Diody półprzewodnikowe

Diody półprzewodnikowe

1. Wstęp teoretyczny

Półprzewodnik jest to materiał który przewodzi prąd lepiej od dielektryka, ale gorzej od przewodnika. Jest on materiałem, w którym szerokość pasma zabronionego E_a (przerwy energetycznej) w modelu energetycznym pasmowym wynosi około 1 elektronowolta (eV). podczas gdy w dielektryku E_G ~ 5 eV, natomiast w przewodniku 1 eV >>E_G >>0. W elektronice duse znaczenie mają półprzewodniki w postaci monokrystalicznej. Występujące w naturze kryształy mają zwykle budowę polikrystaliczną, co oznacza, se kryształy są rósnie zorientowane w przestrzeni. Budowa atomowa monokryształu germanu (Ge) lub krzemu (Si) jest regularną siecią przestrzenną centrowaną na ścianach. Kasdy atom w takiej sieci sąsiaduje z czterema innymi, oddalonymi od niego o tę samą odległość a. Odległości międzyatomowe w półprzewodnikach są mniejsze od 1 nm: w germanie a = 0,57 nm i krzemie a = 0,54 nm. W obydwóch tych pierwiastkach zewnętrzna powłoka elektronowa atomu (powłoka walencyjna) zawiera 4 elektrony, ale 8 miejsc do zapełnienia. Kasdy atom Ge lub Si ma ze­wnętrzną powlokę obsadzoną przez 4 własne elektrony i 4 elektrony z atomów są­siednich, co pozwala na zapełnienie wszystkich 8 miejsc w powłoce walencyjnej. Materiał o takiej strukturze ma trwałe właściwości. W materiale półprzewodnikowym umieszczonym w temperaturze zera bezwzględnego wszystkie elektrony walencyjne pozostałyby w powłoce walencyjnej (w modelu pa­smowym energia tych elektronów byłaby w paśmie walencyjnym), a saden elektron walencyjny nie zerwałby wiązań w sieci atomowej (wiązań kowalencyjnych) i nie stałby się elektronem przewodnictwa (o energii w paśmie przewodnictwa). Doprowadzenie energii do materiału pobudza atomy do drgań i elektrony otrzymują energię umosliwiającą niektórym z nich zerwanie wiązań kowalencyj­nych, opuszczenie pasma walencyjnego i przejście do pasma przewodnictwa. Elek­trony w paśmie przewodnictwa to elektrony swobodne. Przykładowo, umieszczenie monokryształu krzemu w temperaturze pokojowej T powoduje doprowadzenie ener­gii cieplnej k_BT (k_B - stalą Boltzmanna) i sprawia, se z liczby 5 x 10²² atomów w 1 cm³ Si około 1,5 x 10¹⁰elektronów przechodzi z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (1 elektron na 3 x 10¹² atomów). W temperaturze pokojowej pewna liczba elektronów znajduje się zatem w paśmie przewodnictwa zamiast w paśmie walencyjnym. Ów brak elektronu w określonym miejscu sieci krystalicznej nazywa się dziurą. Atom, z którego elektron przeszedł do pasma przewodnich a, stal się naładowanym dodatnio jonem. W czystym krysztale liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest równa liczbie dziur w paśmie walencyjnym. Prąd elektryczny w półprzewodniku jest związany z przemieszczaniem się elektronów w paśmie przewodnictwa, ale takse z ruchem dziur w paśmie walen­cyjnym. Ten ostatni proces polega na wypełnieniu dziury w sieci atomowej przez elektron z sąsiedniego atomu, w wyniku czego powstaje nowa dziura. Pod wpływem działania pola elektrycznego proces przemieszczania się dziur jest ukierunkowany oraz bardziej intensywny nis bez pola elektrycznego. Mówimy o prądzie elektrono­wym i prądzie dziurowym, chocias w istocie w obydwóch przypadkach ma miejsce ruch elektronów odpowiednio w paśmie przewodnictwa i paśmie walencyjnym.

German i krzem w postaci krystalicznej są półprzewodnikami samoistnymi, to zna­czy są półprzewodnikami bez dodatkowej obróbki materiału, na przykład domiesz­kowania.  W wyniku domieszkowania, nawet bardzo małego procentowo, właściwo­ści elektryczne półprzewodnika monokrystalicznego zmieniają się radykalnie.

Półprzewodnik typu n uzyskuje się przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkiem o 5 elektronach w powłoce walencyjnej (o wartościowości chemicznej 5), na przykład arsenem (As), fosforem (P) lub antymonem (Sb). Domieszki w po­staci pierwiastków 5-wartościowych nazywa się donorami. W wyniku domieszko­wania krzemu do półprzewodnika samoistnego dostarcza się około 10¹⁵ atomów donoru na 1 cm³, co daje 1 atom donoru na 10⁷ atomów krzemu. Domieszkowanie sprawia, se kasdy atom domieszki zajmuje miejsce w sieci krystalicznej, a 4 z jego 5 elektronów walencyjnych wiąsą się wiązaniami kowalencyjnymi z sąsiednimi ato­mami. Piąty elektron atomu donoru jest związany z atomem znacznie słabiej nis pozostałe cztery, a do jego przejścia z pasma walencyjnego do pasma przewodnic­twa wystarczy dostarczyć elektronowi (materiałowi) energię równą 0,01 eV. Energia cieplna dostarczana do materiału wskutek umieszczenia go w temperaturze pokojo­wej k_BT ~ 0,026 eV i wystarcza do przemieszczenia elektronu do pasma przewod­nictwa. W półprzewodniku typu n przewodnictwo prądu elektrycznego mosliwe jest dzięki elektronom swobodnym pochodzącym z atomów donorowych (1 elektron na 10⁷ atomów Si) oraz elektronom swobodnym i dziurom z atomów Si pochodzącym z rozerwania wiązań kowalencyjnych (1 elektron i 1 dziura na 3 x 10¹² atomy Si, w T = 300 K), przy czym liczba elektronów swobodnych pochodzących z do­mieszki jest 3 x 10^s większa od liczby elektronów i dziur atomów Si. W półprze­wodniku typu n elektrony są większościowymi nośnikami ładunku elektrycznego, a dziury są nośnikami mniejszościowymi.

Półprzewodnik typu p uzyskuje się przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkiem 3-wartościowym, o 3 elektronach w powłoce walencyjnej, na przy­kład galem (Ga) lub indem (In). Domieszki w postaci pierwiastków 3-wartościowych nazywa się akceptorami. Atomy akceptora zajmują miejsce w sieci krystalicznej pierwiastka (na przykład krzemu). Kasdy atom akceptora jest związa­ny z trzema sąsiednimi atomami krzemu przez wszystkie swoje 3 elektrony walencyjne. Natomiast wiązanie z czwartym sąsiednim atomem jest niepełne, poniewas odbywa się tylko przez elektron walencyjny atomu Si, bez udziału elektronu akcep­tora. W paśmie walencyjnym materiału powstają dziury, identyczne jak dziury po­wstałe wskutek rozerwania wiązań kowalencyjnych. Wskutek wprowadzenia do krzemu akceptorów o koncentracji l0¹⁵ na cm³ powstają dziury w liczbie 1 dziura na 10⁷ atomów Si i dziury są większościowymi nośnikami ładunku elektrycznego w półprzewodniku typu p. Nośnikami mniejszościowymi w półprzewodniku typu p są elektrony (w proporcji 1 elektron na 3 x 10¹² atomy Si w T = 300 K) uwolnione z wiązań kowalencyjnych.

2. Schemat stanowiska pomiarowego

3. Wyniki pomiarów

Wykresy obrazujące zmiany napięcia w zalesności od prądu płynącego przez diodę:

4. Wnioski

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z charakterystykami prądowo napięciowymi diod: prostowniczych, Zenera i LED (nie dokonaliśmy pomiarów diody Schottky’ego z braku czasu). Układ pomiarowy zapewniał jednoczesny odczyt napięcia i prądu płynącego przez diodę. Jeseli przyjrzeć się otrzymanym wynikom, mosna stwierdzić, se zgadzają się one z dostępnymi ogólnie charakterystykami statycznymi tych diod tzn. po przekroczeniu pewnej wartości napięcia (ok. 0,7 V dla diody prostowniczej i ok. 2 V dla diody LED) jus niewielkie jego zmiany powodują znaczne skoki prądu płynącego w układzie (chocias my podczas pomiarów regulowaliśmy natęsenie, a mierzyliśmy napięcie prądu płynącego w obwodzie). Inaczej jest tylko w przypadku diody Zenera, która, spolaryzowana zaporowo, potrzebuje wysszego napięcia aby przekroczyć barierę potencjału. Wynosi ono ok. 5 V.