Overview
ソース:デレク ・ ウィルソン、 Asantha Cooray、PhD、物理教室 & 天文学、物理的な科学の学校、カリフォルニア大学、アーバイン、カリフォルニア州
半導体は、電気電流を伝達する能力は、その温度と不純物のレベルによって強く決まる材料です。最も一般的な半導体材料は結晶シリコンです。最も純粋な半導体はない優れた導体です。伝導性を向上させる、純粋な半導体は頻繁に結合や」「不純物をドープしました。これらの不純物は、リンとヒ素がシリコンに電子を寄付、アクセプタ、ホウ素、アルミニウムのようなシリコンから電子を盗むなど、いずれかのドナーです。受容体は、シリコンから電子を取る、彼らは正荷電の電子として効果的に動作する「穴」と呼ばれる正の電荷の地域を残します。
P 型半導体は、材料に支配的な電荷キャリアが穴をドーピングするときに形成されます。N 型半導体は、半導体は、支配的な電荷キャリアが電子をドープしたときに形成されます。1 つは想像のとおり p 型半導体と n 型半導体の間の境界で pn 接合が形成されます。電子と正孔を接合部の相互作用は、ダイオード、トランジスタなどの回路部品に見られる驚くべき行動に上昇を与えます。この演習は、半導体ダイオードの形で単一 p-n 接合の特性について説明します。
Principles
P 型と n 型材料間の接合部、p 型半導体からの正孔と n 型半導体中のドナー不純物からの電子を組み合わせます。N 型半導体中のドナー不純物は電子を失い、正イオンとなります。P 型アクセプタ不純物は、否定的なイオンを形成、この電子を受け入れます。すぐに接合部を取り巻く「枯渇地域」電子と正孔欠乏になります。空乏領域の正イオンと n 型材料の領域が塗りつぶされます、p 型材料、マイナス イオンによって支配されます。肯定的なイオンは、マイナス イオンを撃退する接合部の p 型側から穴間離れて、接合部の n 型側の電子を撃退します。P-n 接合におけるイオンのビルドアップからの電界効果的にジャンクションを横切って流れる電子または穴を防ぎます。
ただし、強い十分な電圧が pn 接合に適用される場合、現在は再び流れを作ることが。場合は、肯定的な電圧降下は、電界イオンから力を克服することができるかもしれませんし、接合を横切る電子をプッシュすることができますし、ジャンクション (つまり、p 型材料から n 型材料に電圧の低下) に配置されます。接合部は、この場合「順方向バイアス」であると呼びます。逆に、印加電圧に余分な追加し、ジャンクション (つまり、p 型材料を n 型材料から電圧の低下) に否定的な電圧降下が適用される場合、イオンから、現在既存の反発への反発はフローできません。この構成では、接合部は「逆バイアス」現在は、p-n 接合を一方向にしか従ってフローできます。
ショックレーのダイオード方程式では、その温度と電圧降下の機能としてそれを渡って p-n 接合を流れる、電流について説明します。
(関係式 1)
どこ私座っては通常のアンペア (A)、 e現在の彩度は 1.602 10-19 Coulombs (C) に等しい電荷、 Vはボルト (V) のダイオードでの電圧降下、 nは無次元パラメーターで、1 から 2 に変化、ダイオードにおける形状不整のアカウント (n = 理想的なダイオードの 1)、ボルツマンの定数 1.38 10-23 m2 kg s-2 K-1は、、 Tはダイオード温度ケルビン (K) と。現在の彩度は、まだが場合でもダイオード逆バイアス フローなんとか微弱な電流です。1 つは現在の指数関数的に増加する肯定的な電圧と負電圧によっては指数関数的に、湿らせたことを見ることができます。また、強い温度依存性があります。現在の流れを減らす高温と低温を引き起こす増加する電流。
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Procedure
1 pn 接合半導体ダイオードの形での行動を観察し、その電流-電圧特性曲線を測定します。
- 半導体ダイオード、LED (発光ダイオード)、動力源、2 つのデジタル ・ マルチメータ、1 kΩ 抵抗、いくつかのバナナ ケーブルとコネクタ、および温度計を取得します。
- 半導体ダイオードを見てください。その端点の 1 つのバンドがあります。バンド側は「カソード」です。バンドなし側は「アノード」です。
- 任意の回路部品を接続する前に電源が消灯していることを確認します。バナナ ケーブルを使用すると、ダイオードのアノードに抵抗器の 1 つの側面および抵抗の他の側に電源の肯定的なターミナルを接続します。ダイオードのカソードに電流計モードでテスターを接続し、回路を完了する電源の負の端子に電流計のもう一方の端子を接続します。
- 部屋の温度を記録します。
- 5 V 直流を生成し、それをオンに電源供給を設定します。
- ダイオードのカソードに負の鉛アノードにマルチメータの正極リードを配置します。
- この構成では、ダイオードと見なされます順方向バイアス回路を流れる電流があるはず、マルチメータ、電圧を表示する必要があります。電圧と電流、マルチメータの表示を記録します。
- 異なる電圧を生成する電源を調整します。電圧とダイオードと直列にまだ接続する必要があります 2 つのマルチメータから現在の測定値を記録します。
- 電圧の範囲の複数回の前の手順を繰り返します。同様にそれぞれの繰り返しの中に周囲の温度を記録します。
- マルチメータを外し、電源をオフにします。これらの電圧が危険なレベルでは、それは常に安全回路部品を取り扱う際は、電源をオフにします。
- すべての接続とセットアップ同じダイオードを反転を除いて維持します。陰極、陽極だった前に接続されてとその逆陽極に接続されます。
- 電源をオン、ダイオード、ダイオードのアノードのマルチメータの正極リードとカソードに負のリードにマルチメータを再接続します。
- 現在表示されている新しい電圧を記録します。マルチメータの感度を調整する必要があります。ダイオードは今逆バイアス時のみ非常に小さい電流は回路を通過が許可されます。
- ショックレーのダイオード方程式を使ってダイオード、ダイオード温度電圧の機能として、ダイオードを通過する電流を計算します。仮定する私土= 4 10-10 a.
- 電源を切り、LED のダイオードを交換します。
- LED が 2 つのピンを持っています。長いピンが陽極と短いピンが陰極。順方向バイアスし、逆バイアス時の構成で LED を観察します。
- なお、電流だけが流れるので LED が順方向バイアスの場合 LED 順方向バイアス設定のときだけ点灯します、逆バイアス設定で暗くなります。
半導体は、エレクトロニクスをビルドに使用される広範囲で、世界の半導体産業の基礎です。
半導体は、銅や金のようなほとんどの金属と絶縁体の電気伝導度は通常、固体物質です。最も一般的な半導体材料は薄く、洗練されたウェーハのフォームで利用可能な作られている結晶シリコンです。
半導体は、p 型と n 型の 2 種類があります。これらは、隣同士におよび p-n 接合や p n トランジスタなどの半導体デバイスを構築するさまざまな構成で製造されています。各構成には、さまざまな電子デバイスで役に立つユニークな電気的特性が所有しています。
このビデオは半導体材料の基本的な原則とダイオードの形で p n 接合の特性を紹介します。次に、それは半導体のいくつかの実世界のアプリケーションに続いて、ダイオードの特性評価に段階的なプロトコルを示します。
最も純粋なまたは組み込み半導体、シリコンなどは顕著な電気伝導体ではありません。これは各シリコン原子は原子価または最も外側のシェルの 4 つの電子を持っているのでです。これらの電子を自由電子を欠いている格子構造の作成、共有結合を形成する隣接のシリコン原子と共有します。したがって、半導体がつくられるより導電性不純物の添加によるプロセスとして知られているドーピング、ドーピングまたは外因性半導体を形成します。
これらの不純物は、2 つのタイプ: ドナー ・ アクセプター。「寄付者」、リンおよびヒ素のようなその原子価殻で 5 つ電子があります。これらの 4 つは、隣接のシリコン原子と共有結合を形成するために使用されます。残りの 1 つの電子は自由に格子を移動です。不純物ドープ半導体、電子が主要な電荷キャリアであるのこのタイプは、n 型半導体と呼ばれます。
今、不純物がアルミニウム、ホウ素などの受容体分子の場合、結果は異なります。これらの受容体の原子価殻で唯一の 3 つの電子があります。したがって、アクセプター原子がフォーム債周囲のシリコン原子とそれは正荷電の電子として効果的に動作する「穴」と呼ばれる正の電荷の地域の背後にある葉します。穴は今、格子を移動する無料です。このタイプの穴に大半の電荷キャリア ドープされた半導体を p 型半導体と呼びます。
今、単一の半導体結晶やウェーハ上の領域はドナー原子をドープした、隣接地域はアクセプター原子をドープした pn 接合が形成されます。P と n の領域間のインターフェイスは、接合境界と呼ばれます。
接合部の境界で n 領域の過剰電子 p-領域に向かってびまんし、は p 領域の余分な穴を同時に n 領域に向かって拡散します。
この拡散の結果として p 領域のアクセプター原子となって不動の負荷電イオンに不動の肯定的なイオンになる n 地域でドナー原子。したがってで p と n の領域間の境界、「枯渇地域」は、携帯電話の電子が不足し穴が形成されます。
P 型の空乏領域でのマイナス イオンは、n 型の空乏領域で肯定的なイオンを撃退する n 領域に p 領域から拡散穴ながら p 領域に n 領域から拡散電子を撃退します。
つまり、空乏領域におけるイオンのビルドアップからの電界は効果的にジャンクションを横切って流れる電流をブロックします。ただし、現在は、交差点の間の電圧を適用することによってフローが再開可能です。
として知られている肯定的な電圧降下を適用した場合、「フォワード バイアス」、空乏領域の幅が減少するため、ために電子と正孔を飛び越えるジャンクション、とこのように電流が流れる構成領域の電界を低減しますします。
逆に、接合を横切る負の電圧ドロップを適用すると場合、として知られている「逆バイアス」、空乏領域の幅が増加し、。これは順番に領域の電界強度と電子の流れに対する抵抗を増加させるし、接合を横切る穴します。
電流が従って p-n 接合を一方向にのみ流れます。ショックレーのダイオード方程式は、ダイオードの電圧降下と温度の関数としてこの電流を計算する使用ことができます。ここでは、'e' は電子の電荷、' n ' 実際のダイオードが理想ダイオードを基準にして実行する方法を特徴づける理想係数 'Kb' はボルツマンの定数、'Isat' は逆バイアスをかけたときにもデバイスを流れる小さな電流。
今お知らせ基礎を完了した p-n 接合の特性評価にステップバイ ステップのプロトコルを確認します。最初に必要な材料・機器、すなわち半導体ダイオード、発光ダイオードまたは LED、電源、2 つのデジタル ・ マルチメータ、1 キロ オームの抵抗、いくつかのバナナ ケーブルとコネクタ、および温度計を取得します。
半導体ダイオードを見て、赤端子と黒の端子があることを確認します。黒のターミナルは陰極と呼ばれる、赤端子アノード。
次に、ダイオードの陽極のある直列に抵抗を接続します。その後、バナナ ケーブルを使用すると、抵抗器の未接続の端に電源の肯定的なターミナルを接続します。次にダイオードのカソードを電流計のプラス端子と回路を完成する回路を完成する電源の負の端子に電流計のマイナス端子に接続します。
ダイオードは、順方向バイアスでは今です。部屋の温度を記録します。次に、回路を介して +5 ボルトの直流を供給する電源ユニットを設定します。
ダイオードは順方向バイアス、必要があります、回路を流れる電流とダイオード降下電圧。
次に、ダイオードのアノードの 2 番目のマルチメータの正極リードとカソードに負のリード線を接続します。マルチメータ、電圧計モードと電圧降下を測定を確認します。なお、現在の電流計で記録されました。
今、異なる電圧を生成し、対応するドロップを記録、電圧計と電流計を使用してそれを流れる電流を使用してダイオード両端電源を調整します。
また、各読書のため周囲温度に注意してください、ダイオード電圧の範囲のプロトコルを繰り返します。
すべての測定値が記録されると、電圧計を外し、電源をオフにします。アノードとカソードの接続が逆に今、ダイオードは逆方向バイアス モードで接続されているダイオードを反転、同じ他のすべてを維持します。
電源オンし、ダイオードのカソードに負の鉛アノードに接続されたデジタルマルチメータの肯定的なリードで、ダイオードの両端間電圧計を接続し直します。
ダイオード、温度、ダイオードの電圧の範囲のダイオードに流れる電流の電圧降下を記録します。電源装置の電源を切り、ダイオードを外します。
最後に、ダイオードの代わりに LED を接続し、電圧降下の範囲のための前方および逆のバイアス構成で LED を観察します。
プロトコルは今完了、ダイオードと LED の両方を使用して前方および逆バイアスの実験の結果を確認してみましょう。まず、様々 な電圧のためダイオードを通過する電流をショックレーのダイオード方程式を用いた落下し、製造元提供 Isat 値を計算します。たとえば、0.913 ミリ アンペアを 293 ケルビンの温度と 555 ミリ ボルトの測定ダイオードの電圧は、ダイオードに流れる電流を計算できます。
前方および逆バイアスに接続されているダイオード回路測定の典型的な結果は、テーブルに表示されます。現在の計算結果と測定は、測定ダイオード電圧の関数としてプロットされます。これがダイオードの「特性曲線」と呼ばれます。
プロットは、ダイオードの電圧の測定と計算の両方の電流の指数依存性を示しています。具体的には、ダイオードが偏りのある前方を通過する電流ができるようにそれが観察されます。
しかし、とき、ダイオードは逆バイアス、電流流れる効果的にことをのみ一方向に電流の流れを可能にするバルブ。まだ流れ、ダイオードは、逆バイアス時にもなんとか小さな電流は飽和電流です。
半導体は、科学的なデータ処理を目的に使用される複雑なスーパー コンピューターに私たちのテレビの表示で使用される単純な Led に至る全体のエレクトロニクス業界の基盤を形成します。
半導体は、だけでなく、使用されるビルドの p-n 接合またはダイオードが、また n p であるトランジスタまたは p n 接合。これらのトランジ スターは、AND、OR など基本的なブール論理演算を実行することができます回路である論理ゲートや NAND を構築する使用することができますすべての現代のエレクトロニクスの基礎です。デジタル加算や乗算などのより複雑な操作を実行する必要に応じて、これらの論理演算を結合できます。このユーティリティを使用すると、コンピューターのプロセッサとメモリを構築することもできます。
半導体材料は、光エレクトロニクス アプリケーションのための光を生成する使用できます。たとえば、発光ダイオードまたは LED はアクティブになったときに光を発する p-n 接合です。それに適切な電圧を適用すると、光の形でエネルギーを放出、デバイス内の穴と電子が再結合します。
半導体から作られる Led は、従来の白熱電球よりもより多くのエネルギー効率の高い光源です。したがって、Led は環境にアプリケーションを発見した、タスク照明、電子表示し通信技術を高度な。
ゼウスの半導体入門を見てきただけ。半導体と原理、仕組み、pn 接合の特性の基本を理解する必要がありますようになりました。見てくれてありがとう!
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Results
回路測定の典型的な結果は表 1のとおりです。ショックレーのダイオード方程式は、それを渡って、ダイオードと電圧降下の温度の関数として、ダイオードを流れる電流をについて説明します。2,930億 K、555 の mV、ダイオード、任意 (しかし代表) の電圧理想係数 n の温度 = 1.5、
すべての測定電圧ダイオードに流れる電流が計算されます。(電圧の関数として現在) のダイオードの特性曲線は、図 1にプロットされます。電圧、電流の指数依存性がはっきり見えます。ときの順方向バイアス ダイオードにより、電流が流れます。ときに逆バイアスのみ顕微鏡飽和電流流れることができる、事実上ダイオードのみ一方向に電流の流れを可能にするバルブ。
表 1: 結果。
| 電圧 (V) | 測定温度 (K) | 測定電流
(mA) |
計算された電流 (mA) |
| 0.555 | 2,930億 | 0.372 | 0.913 |
| 開く 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 | 2,930億 | 0.0011 | -4 * 10-7 |
| -0.695 | 292.9 | 0.0008 | -4 * 10-7 |
図 1:ショックレーのダイオード方程式から理論的なポイントは、青です。測定データ ポイントは、赤があります。任意の理想係数 n = 1.5 は、ショックレーのダイオード方程式で使用されていた。ダイオードの真の理想係数が既知の場合、計測値と理論値の間に不一致が消えます。
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Applications and Summary
この演習は、半導体の pn 接合半導体ダイオードのフォームのプロパティを検討しました。ダイオードは、1 つの pn 接合から成る回路コンポーネントです。ダイオードの特性曲線を測定し、, ダイオードは一方向にしか電流を導くに観察されました。LED には、巡回を実施するとともに光を発する p-n 接合の特殊なタイプが含まれています。
半導体は、エレクトロニクス業界で広く使用されています。半導体ダイオードにはトランジスタは n p と p n 接合から作られている間単一 p-n 接合ではのみが含まれて隣同士に直接、2 つの p n 接合。半導体トランジ スターは、ほぼすべての現代の電子機器の基礎です。彼らは、AND、OR など基本的なブール論理演算を実行することができます回路である論理ゲートや NAND を構築する使用できます。これらの論理演算は組み合わせて加算や乗算などのより複雑な操作を実行することが、コンピューターのプロセッサとメモリを構築する使用もできます。半導体から作られる Led は、従来の白熱球根よりもより多くのエネルギー効率の高い光源です。
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