Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 123: Półprzewodnikowe złącze p-n

Transkrypt

1 Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 123: Półprzewodnikowe złącze p-n Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z własnościami warstwowych złącz półprzewodnikowych p-n. Wyznaczanie charakterystyk stałoprądowych dla diod germanowych, krzemowych i stabilizujących. Literatura [1] Zięba A. (red), Pracownia Fizyczna Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej SU1642, AGH, Kraków 2002 (ew. wydania wcześniejsze). [2] Bobrowski Cz.,Fizyka krótki kurs. Warszawa, WNT 1995 Zagadnienia do opracowania Ocena i podpis 1. Klasyfikacja ciał stałych ze względu na przewodnictwo elektryczne 2. Różnice między półprzewodnikami samoistnymi i domieszkowymi. 3. Zasada działania warstwowego złącza p-n. 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa idealnego złącza p-n. 5. Rodzaje nośników ładunku w przewodnikach i półprzewodnikach. 6. Sposoby wykorzystania własności złącz p-n oraz rodzaje elementów (przyrządów) półprzewodnikowych. 7. Opisz zjawisko Zenera oraz jego wykorzystanie w przyrządach półprzewodnikowych. Ocena z odpowiedzi: 123-1

2 1 Opracowanie ćwiczenia Opracuj i opisz zagadnienia nr i podpis: 123-2

3 2 Oznaczenia, podstawowe definicje i wzory Równanie prądowo-napięciowe złącza p-n I = I S [exp ( ) ] eu 1 kt gdzie: I natężenie prądu złącza, U napięcie polaryzacji zewnętrznej złącza, I S teoretyczny prąd nasycenia złącza kt/e potencjał termiczny złącza ( 26 mv, dla T = 300 K). Powyższe równanie określa zależność natężenia prądu od zmian zewnętrznego napięcia sterującego, czyli określa tzw. statyczną charakterystykę prądowo-napięciową dla idealnego złącza p-n. Układ pomiarowy W ćwiczeniu mierzy się prąd płynący przez diodę w funkcji przyłożonego napięcia. Do pomiaru natężenia prądu służy wielozakresowy przyrząd uniwersalny o dużej czułości typu V-640, lub równoważny o czułości prądowej co najmniej 1 na. Pomiar napięcia odbywa się przy użyciu dowolnego woltomierza cyfrowego. Schemat układu płyty ćwiczeniowej przedstawiono na rysunku Dołączamy do niej zasilacz stabilizowany oraz wymienione wyżej przyrządy pomiarowe. Na płycie ćwiczeniowej znajduje się przełącznik polaryzacji złącza, przełącznik rodzaju badanej diody oraz 10-cio obrotowy potencjometr umożliwiający płynną i precyzyjną zmianę wartości napięcia oraz natężenia prądu złącza. (1) 3 Wykonanie ćwiczenia 1. Zestaw układ pomiarowy według rysunku Prowadzący ćwiczenia sprawdza układ przed włączeniem zasilania. Przyrząd uniwersalny V-640 używany jest jako amperomierz dla pomiaru dużego natężenia prądu w kierunku przewodzenia oraz dla pomiaru bardzo małych natężeń, na zakresach na dla kierunku zaporowego. Aby uchronić przyrząd przed zniszczeniem należy przed każdym pomiarem ustawić go na największy zakres pomiarowy i następnie dobrać, w trakcie pomiaru, optymalny zakres pracy przyrządu. Przyrząd V-640 posiada przyciski + i - umożliwiające zmianę polaryzacji. Przyrząd należy wyzerować dla każdego używanego zakresu pomiarowego. 2. Wykonaj pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych dla polaryzacji w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym dla jednego z poniżej podanych wariantów: (a) diody germanowej i krzemowej (b) diody germanowej, krzemowej i Zenera (c) diody germanowej, krzemowej i diody nieznanego rodzaju (DX) 123-3

4 Wykonaj pomiary dla wariantu... podpis: Rysunek 123-1: Schemat płyty ćwiczeniowej. 1. Charakterystyki przy polaryzacji w kierunku przewodzenia: mierzymy napięcie na poszczególnych diodach dla wartości natężenia prądów określonych w tabeli Charakterystyki przy polaryzacji zaporowej dla diody germanowej i krzemowej: mierzymy natężenie prądu przy ustalonych napięciach polaryzacji zaporowej określonych w tabeli Charakterystyki dla diody Zenera w kierunku zaporowym: mierzymy napięcie przy wymuszonym natężeniu prądu wstecznego dla wartości określonych w tabeli W przypadku diody DX : przy pomiarach dla kierunku zaporowego, po osiągnięciu natężenia prądu I S > 100 µa należy przejść na pomiar napięcia przy ustawianym natężeniu prądu, czyli tak jak dla diody Zenera

5 4 Wyniki pomiarów Tabela 1: Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych dla kierunku przewodzenia I Napięcie U [V]; diody: [ma] germanowa krzemowa Zenera dioda DX 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 2,0 3,0 5,0 7,0 10,0 podpis: Tabela 2. Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych dla kierunku zaporowego U Natężenie prądu zaporowego diod: I Napięcie zaporowe diod: [V] germanowa krzemowa dioda DX [ma] Zenera dioda DX [µa] [na] [...] [V] [V] 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,5 0,5 0,7 0,7 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 3,0 3,0 4,0 4,0 5,0 5,0 6,0 6,0 7,0 7,0 8,0 8,0 9,0 9,0 10,0 10,0 U z [V] Z 123-5

6 5 Opracowanie wyników pomiarów 1. Narysuj wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych, log(i) = f(u), dla wszystkich zmierzonych diod dla polaryzacji przewodzenia na jednym wspólnym polu rysunkowym nr Narysuj wykresy I = f(u) przy polaryzacji zaporowej dla diody germanowej, krzemowej i diody DX. Wszystkie wykresy wykonaj na polu rysunkowym nr.123-3a. 3. Dla diody Zenera i ewentualnie diody DX wykonaj wykresy na polu rysunkowym nr.123-3b. 4. Określ napięcie stabilizowane U Z diody Zenera. Wartość tego napięcia dla diod małej i średniej mocy ustalamy umownie dla natężenia prądu zaporowego diody I Z = 5 ma. Otrzymane wyniki wpisz w dolnej części tabeli nr Oblicz współczynnik Z stabilizacji napięcia dla diod Zenera. Współczynnik ten jest określony jako iloraz Z = R/r, oporności statycznej diody, R = U Z /I Z dla I Z = 5 ma, do oporności dynamicznej, r = U/ I. Przyrosty U i I powinny być określone w bezpośrednim otoczeniu I Z. 6. W przypadku realizowania wariantu (c) ćwiczenia, określ na podstawie wyznaczonych charakterystyk rodzaj badanej diody DX. Z 1 = Z X = Otrzymane wyniki zestaw w tabeli nr 2. Wnioski: Uwagi prowadzącego: Ocena za opracowanie wyników: ocena podpis 6 Załączniki: dodatkowe wykresy, obliczenia, ewentualna poprawa 123-6

7 Rysunek 123-2: Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych diod polaryzowalności w kierunku przewodzenia

8 Rysunek 123-3: Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych diod polaryzowalności w kierunku zaporowym: a)dla diody germanowej i krzemowej, b)dla diody Zenera