tunelowa

(dioda Esaki) zbudowana jest ze złącza "p-n" o małej grubości i bardzo dużej koncentracji domieszek po obu

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 3/9

jego stronach. Powoduje to, że złącze znajduje się w stanie jonizacji Zenera przy braku zewnętrznego napięcia
polaryzującego. Zjawisko to, zwane tunelowym, powoduje, że doprowadzenie do diody napięcia w kierunku
przewodzenia powoduje dużo szybsze niż w normalnej diodzie narastanie prądu przewodzenia 

I

p

. Początkowe

narastanie prądu przewodzenia odbywa się aż do osiągnięcia "punktu szczytu" (

U

s

, 

I

s

). Dalszy wzrost napięcia

polaryzacji powoduje osłabienie efektu Zenera, co objawia się spadkiem prądu przewodzenia. Po osiągnięciu
"punktu doliny" (

U

d

, 

I

d

) charakterystyka prądowo-napięciowa pokrywa się z charakterystyką zwykłej diody. W

przedziale od "punktu szczytu" do punktu "doliny" dioda tunelowa charakteryzuje się ujemną rezystancją.
Diody   tunelowe   wykonywane   są   zwykle  z   germanu   lub   arsenku   galu.   Stosowane   są   one   w   układach
wzmacniaczy   i   generacji   sygnałów   dużej   częstotliwości   (>   300Hz),   a   także   jako   szybkie   przełączniki
impulsowe. Cenną zaletą diody tunelowej jest stosunkowo niewielka wrażliwość na zmiany temperatury oraz
brak działania zaporowego przy napięciu wstecznym.

1.8. Dioda elektroluminescencyjna.

Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest elementem elektronicznym z jedną warstwą zaporową "p-n",

który przy polaryzacji w kierunku przewodzenia emituje energię świetlną Promieniowanie emitowane przez
diodę jest wynikiem zjawiska promienistej rekombinacji elektronów i dziur w obrębie złącza "p-n". Barwa
emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną światła zależy od rodzaju materiału, od domieszkowania i od
procesów technologicznych zastosowanych w produkcji. Charakterystyka prądowo-napięciowa (rys.1.7) diody
ma   w  kierunku  przewodzenia   gwałtowne  zagięcie,   powyżej  którego  przebieg  jest   bardzo   stromy.   Diody
elektroluminescencyjne   znalazły   zastosowania   w   elementach   sygnalizacji   i   wyświetlaczy   urządzeń
elektronicznych.

1.9. Fotodioda.

Fotodiodą nazywa się przyrząd półprzewodnikowy z pojedynczym złączem "p-n" spolaryzowanym

zaporowo,  w którym  pod wpływem  oświetlenia zwiększa  się liczba nośników  prądu.  Powoduje to wzrost
wartości prądu wstecznego. Charakterystykę prądowo-napięciową i symbol graficzny fotodiody przedstawiono
na rys.1.8.
Fotodioda charakteryzuje się dużym zakresem liniowości sygnału i dużą szybkością działania. Znajduje ona
zastosowanie w układach zliczających, w układach detekcji i w układach wymagających galwanicznej izolacji
między współpracującymi obwodami.

Rys.1.1. Poziomy energetyczne w półprzewodniku: a) samoistnym; b) domieszkowym typu
"p"; c) domieszkowym typu "n". WW - pasmo walencyjne; Wp - pasmo przewodzenia; WA - poziom akceptorowy;
WD - poziom honorowy; WG - przerwa energetyczna.

 

Rys.1.2.   Złącze   "p-n":   a)   niespolaryzowane;   b)   spolaryzowane   w   kierunku   przewodzenia;   c)   spolaryzowane   w
kierunku   zaporowym.  "n"   -   obszar   złącza   typu  n;   "p"   -   obszar   złącza   typu   p;   "+"   -   potencjał   dodatni   źródła  

zasilania;   "-"   -   potencjał   ujemny   źródła   zasilania,   Vo   -   bariera   potencjalna   złącza   niespolaryzowanego,  
V - potencjał źródła zasilania.

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 4/9

Rys.1.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza "p-n".

Rys. 1.4. a) symbol graficzny diody prostowniczej, A – anoda, K - katoda; b) charakterystyka prądowo-
napięciowa diody germanowej (Ge) i krzemowej (Si).

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 5/9

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 6/9

Rys 1.8. Symbol graficzny i charakterystyka fotodiody.

II. Pomiary laboratoryjne

1. Badanie diody prostowniczej.

1.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody w kierunku zaporowym.

Połączyć układ pomiarowy z rys.1.
Zmieniając napięcie zasilania U od 0 V do 20 V odczytać na mikroamperomierzu wartość prądu wstecznego I.
Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.
Tabela 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

...

10

U [V]
I [

A]

1.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.
Połączyć układ pomiarowy z rys.2.
Układ zasilić napięciem U

1

 = 5 V.

Zmieniając   rezystorem  R   prąd   w  zakresie  0-500   mA  odczytać   napięcie  na   diodzie  U

2

  (na   woltomierzu

cyfrowym).
Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.
Tabela 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

...

10

U

2

 [V]

I [mA]

1.3. Opracowanie wyników pomiarów.
Na podstawie pomiarów z pkt. 1.1 i 1.2 wykonać na wspólnym wykresie pełną charakterystykę prądowo-
napięciową I=f(U) badanej diody przyjmując, że:
- wartości prądu i napięcia dla pkt. 1.1 (kierunek zaporowy) są ujemne,
- wartości prądu i napięcia (I, U

2

) dla pkt. 1.2 (kierunek przewodzenia) są dodatnie

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 7/9

2. Badanie diody Zenera.
2.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia.
Połączyć układ z rys. 3.
Układ zasilić napięciem U

1

 = 5 V.

Zmieniając  rezystorem  R   prąd   w  zakresie  50-300   mA  odczytać   napięcie  na  diodzie  U

2

  (na   woltomierzu

cyfrowym).
Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 3.
Tabela 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

...

10

U

2

 [V]

I [mA]

2.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym.
Połączyć układ pomiarowy z rys. 4.
Dla stałej rezystancji rezystora nastawnego R wynoszącej ok. 150 

 zmieniać napięcie zasilania U

1

 od 0 V do

15 V (co 2 V) i odczytać prąd I i napięcie na diodzie U

2

 (na woltomierzu cyfrowym).

Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 4.
Tabela 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

...

9

U

2

 [V]

I [mA]

2.3. Opracowanie wyników pomiarów.
N a podstawie pomiarów z pkt. 2.1 i 2.2 wykonać na wspólnym wykresie pełną charakterystykę prądowo-
napięciową I=f(U) badanej diody Zenera przyjmując, że:
- wartości prądu I i napięcia U

2

 dla pkt. 2.1 (kierunek przewodzenia) są dodatnie,

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 8/9

- wartości prądu i napięcia (I, U

2

) dla pkt. 2.2 (kierunek zaporowy) są ujemne.

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 9/9

Protokół z pomiarów   

Data: . . . . . . . . . . , podpis prowadzącego: . . . . . . . . . . . . . . 

Temat: Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Wykonujący sprawozdanie: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tabela 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [

A]

Tabela 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [mA]

Tabela 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [mA]

Tabela 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [mA]