3794

Изучение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, знакомство с работой одно- и двухполупериодного выпрямителя. Задача: Построить вольт-амперные характеристики германиевого и меднозакисного диодов. Оценить коэффициенты ...

Русский

2012-11-07

90 KB

48 чел.

Цель работы: изучение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, знакомство с работой одно- и двухполупериодного выпрямителя.

Задача: 1. Построить вольт-амперные характеристики германиевого и меднозакисного диодов. Оценить коэффициенты выпрямления и сопротивления прямого и обратного токов диодов.

2. Определить КПД схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямления, исследовать осциллографом полученные кривые.

Приборы и принадлежности: источник питания, электронный осциллограф, вольтметр, амперметры, германиевый и меднозакисный диоды, схемы выпрямителей.

Внимание! Так как в работе используется высокое напряжение, необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

ВВЕДЕНИЕ

Принцип действия полупроводниковых диодов основан на свойствах электронно-дырочного перехода, который создают внутри полупроводника путем введения в одну его часть акцепторной примеси, а в другую – донорной. Тогда одна область имеет дырочную р, а другая – электронную n-проводимость.

Вследствие избыточной концентрации электронов в n-области и дырок в р-области происходит диффузия основных носителей через контакт. Рекомбинация электронов и дырок приводит к образованию в приконтактной области двойного электрического слоя: на границе n-области возникает нескомпенсированный электронами объемный заряд положительных ионов донорной примеси, а на границе р-области нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Эта область объемного заряда и есть (р - n)-переход. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте.

В состоянии равновесия суммарный ток, созданный движением основных и неосновных носителей тока через (р - n)-переход, равен нулю.

Подключение к (р - n)-переходу внешнего напряжения прямой полярности (плюс со стороны р-полупроводника, минус со стороны n-полупроводника) приводит к уменьшению электрического поля двойного слоя и его сопротивления. Число основных носителей тока, способных проникнуть через (р - n)-переход, растет, поток неосновных носителей тока не изменяется. Через контакт идет ток в прямом направлении. Причем внешнее напряжение нарушает равновесие, так что уровни Ферми обеих областей смещаются друг относительно друга. При прямом напряжении уровень Ферми в р-области располагается ниже, чем n-области.

Внешнее поле обратной полярности складывается с внутренним электрическим полем двойного слоя, тогда для тока основных носителей возникает большое сопротивление. Через контакт идет ток обратного направления. При некоторой величине обратного напряжения переход основных носителей тока через контакт прекращается, тогда обратный ток создается неосновными носителями и достигает своего насыщения.

Неодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлении позволяет использовать (р - n)-переходы для выпрямления переменного тока, т. е. при приложенном переменном напряжении осуществляется односторонняя проводимость. Зависимость тока через (р - n)-переход от приложенного к нему напряжения, называемая его вольт-амперной характеристикой, изображена на рис. 1.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диода

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Для исследования вольт-амперной характеристики германиевого и меднозакисного диодов в работе используются приборы для измерения силы тока и напряжения. Электрическая схема включения диодов приводится на рис. 2. Исследуемый диод через переключатель П1 и двухполюсный переключатель П2 подключается через переменное сопротивление R к источнику напряжения 5 В. Переключатель П1 изменяет полярность включения диода, при этом через диод идет ток в прямом или обратном направлении. Падение напряжения на диоде измеряется вольтметром. Прямой ток измеряется миллиамперметром, а обратный – микроамперметром.

Рис. 2. Схема подключения диодов

По вольт-амперной характеристике диода можно определить: 1) коэффициент выпрямления диода; 2) сопротивления прямого и обратного перехода. Под коэффициентом выпрямления рассматривают отношение величины прямого тока к обратному при одинаковых значениях прямого и обратного напряжений. Сопротивление диода определяется в прямом  и в обратном  направлениях.

Для исследования одно- и двухполупериодного выпрямления используются приборы для измерения тока и напряжения, электронный осциллограф. Электрическая схема включения приведена на рис. 3. Исследуемое выпрямленное напряжение снимается с сопротивления R в положении переключателя П1 – Vс. В положении переключателя П1 – V0 на вольтметр подается напряжение с выхода трансформатора (переменное).

Рис. 3. Схема одно- и двухполупериодного выпрямителя

С помощью переключателя П2 включается схема одно- или двухполупериодного выпрямления. Для наблюдения вида зависимости выпрямленного тока от времени в схеме предусмотрены гнезда для подключения электронного осциллографа.

коэффициент полезного действия выпрямителя выражается отношением

,

где V0, I0 – эффективные переменные напряжение и ток; Vс, Iс – выпрямленные напряжение и ток.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Изучении вольт-амперной характеристики

германиевого и меднозакисного диодов

Включить установку в сеть (см. рис. 2). Переключатель П2 в положении Ge.

  1.  Для измерения прямого тока Iпр переключатель П1 замыкают на клеммы 1 – 2, в схему измерений включается миллиамперметр.
  2.  Установить переменным сопротивлением минимальное значение напряжения.
  3.  Записать показания вольтметра и миллиамперметра.
  4.  Равномерно увеличивая напряжение, снять зависимость Iпр от Vпр (5 – 10 значений).
  5.  Для измерения обратного тока Iоб замкнуть П1 на клеммы 3 – 4, при этом в схему измерений включается микроамперметр.
  6.  Установить переменным сопротивлением минимальное значение напряжения.
  7.  Записать показания вольтметра и микроамперметра.
  8.  Равномерно увеличивая напряжение, снять зависимость Iоб от Vоб.
  9.  Переключить П2 в положение Cu2О, проделать для меднозакисного диода измерения пп. 1 – 8.
  10.  Построить вольт-амперные характеристики диодов.
  11.  Получить оценки коэффициента выпрямления для диодов.
  12.  Получить оценки сопротивления прямого и обратного перехода диодов.
  13.  Сделать выводы.

Задание 2. Изучение работы одно- и двухполупериодного выпрямителя

  1.  С помощью переключателя П2 включить схему однополупериодного выпрямителя.
  2.  Переключателем П1 подать на сопротивление R напряжение с выхода трансформатора V0.
  3.  Записать показания амперметра и вольтметра.
  4.  Переключателем П1 подать на сопротивление R выпрямленное напряжение Vс.
  5.  Записать показания амперметра и вольтметра.
  6.  Определить КПД схемы однополупериодного выпрямления.
  7.  С помощью переключателя П2 включить схему двухполупериодного выпрямителя.
  8.  Повторить пп. 3 – 7.
  9.  Исследовать осциллографом кривые подводимого и выпрямленного напряжений и зарисовать их форму.
  10.  Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Объясните на энергетической диаграмме (р - n)-перехода, как изменяется высота барьера (р - n)-перехода при приложении к нему внешнего напряжения (прямого и обратного).
  2.  Объясните особенности вольт-амперной характеристики диода.
  3.  Назовите преимущества и недостатки полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными.
  4.  Почему энергетические уровни изолированных атомов в кристалле расщепляются в зоны?
  5.  Что называется зоной проводимости, валентной зоной?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1.  Савельев И. В. Курс общей физики : в 3 т. / И. В. Савельев. – М. : Наука, 1979. – Т. 3. 221 – 226 с.
  2.  Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. : Высш. шк., 1997. – 442 с.
  3.  Детлаф А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, В. М. Яворский. – М. : Высш. шк., 2003. – 530 с.
  4.  Бордовский Г. А. Общая физика: в 2 т. / Г. А. Бордовский, Э. В. Бурсиан. – М. : Изд-во ВЛАДОС-Пресс, 2001. – Т. 2. 168 с.

PAGE  3


V

I

V

АА

mА

П2

П1

Ge

Cu2O

5 В

+

+

+

2

1

4

3

А

П1

~ 220

V

Vc

V0

П2

Д1

Д2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81532. Регуляция энергетического метаболизма, роль инсулина и контринсулярных гормонов в обеспечении гомеостаза 107.55 KB
  Абсорбтивный период характеризуется временным повышением концентрации глюкозы аминокислот и жиров в плазме крови. Изменения метаболизма в печени в абсорбтивном периоде После приёма пищи печень становится главным потребителем глюкозы поступающей из пищеварительного тракта. Почти 60 из каждых 100 г глюкозы транспортируемой портальной системой задерживается в печени. Увеличение потребления печенью глюкозы не результат ускорения её транспорта в клетки транспорт глюкозы в клетки печени не стимулируется инсулином а следствие ускорения...
81533. Изменения метаболизма при сахарном диабете. Патогенез основных симптомов сахарного диабета 115.42 KB
  При недостаточности содержания инсулинавозникает заболевание которое носит название сахарный диабет: повышается концентрация глюкозы в крови гипергликемия появляется глюкоза в моче глюкозурия и уменьшается содержание гликогена в печени. При введении инсулина больным диабетом происходит коррекция метаболических сдвигов: нормализуется проницаемость мембранмышечных клеток для глюкозы восстанавливается соотношение между гликолизом и глюконеогенезом. В связи с этим при инсулярной недостаточности и сохранении или даже повышении...
81534. Патогенез поздних осложнений сахарного диабета (макро- и микроангиопатии, нефропатия, ретинопатия, катаракта). Диабетическая кома 108.17 KB
  Диабетическая кома. Диабетическая ретинопатия поражение сетчатки глаза в виде микроаневризм точечных и пятнистых кровоизлияний твёрдых экссудатов отёка образования новых сосудов. Диабетическая микро и макроангиопатия нарушение проницаемости сосудов повышение их ломкости склонность к тромбозам и развитию атеросклероза возникает рано поражаются преимущественно мелкие сосуды. Диабетическая полинейропатия чаще всего в виде двусторонней периферической нейропатии по типу перчаток и чулок начинающаяся в нижних частях конечностей.
81535. Регуляция водно-солевого обмена. Строение и функции альдостерона и вазопрессина 199.48 KB
  Основные гормоны участвующие в тонкой регуляции водносолевого баланса и действующие на дистальные извитые канальцы и собирательные трубочки почек: антидиуретический гормон АДГ альдостерон и предсердный натриуретический фактор ПНФ. Антидиуретический гормон Антидиуретический гормон АДГ или вазопрессин пептид с молекулярной массой около 1100 Д содержащий 9 аминокислот соединённых одним дисульфидным мостиком. АДГ синтезируется в нейронах гипоталамуса в виде предшественника препрогормона который поступает в аппарат Гольджи и...
81536. Система ренин-ангиотензин-альдостерон. Биохимические механизмы возникновения почечной гипертонии, отеков, дегидратации 105.02 KB
  Главным механизмом регуляции синтеза и секреции альдостерона служит система ренинангиотензин. Субстратом для ренина служит ангиотензиноген. Ангиотензиноген α2глобулин содержащий более чем 400 аминокислотных остатков.
81537. Роль гормонов в регуляции обмена кальция и фосфатов (паратгормон, кальцитонин). Причины и проявления гипо- и гиперпаратироидизма 106.8 KB
  Паратгормон Паратгормон ПТГ одноцепочечный полипептид состоящий из 84 аминокислотных остатков около 95 кД действие которого направлено на повышение концентрации ионов кальция и снижение концентрации фосфатов в плазме крови. Скорость распада гормона уменьшается при низкой концентрации ионов кальция и увеличивается если концентрация ионов кальция высока. Секреция ПТГ регулируется уровнем ионов кальция в плазме: гормон секретируется в ответ на снижение концентрации кальция в крови.
81538. Строение, биосинтез и механизм действия кальцитриола. Причины и проявление рахита 137.84 KB
  Действие гормона направлено на повышение концентрации кальция в плазме крови. Низкая концентрация фосфатов и ионов Са2 в крови также ускоряет синтез кальцитриола причём ионы кальция действуют опосредованно через паратгормон. Так например в клетках кишечника кальцитриол индуцирует синтез Са2переносящих белков которые обеспечивают всасывание ионов кальция и фосфатов из полости кишечника в эпителиальную клетку кишечника и далее транспорт из клетки в кровь благодаря чему концентрация ионов кальция во внеклеточной жидкости поддерживается на...
81539. Строение и секреция кортикостероидов. Изменения катаболизма при гипо- и гиперкортицизме 159.94 KB
  Гормоны коры надпочечников кортикостероиды. В коре надпочечников синтезируется более 40 различных стероидов различающихся по структуре и биологической активности. В коре надпочечников образуются предшественники андрогенов из которых наиболее активный дегидроэпиандростерон ДЭА и слабый андростендион. Самый мощный андроген надпочечников тестостерон синтезируется в надпочечниках в небольшом количестве.
81540. Регуляция синтезами секреции гормонов по принципу обратной связи 126.07 KB
  Поддержание уровня гормонов в организме обеспечивает механизм отрицательной обратной связи. Изменение концентрации метаболитов в клеткахмишенях по механизму отрицательной обратной связи подавляет синтез гормонов действуя либо на эндокринные железы либо на гипоталамус. Синтез и секреция тропных гормонов подавляется гормонами эндокринных периферических желёз.