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
1 Opracowanie ćwiczenia Opracuj i opisz zagadnienia nr i podpis: 123-2
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 rysunku123-1. 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 123-1. 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
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 1. 2. Charakterystyki przy polaryzacji zaporowej dla diody germanowej i krzemowej: mierzymy natężenie prądu przy ustalonych napięciach polaryzacji zaporowej określonych w tabeli 2. 3. Charakterystyki dla diody Zenera w kierunku zaporowym: mierzymy napięcie przy wymuszonym natężeniu prądu wstecznego dla wartości określonych w tabeli 2. 4. 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. 123-4
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
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.123-2. 2. 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 2. 5. 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
Rysunek 123-2: Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych diod polaryzowalności w kierunku przewodzenia. 123-7
Rysunek 123-3: Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych diod polaryzowalności w kierunku zaporowym: a)dla diody germanowej i krzemowej, b)dla diody Zenera. 123-8