Halbleiter

Physics II

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Overview

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.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Physik II. Halbleiter. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

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:

Equation 1(Gleichung 1)

wo ichsaß 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.

Procedure

<>

(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 ichsaß = 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.

Halbleiter werden weitgehend verwendet, um die Elektronik zu bauen und sind die Grundlage der globalen Halbleiterindustrie.

Ein Halbleiter ist ein fester Stoff, der in der Regel Leitfähigkeit zwischen Isolator und den meisten Metallen wie Kupfer oder Gold. Der am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist kristallines Silizium, das in Form von dünnen, polierte Wafer zur Verfügung gestellt wird.

Es gibt zwei Haupttypen von Halbleitern, p-Typ und n-Typ. Diese sind neben einander und in verschiedenen Konfigurationen, Halbleiter-Bauelemente wie p-n Verzweigungen oder p-n-p-Transistoren bauen hergestellt. Jede Konfiguration besitzt einzigartige elektrische Eigenschaften nützlich in verschiedenen elektronischen Geräten.

Dieses Video präsentieren die Grundprinzipien der Halbleiter-Materialien und Eigenschaften des p-n Verzweigungen in Form einer Diode. Als nächstes wird es eine Schritt für Schritt Protokoll zur Charakterisierung einer Diode, gefolgt von einigen realen Anwendungen von Halbleitern illustrieren.

Die meisten reinen oder intrinsische Halbleiter wie Silizium, sind nicht hervorragende elektrische Leiter. Und zwar deshalb, weil jedes Silizium-Atom vier Elektronen in seiner Wertigkeit oder äußerste Schale hat. Er teilt diese Elektronen mit benachbarten Silizium-Atome zu Form kovalente Bindungen, erstellen eine Gitterstruktur frei von freien Elektronen. So wird ein Halbleiter leitender durch Zugabe von Verunreinigungen, ein Prozess auch bekannt als doping, um dotierten oder extrinsischen Halbleiter zu bilden gemacht.

Diese Verunreinigungen sind von zweierlei Art: Spender und Akzeptoren. "Geber", wie Phosphor und Arsen, haben fünf Elektronen in der äußeren Schale. Vier davon werden verwendet, um kovalente Bindungen mit angrenzenden Silizium-Atome bilden. Die verbleibenden ein Elektron ist dann frei durch das Gitter bewegen. Diese Art von dotierten Halbleiter, in denen Elektronen die dominanten Ladungsträger sind nennt man einen n-Typ-Halbleiter.

Jetzt ist die Verunreinigung ein Akzeptor Molekül, wie Bor oder Aluminium, unterscheidet sich das Ergebnis. Diese Akzeptoren haben nur drei Elektronen in der äußeren Schale. Daher, wenn ein Akzeptor-Atom Anleihen bildet mit den umliegenden Silizium-Atome, hinterlässt es eine Region der positiven Ladung genannt eine "Loch", das effektiv als ein positiv geladenes Elektron verhält. Das Loch ist jetzt frei durch das Gitter bewegen. Diese Art von dotierten Halbleiter, in denen Löcher die meisten Ladungsträger sind nennt man einen p-Typ-Halbleiter.

Jetzt ist wenn eine Region auf einem einzigen Halbleiterkristall oder einem Wafer mit Spender-Atomen dotiert ist und eine angrenzende Region mit Akzeptor Atome dotiert ist, ein p-n-Übergang gebildet. Die Schnittstelle zwischen der p- und n-Regionen nennt man die Kreuzung Grenze.

An der Kreuzung-Grenze die überschüssigen Elektronen im n-Gebiet gegenüber der p-Region zu verbreiten, und gleichzeitig die überschüssige Löcher im p-Gebiet diffundieren in Richtung der n-Region.

Durch diese Diffusion werden die Spender-Atome in der n-Region unbeweglich positive Ionen, während der Akzeptor-Atome im p-Gebiet unbeweglich negativ geladenen Ionen werden. An der Grenze zwischen p und n-Regionen, eine "Raumladungszone", die also einen Mangel an beweglichen Elektronen und Löcher gebildet.

Die negativen Ionen in der p-Typ-Raumladungszone stoßen die Elektronen, die aus der n-Region in die p-Region, zu verbreiten, während die positiven Ionen in der n-Typ Raumladungszone die Löcher stoßen, die aus der p-Region in die n-Region zu verbreiten.

Das heißt, blockiert das elektrische Feld aus den Aufbau von Ionen in der Raumladungszone effektiv Strom fließt über die Kreuzung. Strom kann wieder fließen durch Anlegen einer Spannung über die Kreuzung versucht werden.

Ein positiven Spannungsabfall angewendet wird, reduziert sich auch bekannt als "Forward-Bias", die Breite der Raumladungszone, Verringerung der Region elektrisches Feld, durch die Elektronen und Löcher über die Kreuzung und damit Strom fließt durch die Konfiguration zu springen.

Umgekehrt, wenn ein negative Spannungsabfall über der Kreuzung angewendet wird, bekannt als "rückwärts-Bias", dann die Erschöpfung Region Breite erhöht. Dies wiederum erhöht die Region elektrischen Feldstärke und Strömungswiderstand von Elektronen und Löcher über die Kreuzung.

So fließt der Strom nur in eine Richtung durch einen PN-Übergang. Die Shockley Diode Gleichung kann verwendet werden, um diesen Strom in Abhängigkeit von der Diode Spannungsabfall und Temperatur zu berechnen. "E" ist hier die Elementarladung, ' n ' ist ein Faktor der Idealität, die wie eine echte Diode führt im Vergleich zu einer idealen Diode charakterisiert und 'Kb' ist die Boltzmann-Konstante 'Isat' ist der kleine Ableitstrom, der durch das Gerät fließt, auch wenn es einseitig rückgängig zu machen.

Überprüfen Sie nach Abschluss die Grundlagen, lassen Sie uns jetzt eine schrittweise Protokoll um einen PN-Übergang zu charakterisieren. Zuerst erhalten Sie die notwendigen Materialien und Instrumente, nämlich eine Halbleiterdiode, eine Leuchtdiode oder LED eine Stromquelle, zwei digitale Multimeter, ein 1-Kilo-Ohm-Widerstand, einige Bananen-Kabel und Stecker und ein Thermometer.

Schauen Sie sich die Halbleiterdiode und stellen Sie sicher, dass es eine rote Terminal und eine schwarze Klemme. Die schwarze Klemme heißt der Kathode und die rote Klemme ist die Anode.

Schließen Sie als nächstes den Widerstand in Reihe mit der Anode der Diode. Anschließend verbinden Sie mit den Bananen-Kabeln, den Pluspol der Stromquelle mit unverbundenen Ende des Widerstands. Schließen Sie als nächstes die Kathode der Diode an den Pluspol der ein Amperemeter und das Amperemeter Minus-Pol zum Minuspol der Stromquelle, um den Stromkreis zu schließen den Stromkreis zu schließen.

Die Diode ist jetzt vorwärts voreingenommen. Notieren Sie die Temperatur des Raumes. Richten Sie nun das Netzteil + 5 Volt Gleichstrom durch die Schaltung zu füttern.

Da die Diode vorwärts voreingenommen ist, es sollte ein Strom durch die Schaltung und eine Spannung an der Diode fallen.

Schließen Sie als nächstes die Plusleitung von einem zweiten Multimeter auf die Anode der Diode und die Minusleitung auf der Kathode. Sicherzustellen, dass das Multimeter Voltmeter Modus und den Spannungsabfall zu messen. Beachten Sie auch, die aktuelle, wie durch das Amperemeter aufgezeichnet.

Nun, anpassen der Stromquelle, um einer anderen Spannung zu erzeugen und den entsprechenden Tropfen an der Diode mit dem Voltmeter und der Strom durch das Amperemeter mit aufnehmen.

Auch beachten Sie die Umgebungstemperatur für jede Lesung, und wiederholen Sie das Protokoll für eine Reihe von Diode Spannungen.

Sobald alle Messungen aufgezeichnet sind, trennen Sie das Voltmeter und schalten Sie die Stromversorgung. Halten alles das gleiche, drehen Sie die Diode, so dass die Anode und Kathode Verbindungen jetzt umgekehrt sind und die Diode in der reverse Bias-Modus verbunden ist.

Schalten Sie die Stromversorgung, und schließen Sie das Voltmeter an der Diode mit der Plusleitung des Multimeters an der Anode der Diode und die Minusleitung zur Kathode angeschlossen.

Nehmen Sie den Spannungsabfall über der Diode, die Temperatur und der Strom durch die Diode für verschiedenste Diode Spannungen auf. Schalten Sie die Stromversorgung und trennen Sie die Diode zu.

Zu guter Letzt verbinden Sie eine LED anstelle der Diode zu, und beobachten Sie die LED in forward und reverse Bias Konfigurationen für verschiedenste Spannungsabfälle.

Mit dem Protokoll nun abschließen Sie, betrachten Sie wir die Ergebnisse der beiden das vorwärts- und rückwärts-Bias Experiment über die Diode und die LED. Berechnen Sie zunächst, den Strom durch die Diode für die verschiedenen Spannung sinkt unter Verwendung der Gleichung Shockley Diode und die Hersteller zur Verfügung gestellt Isat Wert. Zum Beispiel kann für eine Temperatur von 293 Kelvin und einer gemessenen Diode Spannung von 555 Milli-Volt, der Strom durch die Diode zu 0,913 Milli-Ampere berechnet werden.

Typische Ergebnisse für die Schaltung-Messungen mit der Diode in vorwärts- und Voreingenommenheit verbunden sind in der Tabelle aufgeführt. Die berechneten und gemessenen Strom wird als Funktion der gemessenen Diode Spannung geplottet. Dies nennt man die "Kennlinie" der Diode.

Die Grafik zeigt die exponentielle Abhängigkeit der gemessenen und berechneten Ströme auf der Diode Spannung. Insbesondere wird festgestellt, dass wenn die Diode nach vorn voreingenommen ist, es den Strom ermöglicht durch.

Aber wenn die Diode ist umgekehrte voreingenommen, kein Strom fließt, wodurch es ein Ventil, das Strom nur in eine Richtung erlaubt. Der kleine Strom, der immer noch gelingt, fließen, auch wenn die Diode Sperrrichtung, ist, ist die aktuelle Sättigung.

Halbleiter bilden die Grundlage für die gesamte Elektroindustrie, angefangen bei der einfachen LEDs in unsere TV-Displays auf die komplexen Super-Computer verwendet für wissenschaftliche Zwecke der Datenverarbeitung verwendet.

Halbleiter sind nicht nur gebrauchte Build p-n Verzweigungen oder Dioden, aber auch Transistoren, die n-p-n oder p-n-p-Kreuzungen. Diese Transistoren sind die Grundlage der modernen Elektronik, wie sie verwendet werden können, 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, wie notwendig, um komplexere Operationen wie digitale Addition und Multiplikation. Es kann sogar zur Computer-Prozessoren und Speicher zu bauen.

Halbleiter-Materialien können auch zur Erzeugung von Licht für Anwendung in der optischen Elektronik. Eine Leuchtdiode oder LED Licht ist beispielsweise ein pn-Übergang, das Licht aktiviert. Wenn es eine geeignete Spannung zugeführt wird, rekombinieren Elektronen mit Löchern im Inneren des Gerätes, die Freisetzung von Energie in Form von Licht.

Hergestellt aus Halbleitern LEDs sind weitere energieeffiziente Lichtquellen als die herkömmliche Glühbirne. Daher LEDs haben Anwendungen gefunden, in der Umwelt- und Arbeitsplatzbeleuchtung, elektronische zeigt und fortschrittliche Kommunikationstechnologie.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Halbleitern beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Grundlagen der Halbleiter und Grundsätze, Funktionsweise und Eigenschaften des p-n-Übergang. Danke fürs Zuschauen!

Results

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,

Equation 2
Equation 3
Equation 4

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.

Gemessene Spannung (V) Gemessene Temperatur (K) Aktuelle Messen

(mA)

Berechnete Strom (mA)
0.555 293,0 0.372 0.913
0.617 293,1 1.813 4.66
0.701 293,1 114.67 42,7
-0.523 293.2 0.0014 -4 * 10-7
-0.620 293,0 0.0011 -4 * 10-7
-0.695 292.9 0,0008 -4 * 10-7

Figure 1
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.

Applications and Summary

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.

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(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 ichsaß = 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.

Halbleiter werden weitgehend verwendet, um die Elektronik zu bauen und sind die Grundlage der globalen Halbleiterindustrie.

Ein Halbleiter ist ein fester Stoff, der in der Regel Leitfähigkeit zwischen Isolator und den meisten Metallen wie Kupfer oder Gold. Der am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist kristallines Silizium, das in Form von dünnen, polierte Wafer zur Verfügung gestellt wird.

Es gibt zwei Haupttypen von Halbleitern, p-Typ und n-Typ. Diese sind neben einander und in verschiedenen Konfigurationen, Halbleiter-Bauelemente wie p-n Verzweigungen oder p-n-p-Transistoren bauen hergestellt. Jede Konfiguration besitzt einzigartige elektrische Eigenschaften nützlich in verschiedenen elektronischen Geräten.

Dieses Video präsentieren die Grundprinzipien der Halbleiter-Materialien und Eigenschaften des p-n Verzweigungen in Form einer Diode. Als nächstes wird es eine Schritt für Schritt Protokoll zur Charakterisierung einer Diode, gefolgt von einigen realen Anwendungen von Halbleitern illustrieren.

Die meisten reinen oder intrinsische Halbleiter wie Silizium, sind nicht hervorragende elektrische Leiter. Und zwar deshalb, weil jedes Silizium-Atom vier Elektronen in seiner Wertigkeit oder äußerste Schale hat. Er teilt diese Elektronen mit benachbarten Silizium-Atome zu Form kovalente Bindungen, erstellen eine Gitterstruktur frei von freien Elektronen. So wird ein Halbleiter leitender durch Zugabe von Verunreinigungen, ein Prozess auch bekannt als doping, um dotierten oder extrinsischen Halbleiter zu bilden gemacht.

Diese Verunreinigungen sind von zweierlei Art: Spender und Akzeptoren. "Geber", wie Phosphor und Arsen, haben fünf Elektronen in der äußeren Schale. Vier davon werden verwendet, um kovalente Bindungen mit angrenzenden Silizium-Atome bilden. Die verbleibenden ein Elektron ist dann frei durch das Gitter bewegen. Diese Art von dotierten Halbleiter, in denen Elektronen die dominanten Ladungsträger sind nennt man einen n-Typ-Halbleiter.

Jetzt ist die Verunreinigung ein Akzeptor Molekül, wie Bor oder Aluminium, unterscheidet sich das Ergebnis. Diese Akzeptoren haben nur drei Elektronen in der äußeren Schale. Daher, wenn ein Akzeptor-Atom Anleihen bildet mit den umliegenden Silizium-Atome, hinterlässt es eine Region der positiven Ladung genannt eine "Loch", das effektiv als ein positiv geladenes Elektron verhält. Das Loch ist jetzt frei durch das Gitter bewegen. Diese Art von dotierten Halbleiter, in denen Löcher die meisten Ladungsträger sind nennt man einen p-Typ-Halbleiter.

Jetzt ist wenn eine Region auf einem einzigen Halbleiterkristall oder einem Wafer mit Spender-Atomen dotiert ist und eine angrenzende Region mit Akzeptor Atome dotiert ist, ein p-n-Übergang gebildet. Die Schnittstelle zwischen der p- und n-Regionen nennt man die Kreuzung Grenze.

An der Kreuzung-Grenze die überschüssigen Elektronen im n-Gebiet gegenüber der p-Region zu verbreiten, und gleichzeitig die überschüssige Löcher im p-Gebiet diffundieren in Richtung der n-Region.

Durch diese Diffusion werden die Spender-Atome in der n-Region unbeweglich positive Ionen, während der Akzeptor-Atome im p-Gebiet unbeweglich negativ geladenen Ionen werden. An der Grenze zwischen p und n-Regionen, eine "Raumladungszone", die also einen Mangel an beweglichen Elektronen und Löcher gebildet.

Die negativen Ionen in der p-Typ-Raumladungszone stoßen die Elektronen, die aus der n-Region in die p-Region, zu verbreiten, während die positiven Ionen in der n-Typ Raumladungszone die Löcher stoßen, die aus der p-Region in die n-Region zu verbreiten.

Das heißt, blockiert das elektrische Feld aus den Aufbau von Ionen in der Raumladungszone effektiv Strom fließt über die Kreuzung. Strom kann wieder fließen durch Anlegen einer Spannung über die Kreuzung versucht werden.

Ein positiven Spannungsabfall angewendet wird, reduziert sich auch bekannt als "Forward-Bias", die Breite der Raumladungszone, Verringerung der Region elektrisches Feld, durch die Elektronen und Löcher über die Kreuzung und damit Strom fließt durch die Konfiguration zu springen.

Umgekehrt, wenn ein negative Spannungsabfall über der Kreuzung angewendet wird, bekannt als "rückwärts-Bias", dann die Erschöpfung Region Breite erhöht. Dies wiederum erhöht die Region elektrischen Feldstärke und Strömungswiderstand von Elektronen und Löcher über die Kreuzung.

So fließt der Strom nur in eine Richtung durch einen PN-Übergang. Die Shockley Diode Gleichung kann verwendet werden, um diesen Strom in Abhängigkeit von der Diode Spannungsabfall und Temperatur zu berechnen. "E" ist hier die Elementarladung, ' n ' ist ein Faktor der Idealität, die wie eine echte Diode führt im Vergleich zu einer idealen Diode charakterisiert und 'Kb' ist die Boltzmann-Konstante 'Isat' ist der kleine Ableitstrom, der durch das Gerät fließt, auch wenn es einseitig rückgängig zu machen.

Überprüfen Sie nach Abschluss die Grundlagen, lassen Sie uns jetzt eine schrittweise Protokoll um einen PN-Übergang zu charakterisieren. Zuerst erhalten Sie die notwendigen Materialien und Instrumente, nämlich eine Halbleiterdiode, eine Leuchtdiode oder LED eine Stromquelle, zwei digitale Multimeter, ein 1-Kilo-Ohm-Widerstand, einige Bananen-Kabel und Stecker und ein Thermometer.

Schauen Sie sich die Halbleiterdiode und stellen Sie sicher, dass es eine rote Terminal und eine schwarze Klemme. Die schwarze Klemme heißt der Kathode und die rote Klemme ist die Anode.

Schließen Sie als nächstes den Widerstand in Reihe mit der Anode der Diode. Anschließend verbinden Sie mit den Bananen-Kabeln, den Pluspol der Stromquelle mit unverbundenen Ende des Widerstands. Schließen Sie als nächstes die Kathode der Diode an den Pluspol der ein Amperemeter und das Amperemeter Minus-Pol zum Minuspol der Stromquelle, um den Stromkreis zu schließen den Stromkreis zu schließen.

Die Diode ist jetzt vorwärts voreingenommen. Notieren Sie die Temperatur des Raumes. Richten Sie nun das Netzteil + 5 Volt Gleichstrom durch die Schaltung zu füttern.

Da die Diode vorwärts voreingenommen ist, es sollte ein Strom durch die Schaltung und eine Spannung an der Diode fallen.

Schließen Sie als nächstes die Plusleitung von einem zweiten Multimeter auf die Anode der Diode und die Minusleitung auf der Kathode. Sicherzustellen, dass das Multimeter Voltmeter Modus und den Spannungsabfall zu messen. Beachten Sie auch, die aktuelle, wie durch das Amperemeter aufgezeichnet.

Nun, anpassen der Stromquelle, um einer anderen Spannung zu erzeugen und den entsprechenden Tropfen an der Diode mit dem Voltmeter und der Strom durch das Amperemeter mit aufnehmen.

Auch beachten Sie die Umgebungstemperatur für jede Lesung, und wiederholen Sie das Protokoll für eine Reihe von Diode Spannungen.

Sobald alle Messungen aufgezeichnet sind, trennen Sie das Voltmeter und schalten Sie die Stromversorgung. Halten alles das gleiche, drehen Sie die Diode, so dass die Anode und Kathode Verbindungen jetzt umgekehrt sind und die Diode in der reverse Bias-Modus verbunden ist.

Schalten Sie die Stromversorgung, und schließen Sie das Voltmeter an der Diode mit der Plusleitung des Multimeters an der Anode der Diode und die Minusleitung zur Kathode angeschlossen.

Nehmen Sie den Spannungsabfall über der Diode, die Temperatur und der Strom durch die Diode für verschiedenste Diode Spannungen auf. Schalten Sie die Stromversorgung und trennen Sie die Diode zu.

Zu guter Letzt verbinden Sie eine LED anstelle der Diode zu, und beobachten Sie die LED in forward und reverse Bias Konfigurationen für verschiedenste Spannungsabfälle.

Mit dem Protokoll nun abschließen Sie, betrachten Sie wir die Ergebnisse der beiden das vorwärts- und rückwärts-Bias Experiment über die Diode und die LED. Berechnen Sie zunächst, den Strom durch die Diode für die verschiedenen Spannung sinkt unter Verwendung der Gleichung Shockley Diode und die Hersteller zur Verfügung gestellt Isat Wert. Zum Beispiel kann für eine Temperatur von 293 Kelvin und einer gemessenen Diode Spannung von 555 Milli-Volt, der Strom durch die Diode zu 0,913 Milli-Ampere berechnet werden.

Typische Ergebnisse für die Schaltung-Messungen mit der Diode in vorwärts- und Voreingenommenheit verbunden sind in der Tabelle aufgeführt. Die berechneten und gemessenen Strom wird als Funktion der gemessenen Diode Spannung geplottet. Dies nennt man die "Kennlinie" der Diode.

Die Grafik zeigt die exponentielle Abhängigkeit der gemessenen und berechneten Ströme auf der Diode Spannung. Insbesondere wird festgestellt, dass wenn die Diode nach vorn voreingenommen ist, es den Strom ermöglicht durch.

Aber wenn die Diode ist umgekehrte voreingenommen, kein Strom fließt, wodurch es ein Ventil, das Strom nur in eine Richtung erlaubt. Der kleine Strom, der immer noch gelingt, fließen, auch wenn die Diode Sperrrichtung, ist, ist die aktuelle Sättigung.

Halbleiter bilden die Grundlage für die gesamte Elektroindustrie, angefangen bei der einfachen LEDs in unsere TV-Displays auf die komplexen Super-Computer verwendet für wissenschaftliche Zwecke der Datenverarbeitung verwendet.

Halbleiter sind nicht nur gebrauchte Build p-n Verzweigungen oder Dioden, aber auch Transistoren, die n-p-n oder p-n-p-Kreuzungen. Diese Transistoren sind die Grundlage der modernen Elektronik, wie sie verwendet werden können, 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, wie notwendig, um komplexere Operationen wie digitale Addition und Multiplikation. Es kann sogar zur Computer-Prozessoren und Speicher zu bauen.

Halbleiter-Materialien können auch zur Erzeugung von Licht für Anwendung in der optischen Elektronik. Eine Leuchtdiode oder LED Licht ist beispielsweise ein pn-Übergang, das Licht aktiviert. Wenn es eine geeignete Spannung zugeführt wird, rekombinieren Elektronen mit Löchern im Inneren des Gerätes, die Freisetzung von Energie in Form von Licht.

Hergestellt aus Halbleitern LEDs sind weitere energieeffiziente Lichtquellen als die herkömmliche Glühbirne. Daher LEDs haben Anwendungen gefunden, in der Umwelt- und Arbeitsplatzbeleuchtung, elektronische zeigt und fortschrittliche Kommunikationstechnologie.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Halbleitern beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Grundlagen der Halbleiter und Grundsätze, Funktionsweise und Eigenschaften des p-n-Übergang. Danke fürs Zuschauen!

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