Diody pó³przewodnikowe

Diody pó³przewodnikowe

1. Wstêp teoretyczny

Pó³przewodnik jest to materia³ który przewodzi pr¹d lepiej od dielektryka, ale gorzej od przewodnika. Jest on materia³em, w którym szerokoœæ pasma zabronionego E_a (przerwy energetycznej) w modelu energetycznym pasmowym wynosi oko³o 1 elektronowolta (eV). podczas gdy w dielektryku E_G ~ 5 eV, natomiast w przewodniku 1 eV >>E_G >>0. W elektronice duse znaczenie maj¹ pó³przewodniki w postaci monokrystalicznej. Wystêpuj¹ce w naturze kryszta³y maj¹ zwykle budowê polikrystaliczn¹, co oznacza, se kryszta³y s¹ rósnie zorientowane w przestrzeni. Budowa atomowa monokryszta³u germanu (Ge) lub krzemu (Si) jest regularn¹ sieci¹ przestrzenn¹ centrowan¹ na œcianach. Kasdy atom w takiej sieci s¹siaduje z czterema innymi, oddalonymi od niego o tê sam¹ odleg³oœæ a. Odleg³oœci miêdzyatomowe w pó³przewodnikach s¹ mniejsze od 1 nm: w germanie a = 0,57 nm i krzemie a = 0,54 nm. W obydwóch tych pierwiastkach zewnêtrzna pow³oka elektronowa atomu (pow³oka walencyjna) zawiera 4 elektrony, ale 8 miejsc do zape³nienia. Kasdy atom Ge lub Si ma ze­wnêtrzn¹ powlokê obsadzon¹ przez 4 w³asne elektrony i 4 elektrony z atomów s¹­siednich, co pozwala na zape³nienie wszystkich 8 miejsc w pow³oce walencyjnej. Materia³ o takiej strukturze ma trwa³e w³aœciwoœci. W materiale pó³przewodnikowym umieszczonym w temperaturze zera bezwzglêdnego wszystkie elektrony walencyjne pozosta³yby w pow³oce walencyjnej (w modelu pa­smowym energia tych elektronów by³aby w paœmie walencyjnym), a saden elektron walencyjny nie zerwa³by wi¹zañ w sieci atomowej (wi¹zañ kowalencyjnych) i nie sta³by siê elektronem przewodnictwa (o energii w paœmie przewodnictwa). Doprowadzenie energii do materia³u pobudza atomy do drgañ i elektrony otrzymuj¹ energiê umosliwiaj¹c¹ niektórym z nich zerwanie wi¹zañ kowalencyj­nych, opuszczenie pasma walencyjnego i przejœcie do pasma przewodnictwa. Elek­trony w paœmie przewodnictwa to elektrony swobodne. Przyk³adowo, umieszczenie monokryszta³u krzemu w temperaturze pokojowej T powoduje doprowadzenie ener­gii cieplnej k_BT (k_B - stal¹ Boltzmanna) i sprawia, se z liczby 5 x 10²² atomów w 1 cm³ Si oko³o 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 siê zatem w paœmie przewodnictwa zamiast w paœmie walencyjnym. Ów brak elektronu w okreœlonym miejscu sieci krystalicznej nazywa siê dziur¹. Atom, z którego elektron przeszed³ do pasma przewodnich a, stal siê na³adowanym dodatnio jonem. W czystym krysztale liczba elektronów w paœmie przewodnictwa jest równa liczbie dziur w paœmie walencyjnym. Pr¹d elektryczny w pó³przewodniku jest zwi¹zany z przemieszczaniem siê elektronów w paœmie przewodnictwa, ale takse z ruchem dziur w paœmie walen­cyjnym. Ten ostatni proces polega na wype³nieniu dziury w sieci atomowej przez elektron z s¹siedniego atomu, w wyniku czego powstaje nowa dziura. Pod wp³ywem dzia³ania pola elektrycznego proces przemieszczania siê dziur jest ukierunkowany oraz bardziej intensywny nis bez pola elektrycznego. Mówimy o pr¹dzie elektrono­wym i pr¹dzie dziurowym, chocias w istocie w obydwóch przypadkach ma miejsce ruch elektronów odpowiednio w paœmie przewodnictwa i paœmie walencyjnym.

German i krzem w postaci krystalicznej s¹ pó³przewodnikami samoistnymi, to zna­czy s¹ pó³przewodnikami bez dodatkowej obróbki materia³u, na przyk³ad domiesz­kowania.  W wyniku domieszkowania, nawet bardzo ma³ego procentowo, w³aœciwo­œci elektryczne pó³przewodnika monokrystalicznego zmieniaj¹ siê radykalnie.

Pó³przewodnik typu n uzyskuje siê przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkiem o 5 elektronach w pow³oce walencyjnej (o wartoœciowoœci chemicznej 5), na przyk³ad arsenem (As), fosforem (P) lub antymonem (Sb). Domieszki w po­staci pierwiastków 5-wartoœciowych nazywa siê donorami. W wyniku domieszko­wania krzemu do pó³przewodnika samoistnego dostarcza siê oko³o 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 wi¹s¹ siê wi¹zaniami kowalencyjnymi z s¹siednimi ato­mami. Pi¹ty elektron atomu donoru jest zwi¹zany z atomem znacznie s³abiej nis pozosta³e cztery, a do jego przejœcia z pasma walencyjnego do pasma przewodnic­twa wystarczy dostarczyæ elektronowi (materia³owi) energiê równ¹ 0,01 eV. Energia cieplna dostarczana do materia³u wskutek umieszczenia go w temperaturze pokojo­wej k_BT ~ 0,026 eV i wystarcza do przemieszczenia elektronu do pasma przewod­nictwa. W pó³przewodniku typu n przewodnictwo pr¹du elektrycznego mosliwe jest dziêki elektronom swobodnym pochodz¹cym z atomów donorowych (1 elektron na 10⁷ atomów Si) oraz elektronom swobodnym i dziurom z atomów Si pochodz¹cym z rozerwania wi¹zañ kowalencyjnych (1 elektron i 1 dziura na 3 x 10¹² atomy Si, w T = 300 K), przy czym liczba elektronów swobodnych pochodz¹cych z do­mieszki jest 3 x 10^s wiêksza od liczby elektronów i dziur atomów Si. W pó³prze­wodniku typu n elektrony s¹ wiêkszoœciowymi noœnikami ³adunku elektrycznego, a dziury s¹ noœnikami mniejszoœciowymi.

Pó³przewodnik typu p uzyskuje siê przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkiem 3-wartoœciowym, o 3 elektronach w pow³oce walencyjnej, na przy­k³ad galem (Ga) lub indem (In). Domieszki w postaci pierwiastków 3-wartoœciowych nazywa siê akceptorami. Atomy akceptora zajmuj¹ miejsce w sieci krystalicznej pierwiastka (na przyk³ad krzemu). Kasdy atom akceptora jest zwi¹za­ny z trzema s¹siednimi atomami krzemu przez wszystkie swoje 3 elektrony walencyjne. Natomiast wi¹zanie z czwartym s¹siednim atomem jest niepe³ne, poniewas odbywa siê tylko przez elektron walencyjny atomu Si, bez udzia³u elektronu akcep­tora. W paœmie walencyjnym materia³u powstaj¹ dziury, identyczne jak dziury po­wsta³e wskutek rozerwania wi¹zañ kowalencyjnych. Wskutek wprowadzenia do krzemu akceptorów o koncentracji l0¹⁵ na cm³ powstaj¹ dziury w liczbie 1 dziura na 10⁷ atomów Si i dziury s¹ wiêkszoœciowymi noœnikami ³adunku elektrycznego w pó³przewodniku typu p. Noœnikami mniejszoœciowymi w pó³przewodniku typu p s¹ elektrony (w proporcji 1 elektron na 3 x 10¹² atomy Si w T = 300 K) uwolnione z wi¹zañ kowalencyjnych.

2. Schemat stanowiska pomiarowego

3. Wyniki pomiarów

Wykresy obrazuj¹ce zmiany napiêcia w zalesnoœci od pr¹du p³yn¹cego przez diodê:

4. Wnioski

Celem æwiczenia by³o zapoznanie siê z charakterystykami pr¹dowo napiêciowymi diod: prostowniczych, Zenera i LED (nie dokonaliœmy pomiarów diody Schottky’ego z braku czasu). Uk³ad pomiarowy zapewnia³ jednoczesny odczyt napiêcia i pr¹du p³yn¹cego przez diodê. Jeseli przyjrzeæ siê otrzymanym wynikom, mosna stwierdziæ, se zgadzaj¹ siê one z dostêpnymi ogólnie charakterystykami statycznymi tych diod tzn. po przekroczeniu pewnej wartoœci napiêcia (ok. 0,7 V dla diody prostowniczej i ok. 2 V dla diody LED) jus niewielkie jego zmiany powoduj¹ znaczne skoki pr¹du p³yn¹cego w uk³adzie (chocias my podczas pomiarów regulowaliœmy natêsenie, a mierzyliœmy napiêcie pr¹du p³yn¹cego w obwodzie). Inaczej jest tylko w przypadku diody Zenera, która, spolaryzowana zaporowo, potrzebuje wysszego napiêcia aby przekroczyæ barierê potencja³u. Wynosi ono ok. 5 V.