Halbleiter

Quelle: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics & Astronomie, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA

Halbleiter sind Materialien, deren Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten stark von der Temperatur und der Unreinheit abhängt. Der am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist aus kristallinem Silizium. Die reine Halbleiter sind keine herausragenden Dirigenten; um die Leitfähigkeit zu verbessern, ist ein reine Halbleiter oft kombiniert oder "gedopt" mit einer Verunreinigung. Diese Verunreinigungen sind entweder Geber, wie Phosphor und Arsen, das Elektronen an das Silizium zu spenden, oder Akzeptoren wie Bor und Aluminium, die Elektronen vom Silizium zu stehlen. Wenn Akzeptoren Elektronen vom Silizium nehmen, hinterlassen sie Regionen positive Ladung genannt "Löcher", die sich effektiv als positiv geladenen Elektronen Verhalten.

Ein p-Typ-Halbleiter wird gebildet, wenn doping macht Löcher, die die dominierende Ladungsträger im Material sind. Ein n-Typ-Halbleiter wird gebildet, wenn ein Halbleiter gedopt ist, so dass der dominierende Ladungsträger das Elektron ist. Wie man erwarten könnte, ist ein p-n-Übergang an der Grenze zwischen der p-Typ-Halbleiter und n-Typ Halbleiter gebildet. Die Wechselwirkung von Elektronen und Löcher an der Kreuzung ergibt sich das bemerkenswerte Verhalten Schaltungskomponenten wie Dioden und Transistoren. Dieses Labor untersuchen die Eigenschaften von einem einzigen PN-Übergang in Form von einer Halbleiterdiode.

An der Kreuzung zwischen den p - und n-leitende Materialien kombinieren die Elektronen von den Spender Unreinheiten in der n-Typ-Halbleiter mit den Löchern aus der p-Typ-Halbleiter. Die Spender-Verunreinigung in der n-Typ-Halbleiter verliert ein Elektron und ein positives Ion wird. Die Akzeptor-Verunreinigung in der p-Typ akzeptiert dieses Elektron, bilden ein negatives Ion. Die "Raumladungszone" sofort rund um die Kreuzung wird damit einen Mangel an entweder Elektronen und Löcher. In der Raumladungszone die n-Typ-Material-Region ist nun gefüllt mit positiven Ionen und die p-Typ-Material wird dominiert von negativen Ionen. Die positiven Ionen stoßen Elektronen vom n-Typ-Seite der Kreuzung, während die negativen Ionen Löchern aus der p-Typ-Seite der Kreuzung stoßen. Das elektrische Feld aus den Aufbau von Ionen bei der p-n-Übergang verhindert, dass effektiv Elektronen oder Löcher fließt über die Kreuzung.

Jedoch wenn Sie eine stark genug Spannung über den PN-Übergang angewendet wird, kann Strom gemacht werden, wieder fließen. Wenn ein positive Spannungsabfall über die Kreuzung (d. h. eine Abnahme der Spannung von der p-Typ-Material zu den n-Typ-Material), steht dann das angewandte elektrische Feld möglicherweise in der Lage, die Kraft aus der Ionen zu überwinden und Elektronen über die Kreuzung schieben kann. Die Kreuzung wird als "vorwärts-voreingenommen" in diesem Fall bezeichnet. Umgekehrt, wenn ein negative Spannungsabfall über die Kreuzung (d. h. eine Abnahme der Spannung von der n-Typ-Material zu den p-Typ-Material), angewendet wird, und die angelegte Spannung extra fügt dann nicht Abstoßung zu den bestehenden Abstoßung von den Ionen und aktuelle fließen. In dieser Konfiguration ist die Kreuzung "Sperrrichtung." Stromfluss kann somit nur in einer Richtung durch einen PN-Übergang.

Die Shockley Diode Gleichung beschreibt die aktuelle,, fließt durch einen PN-Übergang in Abhängigkeit von der Temperatur und der Spannungsabfall über ihn:

(Gleichung 1)

wo ich_saß ist in der Regel in Ampere (A), e aktuelle Sättigung ist das Elektron Gebühr in Höhe von 1,602 10^-19 Coulombs (C), V ist der Spannungsabfall an der Diode in Volt (V), n ist eine dimensionslose Parameter, variiert von 1 bis 2 und Unvollkommenheiten in der Diode entfallen (n = 1 für eine ideale Diode), ist die Boltzmann Konstante 1,38 10^-23 m² kg s^-2 K^-1 , und T ist die Diode Temperatur in Kelvin (K). Die aktuellen Sättigung ist der kleine Strom, der immer noch gelingt, fließen, auch wenn Sperrrichtung die Diode ist. Man kann sehen, dass der Strom exponentiell für positive Spannungen wächst und exponentiell durch negative Spannungen gedämpft ist. Außerdem gibt es eine starke Temperaturabhängigkeit. Hohe Temperaturen verringern den Stromfluss und niedrige Temperaturen dazu führen, dass des Stroms zu erhöhen.

(1) beobachten Sie das Verhalten der einen PN-Übergang in Form von einer Halbleiterdiode und Messen Sie ihre Strom-Spannungs-Kennlinie.

1. Erhalten Sie eine Halbleiterdiode, eine LED (Light Emitting Diode) eine Stromquelle, zwei digitale Multimeter, ein 1 kΩ Widerstand, einige Bananen-Kabel und Stecker und ein Thermometer.
2. Schauen Sie sich die Halbleiterdiode. Es sollte eine Band auf einem seiner enden. Die Seite mit der Band ist die "Kathode". Die Seite ohne die Band ist die "Anode".
3. Stellen Sie sicher, dass die Stromversorgung ausgeschaltet ist, bevor Sie verbinden alle Schaltungsteile. Mit den Bananen-Kabeln, verbinden Sie den Pluspol der Stromquelle zu einer Seite des Widerstands und die andere Seite des Widerstands an der Anode der Diode. Dann schließen Sie ein Multimeter Amperemeter Modus an der Kathode der Diode, und schließen Sie den anderen Pol der das Amperemeter zum Minuspol der Stromquelle um den Stromkreis zu schließen.
4. Notieren Sie die Temperatur im Raum.
5. Legen Sie die Stromversorgung 5 V Gleichspannung zu generieren und dann einschalten.
6. Legen Sie die Plusleitung des Multimeters auf die Anode der Diode und die Minusleitung auf der Kathode.
7. In dieser Konfiguration die Diode gilt nach vorne vorgespannt, so ein Strom durch die Schaltung sollte und das Multimeter sollte eine Spannung anzeigen. Notieren Sie die Spannung und der Strom, den das Multimeter anzeigen.
8. Stellen Sie die Stromversorgung eine andere Spannung zu erzeugen. Notieren Sie die Spannung und die aktuellen Messwerte von zwei Multimeter, die noch über und mit der Diode in Reihe verbunden werden sollen.
9. Wiederholen Sie den vorherigen Schritt mehrmals für eine Reihe von Spannungen. Aufzeichnung der Umgebungstemperatur während jeder Wiederholung sowie.
10. Entfernen Sie das Multimeter und schalten Sie die Stromversorgung aus. Diese Spannungen sind, zwar nicht auf einem gefährlichen Niveau ist es immer am sichersten, die Stromversorgung ausschalten, beim Umgang mit Schaltungskomponenten.
11. Halten Sie alle Anschlüsse und Einstellungen das gleiche, außer die Diode umdrehen. Die Kathode ist jetzt, wo die Anode bereits verbunden war, und umgekehrt für die Anode verbunden.
12. Schalten Sie die Stromversorgung wieder ein und schließen Sie das Multimeter an der Diode mit der Plusleitung des Multimeters an der Anode der Diode und die Minusleitung auf der Kathode.
13. Notieren Sie die neue Spannung und Strom, die angezeigt werden. Es möglicherweise notwendig, die Empfindlichkeit des Multimeters. Die Diode ist jetzt Sperrrichtung, nur ein winziger Strom durch die Schaltung fließen dürfen.
14. Verwenden Sie die Shockley Diode Gleichung um den Strom durch die Diode als Funktion der Spannung über die Diode und die Diode-Temperatur zu berechnen. Davon ausgehen, dass ich_saß = 4 10^-10 A.
15. Schalten Sie die Stromversorgung und tauschen Sie die Diode für eine LED zu.
16. Die LED werden zwei Pins haben. Langer Stift ist die Anode und die kürzere Pin ist die Kathode. Beobachten Sie die LED in vorwärts-voreingenommen und Sperrrichtung Konfigurationen.
17. Beachten Sie, dass seit fließt der Strom nur wenn die LED nach vorne voreingenommen leuchtet, die LED leuchtet nur wenn in der vorwärts-voreingenommen Konfiguration und dunkel in Sperrrichtung Konfiguration werden.

Typische Ergebnisse für die Schaltung-Messungen sind in Tabelle 1dargestellt. Die Shockley Diode Gleichung beschreibt den Strom durch eine Diode als Funktion der Temperatur der Diode und der Spannungsabfall über ihn. Bei einer Temperatur von 293,0 K, eine Spannung von 555 mV über die Diode und einer beliebigen (aber Vertreter) Idealität Faktor von n = 1,5,

Der Strom durch die Diode ist für alle die gemessenen Spannungen berechnet. Die Kennlinie der Diode (aktuell als Funktion der Spannung) ist in Abbildung 1dargestellt. Die exponentielle Abhängigkeit der aktuellen Spannung ist deutlich zu erkennen. Wenn in vorwärts-voreingenommen, die Diode kann Strom fließen. Wenn in Sperrrichtung, nur die mikroskopische Sättigung aktuelle fließen kann, wodurch der Diode ein Ventil, das Strom nur in eine Richtung erlaubt.

Tabelle 1: Ergebnisse.

Abbildung 1 : Theoretischen Punkte aus der Shockley Diode Gleichung sind blau. Messdaten sind in rot. Eine willkürliche Idealität Faktor von n = 1,5 wurde in der Shockley Diode Gleichung verwendet. Die Diskrepanz zwischen der gemessenen und theoretische Werte könnte verschwinden, wenn der wahre Idealität Faktor der Diode bekannt war.

Dieses Labor untersucht die Eigenschaften von Halbleitern und ein pn-Übergang in Form von einer Halbleiterdiode. Eine Diode ist eine Schaltung Komponente bestehend aus einem p-n-Übergang. Die Kennlinie der Diode wurde gemessen, und die Diode wurde beobachtet, um einen elektrischen Strom nur in eine Richtung zu führen. Eine LED enthält eine spezielle Art von p-n-Übergang, das Licht neben der Durchführung von unidirektional emittiert.

Halbleiter sind ausführlich in der Elektronikindustrie verwendet. Halbleiterdioden enthalten nur ein einziges p-n-Übergang und Transistoren aus n-p-n und p-n-p-Kreuzungen sind; Das heißt, zwei p-n Verzweigungen direkt neben einander. Halbleitertransistoren sind die Grundlage für fast alle modernen Elektronik. Sie können verwendet werden, um Logik-Gatter, sind Schaltungen, die Boolesche logische Grundoperationen wie AND, OR, nicht durchführen kann und NAND zu errichten. Diese logischen Operationen können kombiniert werden, um komplexere Operationen wie Addition und Multiplikation, und können auch verwendet werden, um Computer-Prozessoren und Speicher zu bauen. Hergestellt aus Halbleitern LEDs sind weitere energieeffiziente Lichtquellen als herkömmliche Glühlampen.