2742

Изучение работы полупроводникового диода

Лабораторная работа

Физика

Изучение работы полупроводникового диода Приборы и принадлежности: лабораторная панель Полупроводниковый диод, источник постоянного тока Б5-48, универсальный измерительный прибор В7-40, электронный осциллограф. Введение. Кристаллическим...

Русский

2012-10-18

106 KB

89 чел.

Изучение работы полупроводникового диода

Приборы и принадлежности: лабораторная панель «Полупроводниковый диод», источник постоянного тока Б5-48, универсальный измерительный прибор В7-40, электронный осциллограф.

Введение.  Кристаллическим  (полупроводниковым)  диодом называется устройство,  содержащее  один  р-n-переход.

Электронно-дырочный переход  (сокращенно  р-n-переход) представляет  собой тонкий слой на границе между областями одного и того же кристалла,  отличающимися типом примесной проводимости.  Для создания такого перехода берут, например, монокристалл германия (элемент IV группы периодической системы) с электронным механизмом проводимости, обусловленной наличием соответствующей (донорной) примеси, и вплавляют с одной стороны “кусочек” индия (элемент III группы). Во время термической обработки в вакууме атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В этой области проводимость германия становится дырочной за счет атомов акцепторной примеси.  На рис. 1 показан ход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою.

Рассмотрим явления на границе раздела двух полупроводников с различными типами проводимости. Благодаря тому что в n-полупроводнике содержится некоторое количество свободных электронов, они начнут диффундировать в p-область и рекомбинировать с дырками. В результате возникает слой толщиной l в области  p-n-перехода,  лишенный подвижных носителей заряда (рис.2). Образовавшийся слой называется запирающим. Толщина  его в  практически важных полупроводниках имеет величину 10–4 –10–5 см.

                      

 Так как электроны из n-полупроводника переходят в р-полу-                    проводник, в области ab возникает избыточный положительный заряд, связанный с присутствием донорной примеси, в области bc – избыточный отрицательный заряд, обусловленный присутствием атомов акцепторной примеси. Таким образом, возникает двойной электрический слой, создающий внутреннее контактное электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через место контакта  и при некотором  значении Е0 наступает состояние равновесия. Контактная разность потенциалов составляет несколько десятых долей вольта. Такой потенциальный барьер могут преодолеть только электроны и дырки, обладающие большой кинетической энергией, соответствующей температуре в несколько тысяч градусов. Поэтому при нормальной температуре слой l является для них непроницаемым – имеющим очень большое электрическое сопротивление.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. В самом деле, присоединим к электронному полупроводнику положительный, а к дырочному – отрицательный полюсы источника тока (рис.3,а). Тогда напряженность внешнего поля Е, совпадающая по направлению с напряженностью Е, еще дальше отодвинет свободные электроны и дырки от места контакта полупроводников. При этом запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет, а ток через контакт не пойдет. Если говорить точнее, пойдет очень слабый ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводников, так как внешнее поле способствует переходу через запирающий слой не основных носителей тока: свободных электронов из дырочного полупроводника в электронный и дырок из электронного полупроводника в дырочный. Но концентрации свободных электронов в дырочном полупроводнике и дырок в электронном полупроводнике весьма малы. Поэтому в данном случае ток будет пренебрежимо мал. Направление n p, практически не пропускающее тока, называется запирающим (обратным) направлением.

Изменим теперь полярность приложенного напряжения (рис. 3,б). Тогда напряженность внешнего поля Е, направленная противоположно напряженности Е, будет перемещать свободные электроны и дырки навстречу друг другу. Запирающий слой сузится и его сопротивление уменьшится. При определенном значении приложенного внешнего напряжения сопротивление запирающего слоя станет равным сопротивлению самих полупроводников (запирающий слой исчезнет).  Через полупроводники пойдет сильный ток. Направление p  n, пропускающее ток, называется пропускным (прямым) направлением.

Таким образом, запирающий слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, подобно вакуумному диоду.

Целью данной работы является изучение вентильных свойств p-n-перехода на примере кристаллического диода.

Упражнение 1

Снятие вольт-амперной характеристики диода

 Измерения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ)  представляет собой график зависимости тока, протекающего через диод, от прикладываемого напряжения. Процесс снятия вольт-амперной характеристики полупроводникового диода разделен на две части в зависимости от полярности подаваемого на диод напряжения:  1)измерение в прямом направлении,  2) измерение в обратном направлении.

Для измерений в прямом направлении применяется принципиальная схема, изображенная на рис.4,а. Несмотря на то, что миллиамперметр показывает суммарный ток диода и вольтметра, последним можно пренебречь ввиду его малости (сопротивление вольтметра на много порядков больше сопротивления диода в прямом направлении).

1.Соберите электрическую цепь по блок-схеме на рис. 4,б. Миллиамперметр как измерительный прибор из нее исключен, так как величина тока в цепи диода задается стабилизированным источником питания ИП.

2.Установите кодовые переключатели на источнике тока Б5-48 на 8,5В и 0,01А. Дайте возможность преподавателю проверить собранную цепь.

3.Включите универсальный прибор В7-40 в сеть 220В. Нажмите кнопку U=  – измерение  постоянного напряжения, а также кнопку АВП – автоматический выбор предела измерения.

4.Включите источник питания Б5-48. Запишите показания вольтметра в таблицу при данном токе через диод ( 0,01A ). Увеличивая ток  от 0,01 до 0,09А, каждый раз записывайте показания вольтметра.

5.Закончив данную серию измерений, выключите все приборы.

Для того чтобы снять зависимость  тока диода от обратного напря-жения, используется принципиальная схема, представленная на рис.5,а.  Обратный ток диода сравним по величине с током вольтметра, поэтому микроамперметр включен таким образом, что показывает только ток диода.

Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 5,б. Здесь универсальный измерительный прибор В7-40 работает в режиме амперметра постоянного тока. Вольтметра как измерительного прибора в цепи нет, так как величина напряжения на диоде задается источником питания Б5-48.

1.Установите кодовые переключатели на источнике Б5-48 в положение 0,5В и 0,01А.

2.Включите  прибор   В7-40 в сеть 220В. Нажмите кнопку I= – измерение силы постоянного тока и кнопку АВП.

3.Включите источник питания Б5-48 и, изменяя напряжение на его выходе от 0,5В до 8,5В через 1В, записывайте показания приборов в таблицу.

4.Выключите все приборы.

Прямой           ток

Iпр,  мА

Прямое

напряжение

Uпр, В

Обратное

напряжение

Uобр, В

Обратный

ток

Iобр,  мкА

 Обработка результатов.  По данным таблицы постройте график зависимости тока диода от приложенного напряжения в одной системе координат (допускается применение разных масштабов для прямого и обратного тока в силу большой разницы между ними). Полученный график и есть вольт-амперная характеристика данного типа диода, построенная по экспериментальным точкам.


Упражнение 2

Наблюдение вольт-амперной характеристики диода

и его выпрямляющего действия на осциллографе

Как было сказано выше, полупроводниковые диоды позволяют применять их в качестве выпрямителей переменного тока и создавать на их базе источники постоянного тока. В данном упражнении предлагается пронаблюдать результат выпрямляющего действия диода на экране осциллографа.

Для этой цели на лабораторной панели имеется генератор переменного напряжения небольшой мощности Г, который начинает действовать при соединении его с источником питания Б5-48.

1.Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рис.6,а.

         2.На источнике питания установите 8,5В и 0,01А.На осциллографе

С1-94 все кнопки утопите, ручку В/ДЕЛ поставьте в положение 0,1, ручку ВРЕМЯ/ДЕЛ – в положение 0,2. Попросите лаборанта или преподавателя проверить правильность Ваших действий.

3.Включите осциллограф, а затем источник питания в сеть 220В.

4.На лабораторной панели нажмите кнопку “U”. Проследите по схеме (рис.6,б), что при этом на вертикальный вход осциллографа Y подается переменное напряжение, вырабатываемое генератором Г. Вы наблюдаете форму этого напряжения. Если изображение на экране неустойчивое, то устойчивости можно добиться с помощью ручек управления “Уровень” и “”. Срисуйте вид наблюдаемого сигнала, начертите координатные оси.

                           

5.Нажмите кнопку “I” на лабораторной панели (при этом кнопка U размыкается). В данном случае на вертикальный вход осциллографа подается напряжение с резистора R (см. схему на рис.6,б). Оно пропорционально току, протекающему через этот резистор, так что вид наблюдаемой кривой соответствует форме тока, протекающего через диод. Срисуйте эту осциллограмму, начертите оси координат.

Иногда на практике возникает необходимость выбрать из большой партии однотипных или близких по свойствам диодов несколько экземпляров с определенными признаками. В этом случае наиболее подходящим является способ, не связанный со снятием ВАХ по точкам в силу его длительности, но позволяющий быстро получать эту характеристику. Ниже мы предлагаем познакомиться с осциллографическим способом получения ВАХ, который не отличается большой точностью, но дает возможность получить качественный ответ просто и быстро.

       5.Нажмите кнопку “ВАХ” на лабораторной панели. При таком включении на горизонтальный вход осциллографа (ось Х) поступает переменное напряжение от генератора, которое одновременно подается и на диод.

На вертикальный вход (ось Y) подается  напряжение с резистора R, пропорциональное току диода. Луч осциллографа отклоняется в горизонтальном направлении на величину, пропорциональную приложенному к диоду напряжению, а в вертикальном – на величину, пропорциональную протекающему току. В результате возникает кривая зависимости тока диода от приложенного напряжения, т.е. его вольт-амперная характеристика [3]. Срисуйте и сравните полученную кривую с той, которую Вы построили по “точкам”.

Контрольные вопросы

1.Что такое полупроводники n- и p-типа?

2.Что такое p-n-переход и каковы его свойства? Что такое запирающий слой? С чем связано такое название?

3.Как устроен полупроводниковый диод? Что означает прямое и обратное направление включения диода?

4.Что общего между кристаллическим и вакуумным диодами и в чем различие?

5.Какие преимущества у кристаллического диода перед вакуумным и наоборот?

6.Почему при включении полупроводникового диода в обратном направлении ток через него не равен нулю? Существует ли обратный ток в вакуумном диоде?

7.Как получить ВАХ диода на экране осциллографа? В чем сходство и в чем отличие ВАХ, полученной на экране, с характеристикой, построенной «по точкам»?

8.Как получают постоянный ток из переменного с помощью полупроводниковых диодов?

Список рекомендуемой литературы

1.Калашников С. Г. Электричество. М.: Наука, 1977. С. 325—335.

2.Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1998. Кн.5. С. 242–250.

3.Физический практикум. Электричество и оптика. /Под ред. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1968. С. 206.

4.Перкальскис Б.Ш. Использование современных научных средств в физических демонстрациях. М.: Наука, 1971. С. 56-59.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39085. Понятие инструментальной системы для создания курсов ДОТ, преимущества и классификация. Описание структуры файловой системы Linux 21.75 KB
  Понятие инструментальной системы для создания курсов ДОТ преимущества и классификация. Инструментальные системы для создания курсов ДО ориентированы на пользователей тьюторов разработчиков курсов ДО. Преимущества инструментальных систем: существенно снижается время на разработку курсов; снижаются общие затраты организации на разработку и использование курсов ДО; обеспечивается современный уровень функциональных и коммуникационных возможностей и пользовательского графического интерфейса курсов; исключаются многие ошибки начинающих...
39086. Распределение прав доступа в Linux. Системные требования для развертывания СДО Moodle 27.66 KB
  Системные требования для развертывания СДО Moodle. Количество пользователей которые смогут пользоваться Moodle может быть ограничено производительностью сервера. Большинство предпочитают вебсервер pche но Moodle будет хорошо работать и с любым другим вебсервером который поддерживает PHP например IIS под Windows. Язык сценариев PHP обратите внимание что есть особенности установки Moodle с PHPccelertor.
39087. Дистанционные образовательные технологии: история и развитие в России. Учётные записи в Linux 45.52 KB
  А также необходимостью современной педагогики дать ответ на запрос общества по выработке новых педагогических средств обучения и воспитания в новой культурноинформационной среде. Глобальные изменения в информационнокультурной среде мы относим к макрофакторам способствующим появлению электронного обучения. Мезофакторами определяющими развитие электронного обучения являются современные философские культурологические психологические и педагогические теории отражающие современные реалии культуры.
39088. Алгоритм и программа генерации ключевой информации 1.65 MB
  Настоящая работа посвящена в первую очередь ГПСП, ориентированным на использование в системах защиты информации от случайных и умышленных деструктивных воздействий. Вначале рассматриваются общие принципы проектирования непредсказуемых ГПСП, требования к таким устройствам, описываются основные строительные блоки, используемые при их создании.
39089. Отраслевой резервноинвестиционный фонд развития энергетики ГКД 34. 273.78 KB
  Пересчет характеристик газообразного топлива Приложение В. Пересчет характеристик топлива Приложение Г. Состав и характеристики разных видов органического топлива Приложение Д.
39090. Чернобыль 49.44 KB
  Могло быть такое стечение обстоятельств случайным Исследования показали: не исключенная вероятность того что вибрационнонезащищенная система реактора 4го блока ЧАЭС в период работы в внештатной ситуации за 16 сек. Причина аварии по этой версии связывается не с конструктивными недостатками а с сбоем в работе электротехнического оснащения которое привело к отключению электродвигателей которые обеспечивают подачу воды для охлаждения реактора. Взрывы в 4м реакторе ЧАЭС сдвинули со своего места металлоконструкции верха реактора...
39092. Челябинская ТЭЦ-1 2.88 MB
  Технические характеристики ежегодно корректируют с учетом проведенных модернизаций оборудования а также изменившихся условий работы. На основе технических характеристик составляются режимные карты графики или таблицы экономических режимов работы оборудования цеха устанавливается распределение нагрузок между параллельно работающими турбогенераторами и очередности пуска и остановки агрегатов.Режимные карты и другие материалы по поддержанию экономических режимов работы оборудования доводятся до всего эксплуатационного персонала цеха.Перед...
39093. Чернобыльская авария – причины и последствия 1 MB
  Ко времени аварии на ЧАЭС использовались четыре реактора РБМК1000 реактор большой мощности канального типа с электрической мощностью 1000 МВт тепловая мощность 3200 МВт каждый. После аварии на 4м энергоблоке работа электростанции была приостановлена изза опасной радиационной обстановки. Радиоактивное облако от аварии прошло над европейской частью СССР Восточной Европой Скандинавией Великобританией и восточной частью США. Подход к интерпретации фактов и обстоятельств аварии менялся с течением времени и полностью единого...