17.03.2009r.
Ćwiczenie nr 54
BADANIE UKŁADÓW PROSTUJĄCYCH
1. Półprzewodniki.
Półprzewodnik – jest to substancja zachowująca się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli przedmiot nieprzewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w pewnym zakresie jak przewodnik, czyli posiada małą oporność i wolne elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego.
Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodniku polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury.
Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n – inaczej nadmiarowe (występuje tu przewodnictwo elektronowe, liczba elektronów w paśmie przewodnictwa przekracza liczbę dziur przewodzących w paśmie walencyjnym) oraz półprzewodniki typu p – inaczej niedomiarowe (występuje w nich przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym, liczba dziur przekracza liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa).
Wyróżnia się również półprzewodniki samoistne, czyli takie, których materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń natury krystalicznej. Koncentracja, czyli ilość obiektów przypadających na jednostkę objętości, wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur. Półprzewodniki samoistne nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych (co objawia się dużym oporem właściwym, czyli małą przewodnością właściwą), dlatego też stosuje się domieszkowanie polegające na wprowadzeniu do struktury kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoistnymi lub półprzewodnikami domieszkowanymi.
Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu które w czystej postaci nie przewodzą prądu. Wszystkie półmetale są również półprzewodnikami.
Półprzewodniki stosowane są na przykład w:
§ diodach: prostujących (prostowniczych), stabilizacyjnych (Zenera), pojemnościowych, Schottky'ego, tunelowych, świecących (elektroluminescencyjnych – LED), sterowanych, fotodiodach półprzewodnikowych;
§ laserach półprzewodnikowych;
§ tranzystorach: unipolarnych (polowych), bipolarnych, fototranzystorach;
§ hallotronach;
§ termistorach.
2. Złącze p-n.
Złącze p-n – obszar na styku dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n.
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 dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwóch swobodnych nośników. Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, czego skutkiem jest pojawienie się nieruchomych jonów wytwarzających pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników.
W efekcie w pobliżu 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.
W przypadku przyłączenia dodatniego bieguna zasilania do obszaru p, a ujemnego do obszaru n złącza p-n ma małą oporność (jest to tzw. polaryzacja złącza w kierunku przewodnictwa). Odwrotne podłączenie biegunów powoduje dużą oporność złącza p-n (jest tzw. polaryzacja zaporowa złącza).
Jeśli napięcie polaryzujące jest odpowiednio duże (a więc obszar zubożony szeroki), to nośniki przechodzące przez obszar zubożony uzyskują dużą energię. Ma miejsce jonizacja. Pojawiają się nowe nośniki, które są przyspieszane. Proces ten nabiera charakteru lawinowego i nazywany jest przebiciem lawinowym - jednak wbrew nazwie nie powoduje uszkodzenia złącza. Efektem tego procesu jest gwałtowny wzrost prądu w obwodzie; prąd ten zwie się prądem jonizacji lawinowej.
Przebicie Zenera występuje natomiast w złączach silnie domieszkowanych, tzn. takich w których koncentracja domieszek (akceptorów i donorów) jest bardzo duża i zachodzi dla napięć wstecznych mniejszych od 5 - 6 V.
Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami na poniższym wykresie:
§ czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) – U < UD, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;
§ niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) – U > UD, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;
§ zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) – płynie niewielki prąd unoszenia;
§ żółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) – przebicie lawinowe lub Zenera, prąd gwałtownie rośnie.
gdzie U – wartość napięcia zewnętrznego, a UD – wartość napięcia dyfuzyjnego.
3. Dioda półprzewodnikowa.
Dioda półprzewodnikowa – element elektroniczny wykorzystujący właściwości złącza p-n.
Jeśli obszar p ma potencjał ujemny względem n (U<0), to dioda jest spolaryzowana zaporowo. Płynie wtedy przez nią bardzo mały prąd (prąd wsteczny Is), niezależny od wartości potencjału, aż do potencjału przebicia zenerowskiego (Upr).Jeśli obszar p ma potencjał dodatni względem obszaru n (U>0), oporność złącza p-n jest mała, możliwy jest już duży prąd przy małych napięciach.
Diody te charakteryzują się dużymi ujemnymi wartościami Upr i małymi wartościami Is. Wytwarza się je z wysokooporowego germanu lub krzemu.
W radiotechnice i elektronice cyfrowej wykorzystuje się diody półprzewodnikowe wysokich częstotliwości i mikrofalowe diody półprzewodnikowe charakteryzujące się bardzo małymi pojemnościami złącza p-n.
4. Układy prostujące.
Układ prostujący zmienia prąd przemienny na prąd stały.
Prostownik – jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.
Obecnie prostowniki są budowane niemal wyłącznie z diod krzemowych.
Prostowniki dzielimy na:
Napięcie skuteczne – to potoczne określenie wartości skutecznej napięcia. W praktyce napięcie skuteczne, czyli skuteczna wartość napięcia zmiennego, jest to taka wartość napięcia stałego, która po przyłożeniu do danego oporu, spowoduje wydzielanie się na nim energii odpowiadającej średniej mocy tego napięcia zmiennego.
Na przykład dla napięcia sinusoidalnego o wartości maksymalnej równej U0 napięcie skuteczne Usk wynosi: .
6. Oscyloskop.
Oscyloskop – przyrząd elektroniczny służący do obserwowania, obrazowania i badania przebiegów zależności pomiędzy dwiema wielkościami elektrycznymi, bądź innymi wielkościami fizycznymi reprezentowanymi w postaci elektrycznej.
Literatura:
§ www.wikipedia.org
§ www.portalwiedzy.onet.pl
§ A. Zawadzki, H. Hofmokl, „Laboratorium fizyczne”, PWN, 1968
kamszym88