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

57562. Поезія і музика - це завжди неповторність, якийсь безсмертний дотик до душі... 84.5 KB
  Діти сьогодні у нас незвичайний урок. Учитель музики Діти з давніхдавен люди захоплювались не лише барвами природи а й її неповторними звуками і намагались наслідувати їх у своїх музичних творах. Учитель Дійсно вершиною художньої зображальності Вівальді...
57563. Інтегрований урок: Математика. Народознавство 58 KB
  Мета: Закріпити навички додавання і віднімання круглих десятків і сотень, навчити додавати трицифрові числа виду 520+340, вдосконалювати вміння розв’язувати розширені задачі на зведення до одиниці...
57564. Математично-географічна подорож з тем «Раціональні числа» і «Гідросфера» 70.5 KB
  Навчальна: навчити застосовувати знання з тем Додатні і відємні числа Координатна пряма Модуль Порівняння чисел до розвязування задач з географічним змістом; сформувати поняття болото показати причини їх утворення...
57565. Мовою математики про природу 92.5 KB
  Узагальнити й систематизувати навички виконання арифметичних дій з багатоцифровими числами; закріпити вміння розвязувати задачі, рівняння; вдосконалювати навички роботи з іменованими числами; збагачувати знання учнів цікавинками про природу. Розвивати логічне мислення, память, пізнавальні інтереси учнів...
57566. Traditional Chinese medicine 104.5 KB
  TCM therpy lrgely consists of Chinese herbl medicine cupuncture dietry therpy nd tui n mssge. Prior to this Chinese medicine ws minly prcticed within fmily linege systems. The term Clssicl Chinese medicine CCM usully refers these medicl prctices tht rely on theories nd methods dting from before the fll of the Qing Dynsty 1911.
57567. Використання вбудованих функцій під час опрацювання табличних даних із застосуванням до розв’язування економічних задач. Бінарний урок з інформатики та економіки 256 KB
  Мета: сформувати первинні навички використання розрахункових функцій; розвивати логічне мислення; формувати акуратність та уважність у введенні складних формул.
57568. Інтегрований урок Психологія і ОБЖ. Умій володіти собою 64 KB
  Визнати що інша людина унікальна і бачить світ поіншому. Сівши зручно в крісло заплющивши очі розслабивши тіло людина проговорює про себе формули навіювання формули залежать від того чого людина прагне досягти...
57569. Перетворення симетрії у просторі. Симетрія в природі і будівництві 179.5 KB
  Використовуючи комп’ютер на уроках математики, слід пам’ятати, що комп’ютер лише засіб, який допомагає в навчанні, що він не повинен звільнити учня від роздумів. Комп’ютер повинен звільнити учня тільки від механічної знайомої роботи і звільнити час для роздумів та творчого пошуку.
57570. Тригонометричні функції числового аргументу 93 KB
  Мета уроку: Навчальна: Закріпити знання і вміння учнів застосувати тригонометричні формули для спрощення тригонометричних виразів; Розвиваюча: розвивати увагу, логічне мислення, пам’ять, культуру математичного мовлення...