Fizyka Ciała Stałego

 

 
 
 

Ć

wiczenie Nr 8 

 
 
 
 

WPŁYW STRUKTURY FIZYCZNEJ ZŁĄCZA 

PÓŁPRZEWODNIKOWEGO P-N NA NAPIĘCIE 

PRZEBICIA PRZY POLARYZACJI ZAPOROWEJ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

2 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 

1.

   

Cel ćwiczenia

 

Celem ćwiczenia jest określenie struktury wewnętrznej diod półprzewodnikowych na podstawie ich 

parametrów elektrycznych. 

UWAGA! Wiadomości dotyczące półprzewodników i ich wytwarzania zawarte są w DODATKU A  
 
 

2.

   

Wprowadzenie - złącza półprzewodnikowe krzemowe 

2.1. Półprzewodniki typu n. 

Uzyskuje się je przez wprowadzenie domieszki typu donorowego, np. w przypadku półprzewodnika 

krzemowego  jako  domieszki  używa  się  fosforu  będącego  pierwiastkiem  piątej  grupy  tablicy  okresowej 
(pięć  elektronów  walencyjnych).  Atom  fosforu  zajmuje  wówczas  położenie  w  węźle  sieci  krystalicznej 
krzemu zamiast atomu krzemu, jak to przedstawia Rys.1. Cztery elektrony walencyjne atomu fosforu są 
powiązane  z  czterema  sąsiadującymi  atomami  krzemu  wiązaniami  kowalencyjnymi,  natomiast  piąty 
elektron nie jest zaabsorbowany wiązaniem i może być łatwo oderwany od atomu fosforu, co w modelu 
pasmowym  oznacza  jego  przejście  do  pasma  przewodnictwa.  W  węźle  sieci  krystalicznej  pozostaje 
zjonizowany  jednododatni  atom  fosforu.  Koncentracja  elektronów  w  paśmie  przewodnictwa  jest  w 
przybliżeniu  równa  koncentracji  atomów  domieszki.  Z  uwagi  na  większą  koncentrację  elektronów  niż 
dziur taki półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typu n (negative).  

 

 

Rys. 1. Atom domieszki donorowej fosforu w węźle sieci krystalicznej krzemu: a) model wiązań 

kowalencyjnych, b) energetyczny model pasmowy półprzewodnika typu n. 

 

2.2. Półprzewodniki typu p. 

Jako  domieszki  do  półprzewodnika  krzemowego  używa  się  boru  będącego  pierwiastkiem  trzeciej 

grupy  układu  okresowej  (trzy  elektrony  walencyjne).  Atom  boru  zajmuje  położenie  w  węźle  sieci 
krystalicznej krzemu zamiast atomu krzemu (rys. 2).  

 

 

Rys. 2. Atom domieszki akceptorowej boru w węźle sieci krystalicznej krzemu: a) model wiązań 

kowalencyjnych, b) energetyczny model pasmowy półprzewodnika typu p. 

 

Do  stabilnego  wiązania  atomu  boru  z  czterema  sąsiadującymi  atomami  krzemu  jest  czwartego 

elektronu,  który  może  być  łatwo  uzupełniony  po  oderwaniu  z  sąsiedniego  wiązania  Si-Si,  co  oznacza 

 

4 

zabranie  elektronu  z  pasma  walencyjnego.  W  paśmie  walencyjnym  powstaje  dziura,  atom  boru  jonizuje 
się  jednoujemnie.  Koncentracja  dziur  w  paśmie  walencyjnym  jest  w  przybliżeniu  równa  koncentracji 
atomów domieszki. Z uwagi na większą koncentrację dziur niż elektronów taki półprzewodnik nazywamy 
półprzewodnikiem typu p (positive). 

 

2.3. Złącze p-n. 

Złącze p-n (dioda) jest utworzone przez dwie graniczące ze sobą warstwy typu p i typu n. Dla złącza 

niespolaryzowanego napięciem zewnętrznym, sumarycznym prąd płynący przez złącze ma wartość równą 
zeru,  a  ładunek  przestrzenny  ma  wartość  ustaloną.  Strukturę  złącza  można  podzielić  na  trzy  obszary  o 
różnych właściwościach elektrofizycznych: 

-

 

obszar typu p i typu n (obojętne elektrycznie), 

-

 

obszar ładunku przestrzennego (warstwa zaporowa). 
 

2.4. Polaryzacja złącza. 

W zależności od polaryzacji napięcia zewnętrznego rozróżniamy dwie sytuacje: 

-

 

polaryzacja w kierunku zaporowym, kiedy źródło zewnętrzne jest połączone biegunem dodatnim 
z warstwą n, a ujemnym z warstwą p, wówczas bariera potencjału zwiększa się o wartość napięcia 
zewnętrznego  i  wzrasta  szerokość  warstwy  zaporowej,  maleje  prawdopodobieństwo  przejścia 
nośników większościowych;  

-

 

polaryzacja  w  kierunku  przewodzenia,  kiedy  źródło  zewnętrzne  połączone  jest  biegunem 
dodatnim  z  warstwą  p,  a  ujemnym  z  warstwą  n,  wówczas  bariera  potencjału  maleje  o  wartość 
napięcia  zewnętrznego  i  maleje  szerokość  warstwy  zaporowej,  wzrasta  prawdopodobieństwo 
przejścia nośników większościowych.  
 

2.5. Przebicie złącza p-n. 

Jest  to  zjawisko  gwałtownego  wzrostu  prądu  przy  polaryzacji  złącza  w  kierunku  zaporowym 

napięciem  większym  niż  napięcie  przebicia.  Wyróżnia  się  dwie  przyczyny  tego  zjawiska:  przebicie 
Zenera oraz przebicie lawinowe. 

 
2.5.1. Przebicie Zenera. 
Przy  polaryzacji  złącza  w  kierunku  zaporowym,  wysokie  natężenie  pola  w  cienkiej  warstwie 

zaporowej  może  wyrwać  elektron  z  wiązania  kowalencyjnego  atomów  sieci  krystalicznej  (zjawisko 
Zenera).  Powstaje  para  nośników  elektron-dziura.  Akt  jonizacji  elektrostatycznej  jest  zjawiskiem 
przejścia  tunelowego  elektronu  z  pasma  walencyjnego  przez  barierę  potencjału  (pasmo  zabronione)  do 
pasma przewodnictwa (rys. 3) bez konieczności posiadania energii większej niż energia bariery. 

 

Rys.  3.  Model  pasmowy  warstw 
P i N silnie domieszkowanych: 

a)

 

przed połączeniem, 

b)

 

po połączeniu. 

 

5 

Prawdopodobieństwo  przejścia  tunelowego  jest  tym  większe  im  niższa  i  węższa  jest  bariera. 

Szerokość  bariery  (szerokość  warstwy  zaporowej)  maleje  w  miarę  wzrostu  koncentracji  domieszek  w 
złączu (przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowych, w których pole elektryczne osiąga 
wartość ponad 10

8

 [V/m]). Zjawisko Zenera charakteryzuje mała wartość napięcia przebicia, co dla złącza 

krzemowego oznacza U

pz

 < 5 [V]. Jeżeli złącze ulegnie przebiciu przy napięciu wyższym niż U

p

 > 7 [V], 

to gwałtowny wzrost prądu jest powodowany zjawiskiem lawinowej jonizacji zderzeniowej. 

 
2.5.2. Przebicie lawinowe. 
Wskutek  dostarczenia  energii  przez  swobodny  nośnik  ładunku,  rozpędzony  w  silnym  polu 

elektrycznym,  ulegają  rozerwaniu  wiązania  atomów  w  sieci  krystalicznej  (zjawisko  jonizacji 
zderzeniowej).  Powstają  pary  elektron-dziura,  które  poruszając  się  ruchem  przyspieszonym  w  polu 
elektrycznym mogą uzyskać energię kinetyczną, wystarczającą do kolejnej jonizacji zderzeniowej. W ten 
sposób  następuje  powielanie  liczby  nośników  w  obszarze  o  silnym  polu  elektrycznym  (warstwa 
zaporowa). Jeżeli szerokość warstwy zaporowej jest znacznie większa od drogi swobodnej nośnika (drogi 
pomiędzy  dwoma  zderzeniami),  to  następuje  lawinowe  powielanie  liczby  nośników.  Napięcie  przebicia 
lawinowego można oszacować na podstawie wzoru: 

4

3

22

2

3

10

1

,

1

60

−

























=

N

W

U

g

p

 

 

 

 

 

 

(1) 

U

p

 – napięcie przebicia [V], 

W

g

 – szerokość pasma zabronionego [eV], 

N – koncentracja domieszek w bazie złącza [m

-3

]. 

Zarówno przebicie Zenera jak i przebicie lawinowe nie powodują bezpośrednio uszkodzenia złącza. 

Jeżeli  w  obwodzie  zewnętrznym  jest  odpowiednie  ograniczenie  prądu,  to  złącze  dowolnie  długo  może 
pracować  w  zakresie  przebicia.  W  przeciwnym  przypadku  w  złączu  wydziela  się  zbyt  duża  moc  i 
nadmiernie wydzielane ciepło spowoduje zniszczenie złącza. 

 

2.6. Wpływ temperatury na charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n. 

Przyrządy  półprzewodnikowe  mogą  pracować  w  zakresie  temperatur,  w  którym  wszystkie  atomy 

domieszek  są  zjonizowane  a  generacja  par  elektron-dziura  (przeskok  elektronów  z  pasma  walencyjnego 
do  pasma  przewodnictwa)  jest  mało  prawdopodobna.  Pracę  złącza  można  rozpatrywać  dla  trzech 
zakresów charakterystyk prądowo-napięciowych: 

-

 

zakres zaporowy przed przebiciem, 

-

 

zakres przebicia, 

-

 

zakres przewodzenia. 
 

2.7. Praca złącza w zakresie zaporowym oraz w zakresie przebicia. 

W zakresie przebicia zmiany napięcia zależą liniowo od temperatury: 

( )

(

)

[

]

0

1

0

T

T

U

U

p

p

−

+

=

β

 

 

 

 

 

 

(2) 

U

p

(0) – napięcie przebicia w temperaturze T

0

 = 300 [K], 

β – temperaturowy współczynnik napięcia przebicia. 

Współczynnik  β  przyjmuje  wartości  ujemne,  gdy  przebicie  jest  wywołane  zjawiskiem  Zenera,  lub 

dodatnie, gdy jest wywołane zjawiskiem lawinowym. W przypadku przebicia Zenera wzrost temperatury 
powoduje  nieznaczne  zmniejszenie  szerokości  pasma  zabronionego,  zmniejsza  się  zatem  szerokość 
bariery dla nośników tunelowych z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (rys. 3), co powoduje 
wzrost  prądu  tunelowego  (zwiększenie  prądu  Zenera  przy  stałym  napięciu  polaryzacji,  a  więc 
zmniejszenie napięcia przebicia przy stałym prądzie) – rys. 4a. 

 

6 

W  przypadku  przebicia  lawinowego  wzrost  temperatury  powoduje  zwiększenie  amplitudy  drgań 

atomów  w  węzłach  sieci  krystalicznej,  wzrasta  prawdopodobieństwo  zderzenia  elektronu  lub  dziury  z 
drgającym  atomem,  skraca  się  ich  droga  swobodna,  przez  co  uzyskują  mniejszą  wartość  energii 
kinetycznej  w  chwili  zderzenia.  Maleje  zatem  prawdopodobieństwo  jonizacji  zderzeniowej,  co  oznacza 
osłabienie  powielania  lawinowego.  Zatem  przy  stałym  napięciu  maleje  prąd  lawinowy,  a  więc  przy 
stałym prądzie wzrasta wartość napięcia przebicia lawinowego – rys. 4b. 

 

 

Rys. 4. Charakterystyki prądowo-
napięciowe złącza p-n w zakresie 
zaporowym dla różnych temperatur: 

a)

 

przebicie Zenera, 

b)   przebicie lawinowe. 
 

 

2.8. Diody Zenera (stabilizatory). 

Są to diody warstwowe p-n przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach 

ograniczników,  jako  źródła  napięć  odniesienia  itp.  Obszar  pracy  tych  diod  znajduje  się  na  odcinku 
charakterystyki  prądowo-napięciowej  odpowiadającemu  gwałtownemu  wzrostowi  prądu  wstecznego 
wskutek  zjawiska  przebicia  Zenera  lub/i  przebicia  lawinowego.  Przebicie  Zenera  występuje  w  złączach 
silnie  domieszkowanych  przy  napięciach  do  5  [V].  Przebicie  lawinowe  występuje  w  złączach  słabo 
domieszkowanych  przy  napięciach  powyżej  7  [V].  Obydwa  zjawiska  występują  w  złączach  o  średniej 
koncentracji domieszek przy napięciach 5 – 7 [V]. 

Temperaturowy współczynnik napięcia (

β

) przy przebiciu Zenera ma znak ujemny a przy przebiciu 

lawinowym  ma  znak  dodatni.  Nazwa  dioda  Zenera  zwyczajowo  obejmuje  zarówno  diody  o  przebiciu 
Zenera jak i diody o przebiciu lawinowym. 

 

Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa 
stabilitronu. 

Wyróżniamy następujące parametry statyczne i dynamiczne (rys. 5) charakteryzujące stabilitrony: 

-

 

napięcie przewodzenia 

U

F

 przy określonym prądzie przewodzenia 

I

F

, 

-

 

prąd wsteczny 

I

R

 przy określonym napięciu wstecznym 

U

R

, 

-

 

napięcie stabilizacji 

U

Z

 (napięcie odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji), 

 

7 

-

 

temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji 

β

 definiowany jako stosunek względnej zmiany 

napięcia  stabilizacji  do  bezwzględnej  zmiany  temperatury  otoczenia  przy  określonym  prądzie 
stabilizacji 

const

Z

I

Z

Z

dT

dU

U

=

=

1

β

 

    

 

 

 

(3) 

-

 

rezystancja  dynamiczna 

r

Z

  przy  określonym  prądzie  stabilizacji,  wyznaczana  z  nachylenia 

charakterystyki statycznej I(U) 

Z

Z

Z

I

U

r

∆

∆

=

  

 

 

 

 

 

(4) 

Wyróżnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: 

-

 

maksymalny stały prąd przewodzenia 

I

Fmax

, 

-

 

maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji 

Z

Z

U

P

I

max

max

=

 

 

 

 

 

 

(5) 

-

 

maksymalna temperatura złącza 

T

j

 

wynosi zwykle 150 [

°

C]. 

Ze względu na moc rozpraszaną stabilizatory dzieli się na: 

-

 

małej mocy (P

max

 ≤ 1 [W]), 

-

 

ś

redniej mocy (1 [W] < P

max

 ≤ 10 [W]), 

-

 

dużej mocy (10 [W] < P

max

 ≤ 100 [W]), 

-

 

bardzo dużej mocy (P

max

 > 100 [W]). 

Temperaturowy  współczynnik  napięcia  stabilizacji  może  przyjmować  wartości  ujemne  (przebicie 

Zenera dla U

Z

 < 5 [V]), dodatnie (przebicie lawinowe dla U

Z

 > 7 [V]) lub bliskie zera dla diod o napięciu 

U

Z

 = 5 – 7 [V]. 

W zakresie małych wartości prądu I

Z

 przeważa mechanizm Zenera (

β

 < 0), w miarę wzrostu prądu 

I

Z

 coraz większy jest udział mechanizmu lawinowego (

β

 > 0) – rys.6. 

 

 

Rys. 6. Charakterystyki I(U) dwóch diod Zenera  
(A i B) przy dwu różnych temperaturach. 

 

 

 

 

 

 

8 

3.   Wykonanie pomiarów 

3.1. Schemat układu pomiarowego. 

 

Dz1,  Dz2,  Dz3  –  diody  Zenera  o 
różnych napięciach przebicia złącza, 
I1,  I2,  I3  –  źródła  prądowe  o 
wydajności 4 [mA] każde, 
Uz – zasilacz napięcia stałego, 
PP – przełącznik, 
V – woltomierz, 
UG – układ grzejny (pojemnik z olejem 
silikonowym ogrzewany grzałką), 
T    – obszar równomiernie nagrzewany.

 

3.2. Opis schematu układu pomiarowego. 

Diody  Zenera (Dz1, Dz2, Dz3) umieszczone są w naczyniu z 

olejem,  które  jest  ogrzewane  grzałką  (UG).  Olej  zapewnia 
równomierne  nagrzewanie  się  diod.  W  skład  układu  wchodzą  trzy 
niezależne  źródła  prądowe  (I1,  I2,  I3),  o  wydajności  prądowej  
4  [mA],  zasilające  diody.  Płynący  przez  diodę  prąd  ustala  punkt 
pracy  (P)  na  charakterystyce  prądowo-napięciowej  diody  Zenera 
(rys. obok). 

Za  pomocą  woltomierza  (V)  mierzone  są  napięcia  na 

poszczególnych  diodach.  Odczytu  dokonuje  się  po  wybraniu  danej  diody  za  pomocą  przełącznika  (PP). 
Układ grzejny zapewnia stopniowe i równomierne nagrzewanie się diod w trakcie pomiarów. 
 

3.3. Kolejność wykonywanych czynności. 
 

1)

 

Włączyć zasilanie układu (U) i woltomierza (V). 

2)

 

Włączyć układ grzejny (UG) i poczekać do momentu, gdy temperatura osiąganie 110 [˚C]. 

3)

 

Wyłączyć układ grzejny (UG) i włączyć chłodzenie odkręcając zawór wodny. 

4)

 

Odczytać temperaturę z termometru (T). Wybierając przełącznikiem (PP) kolejne diody wykonać 
pomiary  napięć  Zenera  dla  każdej  diody  woltomierzem  (V).  Powtarzać  pomiary  po  zmianie 
temperatury co 5 [K], do temperatury pokojowej. 

5)

 

Zapisywać pomiary temperatury i napięcia w tabeli: 

 

Lp. 

T

 [K] 

Uz1

 [V] 

Uz2

 [V] 

Uz3

 [V] 

1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 

… 
… 

 

 

 

 

 

 

 

9 

6)

 

Po zakończeniu pomiarów wyłączyć zasilanie układu (U) i woltomierza (V) oraz zakręcić zawór 
wody. 
 
 

4.   Opracowanie wyników 

1)

 

Na  podstawie  wyników  pomiarów  wykonać  wykresy  U  w  funkcji  T  i  w  oparciu  o  wzór  (3) 
obliczyć metodą najmniejszych kwadratów wartości: 

-

 

U

Z0

(T = 300 [K]), 

-

 

współczynnik temperaturowy β. 

2)

 

Oszacować błędy obliczonych wielkości. 

3)

 

Sporządzić wykresy U

Z

 = f(T) dla poszczególnych diod Zenera. 

4)

 

Sporządzić wykres β = f(U

Z

). 

5)

 

Dla  właściwej  diody  obliczyć  na  podstawie  wzoru  (1)  koncentrację  domieszek  w  złączu 
przyjmując napięcie przebicia U

P

 = U

Z0

. 

6)

 

Na  podstawie  wykresu  β  =  f(U

Z

)  napisać  wnioski  dotyczące  rodzaju  przebicia  złącza  oraz 

koncentracji domieszek w poszczególnych diodach. 

 

5.   Sprawozdanie powinno zawierać: 

 

1.

 

Tabelę wyników pomiarów.  

2.

 

Wykresy U w f(T) oraz uzyskane wartości współczynnika β.  

3.

 

Wykres β = f(U

Z

).  

4.

 

Koncentrację domieszek w badanych złączach.  

5.

 

Na  podstawie  wykresu  β  =  f(U

Z

)  napisać  wnioski  dotyczące  rodzaju  przebicia  złącza  oraz 

koncentracji domieszek w poszczególnych diodach.  

6.

 

Dyskusja wyników eksperymentalnych z uwzględnieniem błędów.  

 
 
Literatura:  
Uzupełnienie A