PRÀCTICA X

10. CARACTERÍSTICA I(V) D’UN DÍODE SEMICONDUCTOR

Resum. En aquest treball es mesura la característica I(V) d’un díode semiconductor pn tant en connexió directa com en inversa. S’estudia seguidament un díode Schottky en el qual s’observa que presenta un llindar de conducció en directa més petit que el del díode pn. Finalment s’analitza un díode Zener, que té la particularitat de conduir corrent en inversa quan la tensió inversa aplicada supera un determinat valor (tensió de Zener).

10.1. Fonament

Un díode semiconductor típic està format per un cristall de Si, amb una zona de tipus p i una zona de tipus n. La difusió dels dos tipus de portadors (forats en el Si tipus p i electrons en el Si tipus n) provoca l’aparició, en la zona d’unió, d’una càrrega espacial amb un camp elèctric elevat (barrera de potencial) que contraresta i equilibra la difusió dels portadors. Quan la zona p es polaritza positivament respecte a la zona n, l’altura de la barrera (el camp elèctric a la unió) disminueix i el corrent circula amb facilitat pel díode. En aquesta situació es diu que el díode està en polarització directa. Quan la polarització aplicada al díode és la contraria, polarització inversa, la barrera de potencial augmenta i el corrent pràcticament no passa a través del díode.
La relació entre la tensió V i la intensitat I del díode ve donada per:

| (1)

on I0 és l’anomenat corrent de saturació del díode en invers, k és la constant de Boltzmann, q és la càrrega de l’electró, T és la temperatura absoluta i n és el factor d’idealitat, que depèn de cada díode (típicament, 1 < n < 2). Si la tensió aplicada en directa és prou gran (> 0,1 V), 1 admet l’aproximació:

| (2)

El díode Schottky està format per la unió d’un semiconductor i un metall, que actua com a material n. Empíricament es caracteritza per començar a conduir per a tensions més petites que el pn.
El díode Zener es caracteritza perquè, en pol·larització inversa i a partir d’una certa tensió (anomenada tensió de Zener, VZ), condueix corrent.

10.2. Dispositiu experimental

3 d íodes: pn, Schottky i Zener
1 resistència de 100 ohms (per a limitar el corrent)
1 placa de connexions
1 font d’alimentació DC
2 multímetres (un mesura I, i l’altre, V)

10.3. Procediment experimental

Figura 1. Circuit per a la mesura de la característica I(V) d’un díode en directa. En inversa cal permutar les connexions de la font i modificar la connexió del voltímetre (vegeu el text).

Munteu el circuit amb el díode pn de Si segons l’esquema de la figura 1. La resistència de 100 Ω en sèrie amb el díode limita la intensitat del corrent que dóna la font.
Obteniu la característica I(V), tant en directa com en inversa. Cal que tingueu present que, en directa, quan el corrent s’incrementa ràpidament amb la tensió aplicada (> 0,5 V en el díode pn), les lectures I(V) cal fer-les a intervals de tensió petits. Vigileu que el corrent sigui com a màxim de 100 mA. En inversa, el díode condueix un corrent molt petit, per la qual cosa haureu de connectar el voltímetre i l’amperímetre segons l’esquema b de la figura 1 de la pràctica «Connexió d’aparells de mesura».
Repetiu les mesures per al díode Schottky i el díode Zener. En aquest darrer cas i en inversa, tingueu en compte que cal que arribeu a la zona de conducció inversa.

Vegeu les imatges de la pràctica

10.4. Elaboració de l’informe

En el full de laboratori representeu en una mateixa gràfica, amb escales lineals, els punts experimentals I(V) mesurats per als tres díodes.
Les característiques directa i inversa es representaran en escala lineal en una gràfica de 4 quadrants on s’observarà la petitesa del corrent invers, el llindar de conducció en directa, a partir de la qual el díode condueix apreciablement.
A fi i efecte d’observar el comportament exponencial de la corba I(V) en directa del díode pn de Si, representeu-la en una gràfica amb escala semilogarítmica. Determineu la recta que millor s’ajusti als punts experimentals i deduïu el corrent I0 i el coeficient n de l’exponencial. Feu el mateix per al díode Schottky.
Responeu les qüestions formulades al full de laboratori.