Instrukcja do ćwiczenia: Badanie diod półprzewodnikowych i LED (wersja robocza)

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia: Badanie diod półprzewodnikowych i LED (wersja robocza) Laboratorium Elektroenergetyki 1

2 1. Cel i program ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest: zapoznanie się z budową diody półprzewodnikowej (złącza p-n), zapoznanie się z przebiegiem charakterystyk prądowo-napięciowych diod różnych typów, zapoznanie się z metodami aproksymacji charakterystyk, poznanie parametrów diod. 2. Wiadomości podstawowe. Budowy diody i zasada jej działania oparta jest na wykorzystaniu właściwości złączą półprzewodnikowego p-n. Ciała fizyczne pod względem ich właściwości przewodzenia prądu elektrycznego można podzielić na: przewodniki, półprzewodniki i izolatory. Materiały te charakteryzują się rożną rezystywnością tzn. różną zdolnością tworzenia ładunków swobodnych wewnątrz struktury krystalicznej. Rezystywność charakteryzuje zdolność substancji do przewodzenia prądu elektrycznego. Jednostką rezystywności ƍ jest Ω m. Ze względu na wartość rezystywności wszystkie substancje dzielą się na: przewodniki ƍ< 10-6 Ω m, półprzewodniki 10-6 Ω m < ƍ < 10 8 Ω m, izolatory ƍ> 10 8 Ω m. Przewodniki są ciałami w których istnieją tzw. ładunki swobodne mogące poruszać się wewnątrz tych ciał. Typowymi reprezentantami przewodników są metale pierwiastki, których atomy posiadają jeden lub dwa elektrony na zewnętrznych powłokach elektronowych zwanych powłokami walencyjnymi. Elektrony walencyjne uwalniają się od swoich atomów przy łączeniu się takich atomów w większe zespoły (tworząc strukturę sieci krystalicznej) i nie zajmują określonych miejsc w sieci krystalicznej i mogą poruszać się swobodnie między zjonizowanymi atomami metalu. Stąd ich nazwa elektrony swobodne lub elektrony przewodnictwa. Półprzewodniki -typowymi przedstawicielami półprzewodników krzem Si i german Ge. Pierwiastki te należą do IV grupy układu okresowego mają po cztery elektrony walencyjne i każdy z tych elektronów tworzy wiązanie z jednym z czterech najbliższych sąsiednich atomów. W niskich temperaturach elektrony walencyjne w półprzewodnikach nie są elektronami swobodnymi i nie mogą przemieszczać się w krysztale półprzewodnik jest wówczas izolatorem. Oderwanie elektronu walencyjnego od atomu jest możliwe, ale wymaga dostarczenia odpowiedniej ilości energii, nie mniejszej od pewnej minimalnej wartości zwanej energią aktywacji (energią jonizacji). Uwolniony elektron może brać udział w przewodzeniu prądu. Energią aktywacji może energia cieplna (ogrzanie kryształu),energia świetlna (kwant promieniowania) itp. Wartość energii jonizacji wyrażana jest w elektronowoltach 1eV=1, J. W przewodzeniu prądu w półprzewodniku uczestniczą tylko elektrony swobodne. W wyniku oderwania się elektronu od atomu powstaje w orbicie walencyjnej wolne miejsce tzw. dziura która łatwo może być zapełniona przez elektron z sąsiedniego wiązania. W efekcie dziury przemieszczają się w stronę przeciwną do ruchu elektronów, zachowują się jak swobodne ładunki dodatnie. 2

3 Niedomieszkowane (samoistne) półprzewodniki Występuje w nich taka sama koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym. Liczba atomów N w półprzewodniku jest rzędu pojedyncze poziomy energetyczne w paśmie są bardzo bliskie. Rys. 1. Przykład generowania pary ładunków elektrycznych elektronu swobodnego i dziury w strukturze półprzewodnika samoistnego. W miejscu, w którym był elektron powstaje niedomiar ujemnego ładunku elektrycznego i wypadkowy ładunek jest lokalnie tam dodatni. Miejsce, w którym w wiązaniu brakuje elektronu nazywa się dziurą. Dziura ma wypadkowy ładunek dodatni +e i może swobodnie wędrować, ponieważ może ją wypełniać elektron z sąsiedniego wiązania. W półprzewodniku samoistnym koncentracje elektronów i dziur są równe i zależą silnie od temperatury. Dla dostatecznie dużych temperatur zachodzi związek; p, n = AT 3 e E g kt (1) gdzie: p,n koncentracja elektronów lub dziur odpowiednio A współczynnik charakterystyczny dla danego półprzewodnika Eg szerokość przerwy energetycznej pomiędzy pasmem walencyjnym i pasmem przewodzenia półprzewodnika k stała Boltzmanna T temperatura w skali Kelvina. Przykładowo, w temperaturze pokojowej koncentracja dziur i elektronów w czystym krzemie wynosi około n=p=10 10 /cm 3. Ponieważ w jednym cm 3 znajduje się około atomów krzemu, to jedna para dziura-elektron przypada w temperaturze pokojowej na około atomów. Tymczasem w metalach z każdego atomu uwalnia się przynajmniej jeden 3

4 elektron. Jasna jest zatem przyczyna, dlaczego półprzewodniki znacznie gorzej przewodzą prąd elektryczny niż metale. Półprzewodniki niesamoistne Jeżeli wprowadzimy do czterowartościowego półprzewodnika niewielką ilość pierwiastka pięciowartościowego (jak fosfor, antymon), zwiększamy w ten sposób liczbę elektronów swobodnych. W takiej strukturze cztery elektrony pierwiastka domieszki uczestniczą w wiązaniach kowalentnych piąty elektron jest słabo związany z atomem domieszki. Przy udziale niewielkiej energii elektron ten przechodzi do pasma przewodnictwa stając się elektronem swobodnym. Półprzewodnik w którym poprzez domieszkowanie pierwiastka pięciowartościowego powstają warunki do generacji swobodnych elektronów jest półprzewodnikiem typu n. Zjonizowane atomy domieszkowe dostarczające jeden elektron nazywane są donorami. Obecność w strukturze sieci krystalicznej atomów trójwartościowych (jak bor, aluminium) powoduje zwiększenie liczby dziur. Atomy takie mają trzy elektrony walencyjne które utworzą wiązania tylko z trzema atomami półprzewodnika. Czwarte wiązanie pozostaje niepełne tworząc dziurę która może być łatwo zapełniona przez elektron z sąsiedniego atomu Si lub Ge. Taki półprzewodnik jest półprzewodnikiem typu p, a atomy domieszkowe zwiększające liczbę dziur nazywamy akceptorami. a) b) Rys.2 Przykład domieszkowania kryształu krzemu pierwiastkiem trójwartościowym atomami galu Ga (a), oraz atomami pierwiastka pięciowartościowego arsenu As (b). Na rysunku odpowiednio; 1) atomy półprzewodnika bazowego krzemu Si, 2) atomy domieszki Ga, As, 3) powstałe w wyniku domieszkowania ładunki elektryczne większościowe dziury ładunki dodani 3a ładunki ujemne elektrony 3b. Nawet niewielka domieszka radykalnie zmienia własności elektryczne półprzewodnika. Do krzemu możemy dodać pierwiastki z grupy V (np. arsen As, antymon Sb, fosfor P) lub pierwiastki z grupy III (gal Ga, bor B, glin Al). Atomy pierwiastków z grupy V posiadają pięć elektronów na powłoce walencyjnej. W krysztale kowalencyjnym cztery elektrony zostaną wykorzystane w wiązaniach kowalencyjnych, a piąty elektron pozostanie swobodny. Atomy takiej domieszki nazywamy donorami, a półprzewodnik domieszkowany donorami nazywa się półprzewodnikiem typu n. Półprzewodnik typu n posiada znacznie więcej swobodnych elektronów niż dziur. Atomy pierwiastków grupy III posiadają trzy elektrony na powłoce walencyjnej. A zatem w jednym wiązaniu kowalencyjnym przy atomie domieszki zabraknie elektronu i powstanie dziura. Atomy takiej domieszki nazywamy akceptorami, a półprzewodnik domieszkowany akceptorami nazywa się półprzewodnikiem typu p. Nośnikami większościowymi są w nim dziury a nośnikami mniejszościowymi elektrony, Przykładowo, jeżeli do krzemu wprowadzimy domieszkę donorową w stosunku 1 : , to liczba 4

5 elektronów swobodnych będzie większa około milion razy niż dziur w czystym krzemie. Elektrony zatem są nośnikami większościowymi a dziury mniejszościowymi. Ponieważ w temperaturze pokojowej iloczyn n,p jest rzędu =10 20 i niewiele zależy od domieszki, to w przybliżeniu koncentracje elektronów swobodnych i dziur będą wynosiły: n /cm 3, p 10 7 /cm 3 bo część nadmiarowych elektronów ulega rekombinacji z dziurami. W takim półprzewodniku prąd przewodzą głównie elektrony. Ze wzrostem temperatury powstaje coraz więcej par dziura-elektron i dysproporcja między nośnikami większościowymi i nośnikami mniejszościowymi w półprzewodniku domieszkowanym maleje. 3. Złącze p-n i dioda prostownicza Stykając dwa różnie domieszkowane półprzewodniki p i n otrzymujemy złącze p-n. Jest to warstwa przejściowa istniejąca w obszarze stykania się półprzewodników typu n i typu p. Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n. W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi są elektrony (ujemne). Atomy domieszek (donory) pozostają unieruchomione w siatce krystalicznej. Analogicznie w obszarze typu p (positive) nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim. Atomy domieszek są tu akceptorami. W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych. W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów p i n swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu p, natomiast dziury do obszaru typu n (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. W efekcie na styku złącza p-n tworzy się warstwa dipolowa ładunków. Rys. 3 Warstwa zaporowa (bariera potencjałów) na styku pólprzewodników p i n. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwóch swobodnych nośników. Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, w wyniku czego w pobliżu kontaktu pozostają jedynie odsłonięte jony domieszek: ujemnych akceptorów i dodatnich donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu 5

6 złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, nazywana też warstwą zubożoną (tj. praktycznie nieposiadającą swobodnych nośników) lub warstwą zaporową. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p, natomiast ładunek ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje. Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu ułamka mikroampera (10-6 A), a nawet pikoamperów (10-12 A). Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0,8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2-0,3 V. Stan powstający w warstwie przejściowej złącza p-n odpowiada istnieniu dużej rezystywności materiału, uniemożliwiającej przepływ prądu w półprzewodniku. Warstw tę nazywa się dlatego warstwą zaporową. Rys. 4 Wpływ napięcia polaryzacji U p na wysokośc bariery potencjałów U B i szerokość warstwy zaporowej; a)-złącze w p-n w stanie równowagi, b)-złącze p-n spolaryzowane w kierunku przepustowym, c)złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym. Bieguny źródła napięcia mogą być przyłączone do półprzewodników (diody) w dwojaki sposób: 1 do półprzewodnika typu p biegun dodatni, a do półprzewodnika n biegun ujemny źródła, to elektrony w półprzewodniku typu n będą odpychane w kierunku złącza p-n przez biegun ujemny zewnętrznej siły elektromotorycznej. Analogiczne siły będą oddziaływały na dziury (ładunek elektryczny dodatni) w półprzewodniku typu p. Obydwa rodzaje nośników, koncentrując się w obszarze warstwy granicznej zmniejszają jej obszar oraz zmniejszają barierę potencjałów. Maleje rezystancja złącza p-n ponieważ do warstwy zaporowej zewnętrzne pole elektryczne wtłacza swobodne ładunki elektryczne i dzięki temu jest możliwy przepływ prądu. 2 do półprzewodnika typu p przykładamy biegun ujemny a półprzewodnika n biegu dodatni źródła, wówczas elektrony i dziury będą oddalały się od złącza, powodując rozszerzenie się warstwy zaporowej. Ubożeje ona w nośniki prądu tak bardzo że rezystancja złącza osiąga bardzo dużą wartość. Praktycznie tworzy ona izolację między obu typami półprzewodników, uniemożliwiając przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym. W tym przypadku kierunek polaryzacji złącza w którym prąd nie może płynąć nazywa się kierunkiem zaporowym. 6

7 Jak łatwo zauważyć złączę p-n ma właściwości przewodzenia w jednym kierunku, cechę tą wykorzystano w półprzewodnikowych diodach prostowniczych do prostowania prądu przemiennego. Diodę prostowniczą oznacza się na schematach symbolem (piktogramem) gdzie ostrze wskazuje kierunek przewodzenia. Natężenie i prądu płynącego przez diodę zależy od napięcia U przyłożonego do jej zacisków. Katoda diody jest kreska pionowa do kierunku przewodzenia prądu, drugi zaś zacisk nazwano anodą. Rys. 5 Charakterystyka prądowo-napięciowa I=f(U) diody półprzewodnikowej. a)-charakterystyka rzeczywista, b)-w rozważaniach przybliżonych charakterystykę tą aproksymuje się dwoma prostymi. Na charakterystyce i=f(u) można wyróżnić dwa obszary w pierwszej ćwiartce układu współrzędnych zależność ta obrazuje zmiany prądu od napięcia polaryzacji diody w kierunku przewodzenia. Jak widać na rysunku przy wzrostach napięcia od zera wartość prądu praktycznie jest równa zeru. Związane jest to z obecnością bariery potencjałów. W pewnym momencie można zauważyć wzrost prądu co obrazuje się na rysunku zagięciem w pobliżu napięcia UF związane jest to z równością napięcia polaryzacji i bariery potencjałów. Dalszy wzrost napięcia powoduje gwałtowny wzrost prądu płynącego przez diodę gdyż napięcie polaryzacji przewyższa napięcie bariery. Prąd płynący przez diodę musi być ograniczony za pomocą rezystora. Przy polaryzacji wstecznej (zaporowej) napięcie źródła powoduje poszerzenie warstwy zaporowej a co za tym idzie i wzrost rezystancji złącza. Przy tej polaryzacji przez diodę praktycznie prąd nie płynie co pokazano narys.5 w trzeciej ćwiartce charakterystyki i=f(u). Zwiększając napięcie polaryzacji zaporowej powyżej napięcia przebicia U(BR) zaczyna się zjawisko przebicia lawinowego, a więc szybkie narastanie prądu przy prawie stałym napięciu 7

8 na diodzie. Może to spowodować zniszczenie diody, jeżeli nie ograniczy się prądu przez włączenie szeregowo dodatkowej rezystancji. Przebicie oznacza zniszczenie lub trwałe uszkodzenie złącza pod wpływem gwałtownego wzrostu prądu, przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. Napięcie, przy którym zachodzi przebicie złącza, nazywamy napięciem przebicia. Przebicie to może nastąpić w wyniku zjawiska Zenera lub powielania lawinowego. Zjawisko Zenera występuje w złączach o wąskiej warstwie zaporowej lub silnie domieszkowanych. W zjawisku Zenera wykorzystywany jest efekt tunelowy przewodnictwa w półprzewodniku. W wyniku tego zjawiska gwałtownie wzrasta prąd wsteczny złącza. Występuje ono w złączach krzemowych przy napięciach mniejszych niż 5V Do grupy dopuszczalnych parametrów granicznych należą: IF prąd przewodzenia, IR prąd diody w kierunku wstecznym (prąd zaporowy), IFM - maksymalny prąd przewodzenia, IFSM - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia, UF - napięcie przewodzenia, UR - napięcie wsteczne, URmax - maksymalne napięcie wsteczne, URRM - powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne, URSM - niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne, tamb - temperatura otoczenia, dla diod germanowych --dla diod krzemowych T j T j W kierunku przewodzenia oporność diody jest mała i małe jest też na niej napięcie. Dla diod krzemowych waha się ono praktycznie w przedziale 0,6 0,7V, a dla diod germanowych napięcie to wynosi około 0,3V. W kierunku zaporowym oporność diody jest duża, a prąd płynący przez diodę jest znikomy i niewiele się różni od prądu nasycenia Is. Podkreślmy, że dioda jest elementem nieliniowym i jej charakterystyka prądowo-napięciowa zdecydowanie odbiega od prawa Ohma. 4. Dioda Zenera Do szczególnej kategorii diod należą diody Zenera. Diody Zenera są krzemowymi diodami warstwowymi o ściśle określonych napięciach przebicia. Mogą one pracować w sposób ciągły w stanie przebicia przy ograniczeniu prądu za pomocą szeregowo włączonych oporników W stanie przebicia spadek napięcia na diodzie przy zmianie prądu w szerokich granicach pozostaje stały. Wartość napięcia przebicia zależy rezystywności użytego krzemu. Przebieg charakterystyki napięciowo-prądowej diody Zenera i jej symbol przedstawiono na rys. 6. Moc diody Zenera którą podaje się obok jej symbolu dotyczy stanu przebicia. Jest to mianowicie iloczyn prądu znamionowego i napięcia Zenera. Wartość napięcia, przy którym następuje gwałtowny wzrost prądu, jest stała i nie zależy od zmian prądu w szerokich granicach. Zjawisko gwałtownego wzrostu prądu tłumaczy się przebiciem Zenera, czyli efektem emisji elektronów w złączu pod wpływem pola wewnętrznego. W cienkim złączu natężenie pola może uzyskiwać duże wartości przy małych napięciach UR nawet rzędu 3V, prowadząc do rozrywania wiązań kowalencyjnych. W rezultacie możliwy jest duży wzrost prądu przy pomijalnym wzroście napięcia na złączu. Napięcie to jest zwane napięciem Zenera i zależy od C C 8

9 temperatury, co charakteryzuje tzw. współczynnik temperaturowy napięcia Zenera, wynoszący 0,07 0,09% UR na kelwin. Maksymalny prąd diody określa zależność; I RM = P R M (2) Diody Zenera produkuje się na napięcia od 1-600V, przy dopuszczalnej mocy złącza 250mW i 1W bez radiatora oraz 5W z radiatorem. Parametry charakteryzujące diody Zenera, zwykle podawane w katalogach są następujące: IZ prąd Zenera (stabilizacji), IR prąd diody w kierunku wstecznym, IZM - maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji, UZ - napięcie Zenera, UR - napięcie wsteczne, tamb - temperatura otoczenia, tcase - temperatura obudowy, Ptot - całkowita moc wejściowa I U Z U Obszar przebicia U - napięcie Z Zenera I Fmax Rys 6. Charakterystyka napięciowo-prądowa diody Zenera i jej symbol. Wartość napięcia, przy którym następuje gwałtowny wzrost prądu, jest stała i nie zależy od zmian prądu w szerokich granicach. Zjawisko gwałtownego wzrostu prądu tłumaczy się przebiciem Zenera, czyli efektem emisji elektronów w złączu pod wpływem pola wewnętrznego. W cienkim złączu natężenie pola może uzyskiwać duże wartości przy małych napięciach UR nawet rzędu 3V, prowadząc do rozrywania wiązań kowalencyjnych. W rezultacie możliwy jest duży wzrost prądu przy pomijalnym wzroście napięcia na złączu. Napięcie to jest zwane napięciem Zenera i zależy od temperatury, co charakteryzuje tzw. współczynnik temperaturowy napięcia Zenera, wynoszący 0,07 0,09% UR na kelwin. 9

10 5. Dioda elektroluminescencyjna (LED). Dioda LED z angielskiego light emitting diode jest diodą emitującą światło. Działanie jej jest następujące. W półprzewodniku przy rekombinacji elektronu i dziury tj. gdy elektron łączy się z dziurą emitowany jest kwant energii równy szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika gdzie: Eg=hν (3 h stała Plancka ν częstotliwość emitowanego promieniowania. Rys. 7. Mechanizm luminescencji w diodach LED. W germanie lub krzemie energia ta wydziela się w postaci ciepła, natomiast np. w arsenku galu GaAs szerokość przerwy energetycznej Eg jest wystarczająca, by emitowane kwanty byłyby kwantami promieniowania świetlnego. Jeżeli przez złącze p n, wykonane z silnie domieszkowanych obszarów przepuścimy prąd, to elektrony z obszaru n są wstrzykiwane do obszaru p, a dziury odwrotnie z obszaru p do obszaru n. Wówczas w warstwie zaporowej zachodzi dużo aktów rekombinacji par dziura elektron i warstwa zaporowa emituje światło. Różne kolory światła w diodach LED otrzymuje się dzięki odpowiednim domieszkom zmieniającym szerokość przerwy energetycznej Eg. 10

11 6. Zagadnienia i pytania kontrolne: Czym jest półprzewodnik i gdzie jest stosowany? Podaj budowę i zasadę działania załącza p-n. Narysuj złącze p-n przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Narysuj charakterystykę i opisz zasadę działania diody Zenera. Opisz w jaki sposób działa dioda typu LED. 11