Ćwiczenie nr 23

Ćwiczenie nr 23
Charakterystyka styku między metalem a półprzewodnikiem typu n.
Cel ćwiczenia:
Wyznaczanie charakterystyki napięciowo - prądowej złącza metal-półprzewodnik n oraz
zaobserwowanie działania elementów prostowniczych.
Zagadnienia:
1
2
3
4
5
Teoria pasmowa ciała stałego na podstawie modelu prawie swobodnych elektronów.
Półprzewodniki, parametry półprzewodników.
Przewodnictwo samoistne dziurowe i elektronowe półprzewodników.
Złącze typu metal-półprzewodnik n.
Prostowniki prądu przemiennego: jednopołówkowe i dwupołówkowe.
Pytania kontrolne:
1
2
3
4
Wyjaśnij powstawanie kontaktowej różnicy potencjałów.
W jaki sposób wykonuje się złącza? Podaj przykłady.
Narysuj układ Gretza i wyjaśnij jego działanie.
Dlaczego opór złącza jest nieliniowy?
Literatura:
1
2
3
4
B. Jaworski, Kurs fizyki t.II.
C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego.
M. N. Rudden, J. Wilson, Elementy fizyki ciała stałego.
Przeździecki, Elektrotechnika i elektronika.
str. 1
Wprowadzenie.
Po zetknięciu metalu z półprzewodnikiem typu n strumień elektronów z półprzewodnika do
metalu będzie przeważał nad strumieniem elektronów z metalu do półprzewodnika. Warstwa
przystykowa półprzewodnika traci część elektronów i ładuje się dodatnio, natomiast metal
uzyskuje nadmiarowy ładunek ujemny. Między metalem i półprzewodnikiem powstaje
podwójna warstwa ładunku elektrycznego. Utworzy się kontaktowa różnica potencjału. W
warstwie przystykowej półprzewodnika niemal całkowicie brak swobodnych elektronów, w
związku z czym opór elektryczny warstwy jest znacznie większy niż pozostałej części
półprzewodnika. Warstwę taką nazywamy warstwą zaporową.
Przyłożenie zewnętrznego napięcia elektrycznego Uz do złącza wpływa na rozmiary warstwy
zaporowej i wysokość bariery potencjału, a więc i opór.
Jeśli zewnętrzne pole elektryczne skierowane jest od metalu (+) do półprzewodnika (-), to
elektrony z całej objętości półprzewodnika wciągane są do warstwy przystykowej. Powoduje to
zmniejszenie grubości warstwy zaporowej, zmniejszenie bariery potencjału i powiększenie
przewodności złącza. W tym kierunku, zwanym kierunkiem przewodzenia, może płynąć
stosunkowo duży prąd.
a)
Metal
Półprz
ewodni
k
b)
Metal
Półprz
ewodni
k
c)
Półprz
ewodni
Rys. 1. Rozkład potencjału wzdłuż
złącza.
k
Metal
Jeśli zewnętrzne pole ma kierunek przeciwny, metal(-), półprzewodnik(+), następuje dalsze
zubożenie warstwy przystykowej w elektrony, wzrasta jej grubość i bariera potencjałów, a
zatem opór. Mówimy, że złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym.
str. 2
Zależność prądu od napięcia zewnętrznego dla elementu obwodu zawierającego złącze,
przedstawia poniższy rysunek.
kierunek przewodzenia
kierunek zaporowy
Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza prostującego.
Duże zmiany oporu w zależności od napięcia, przedstawić można we współrzędnych InR, U.
Rys. 3. Zależność oporu złącza prostującego od napięcia.
Przebieg ćwiczenia.
A. Wyznaczanie charakterystyki napięciowo-prądowej złącza metał-półprzewodnik
typu n.
Zestawić obwód jak na rys.4.
Zasilacz regulowany
typNDN
Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki złącza prostującego. Z
- zasiłącz prądu stałego z regulacją co 0,1 V, P -płytka żelazna pokryta selenem
(prostownik jednopołówkowy).
2. Ustawiając na zasilaczu napięcia :
- w kierunku przewodzenia
str. 3
Od 0,3V do 2,1 co 0,3V
i
od 3V do l0V co 1V
- w kierunku zaporowym
od 0 do 30 V co 5 V
odczytywać natężenie prądu I w obwodzie i napięcie U na styku.
3. Dane zestawić w tabelach:
a) dla kierunku
przewodzenia
Tob. 1. Wynikł pomiarów - kierunek przewodzenia.
U
ΔU
I
Δl
R
ΔR
lnR
[V]
[V]
[mA]
[mA]
[kΩ]
[kΩ]
dla R w [Ω
b) dla kierunku zaporowego
Tab. 2. Wyniki pomiarów - kierunek zaporowy.
U
ΔU
I
Δl
R
ΔR
lnR
[V]
[V]
[μA]
[μA]
[MΩ]
[MΩ]
dla R w [Ω]
B. Zastosowanie styku metal-półprzewodnik jako prostownika prądu przemiennego.
1. Z zasilacza prądu przemiennego „Tr” przyłożyć na oscyloskop napięcie ok. 6 V.
Zaobserwować obraz prądu zmiennego.
2. Zbudować układ według rys. 5.
str. 4
Rys. 5. Schemat połączeń obwodu prostownika jednopołówkowego z oscyloskopem.
Tr - zasilacz prądu przemiennego
R - opornica suwakowa (20 O - 3A)
P - prostownik jednopołówkowy
Zdjąć z oscyloskopu zaobserwowane przebiegi.
W celu wykorzystania dwu połówek prostowanej sinusoidy stosuje się układ Graetza. Po
zbudowaniu poniższego układu zdjąć z oscyloskopu zaobserwowane przebiegi prądu.
Rys. 6. Schemat połączeń obwodu prostownika dwupołówkowego z oscyloskopem.
5. W oparciu o powyższe wyjaśnić działanie prostowników.
W opracowaniu umieścić zdjęte przebiegi prąciu przemiennego przed i po
wyprostowaniu.
B. Opracowanie wyników.
1. Na podstawie tabel wykonać wykresy:
I = f(U)
lnR = f(U)
Wyciągnąć wnioski z powyższych wykresów.
2. Obliczyć błąd maksymalny oporności R (tabela 1 i tabela 2) metodą różniczki zupełnej
lub pochodnej logarytmicznej dla początkowych i końcowych pomiarów.
str. 5