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

81484. ЛПНП и ЛПВП - транспортные, формы холестерина в крови, роль в обмене холестерина. Гиперхолестеринемия. Биохимические основы развития атеросклероза 110.43 KB
  Содержание холестерола и его эфиров в ЛППП достигает 45; часть этих липопротеинов захватывается клетками печени через рецепторы ЛПНП которые взаимодействуют и с апоЕ и с апоВ100. Транспорт холестерола в составе ЛПНП. Рецепторы ЛПНП. На ЛППП оставшиеся в крови продолжает действовать ЛПлипаза и они превращаются в ЛПНП содержащие до 55 холестерола и его эфиров.
81485. Механизм возникновения желчнокаменной болезни (холестериновые камни). Применение хенодезокеихолевой кислоты для лечения желчнокаменной болезни 103 KB
  Выделение холестерола в жёлчь должно сопровождаться пропорциональным выделением жёлчных кислот и фосфолипидов удерживающих гидрофобные молекулы холестерола в жёлчи в мицеллярном состоянии У большинства больных желчнокаменной болезнью активность ГМГКоАредуктазы повышена следовательно увеличен синтез холестерола а активность 7αгидроксилазы участвующей в синтезе жёлчных кислот снижена. В результате синтез холестерола увеличен а синтез жёлчных кислот из него замедлен что приводит к диспропорции количества холестерола и жёлчных кислот...
81486. Общая схема источников и путей расходования аминокислот в тканях. Динамическое состояние белков в организме 134.22 KB
  Значение аминокислот для организма в первую очередь определяется тем что они используются для синтеза белков метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и внешней средой. Аминокислоты непосредственно участвуют в биосинтезе не только белков но и большого количества других биологически активных соединений регулирующих процессы обмена веществ в организме таких как нейромедиаторы и гормоны производные аминокислот. Аминокислоты служат донорами азота при синтезе всех азотсодержащих небелковых...
81487. Переваривание белков. Протеиназы - пепсин, трипсин, химотрипсин; проферменты протеиназ и механизмы их превращения в ферменты. Субстратная специфичность протеиназ. Экзопептидазы и эндопептидазы 110.2 KB
  Подавляющее их количество входит в состав белков которые гидролизуются в ЖКТ под действием ферментов протеаз пептидщцролаз. Под действием всех протеаз ЖКТ белки пищи распадаются на отдельные аминокислоты которые затем поступают в клетки тканей. Источником Н является Н2СО3 которая образуется в обкладочных клетках желудка из СО2 диффундирующего из крови и Н2О под действием фермента карбоангидразы карбонатдегидратазы: Н2О СО2 → Н2СО3 → НСО3 H Диссоциация Н2СО3 приводит к образованию бикарбоната который с участием специальных...
81488. Диагностическое значение биохимического анализа желудочного и дуоденального сока. Дать краткую характеристику состава этих соков 109.1 KB
  Анализ желудочного сока является очень важным методом исследования больных с заболеваниями желудка кишечника печени желчного пузыря крови и пр Составная часть Единицы СИ Азот: небелковый 143 343 ммоль л мочевины и аммиака 499 999 ммоль л аминокислот 143 57 ммоль л Хлориды 1551 ммоль л Свободная хлористоводородная кислота 20 ммоль л Мочевая кислота 476 1189 мкмоль л Калий 56 353 мэкв л ммоль л Натрий 313 1893 мэкв л ммоль л Общая кислотность 4060 ммоль л Свободная соляная кислота 2040 ммоль л Связанная соляная кислота...
81489. Протеиназы поджелудочной железы и панкреатиты. Применение ингибиторов протеиназ для лечения панкреатитов 115.09 KB
  Протеолитические ферменты трипсин химотрипсин эластаза карбоксипептидазы А и В выделяются панкреацитами в неактивном состоянии что предотвращает самопереваривание клеток. Трипсин. Трипсиноген и трипсин получены в кристаллическом виде полностью расшифрована их первичная структура и известен молекулярный механизм превращения профермента в активный фермент. В опытах in vitro превращение трипсиногена в трипсинкатализируют не только энтеропептидаза и сам трипсин но и другие протеиназы и ионы Са2.
81490. Трансаминирование: аминотрансферазы; коферментная функция витамина В6. Специфичность аминотрансфераз 144.39 KB
  Из реакции переноса NH2 наиболее важны реакции трансаминирования . 346 относится к альдиминам или шиффовым основаниям во время реакции аминокислота 1 вытесняет остаток лизина и образуется новый альдимин 2. На второй частиреакции те же стадии протекают в противоположном направлении: пиридоксаминфосфат и вторая 2кетокислота образуют кетимин который иэомеризуется в альдимин. Механизм реакции трансаминирования открыт в 1937 году советскими учеными А.
81491. Аминокислоты, участвующие в трансаминировании; особая роль глутаминовой кислоты. Биологическое значение реакций трансаминирования. Определение трансаминаз в сыворотке крови при инфаркте миокарда и болезнях печени 119.25 KB
  Определение трансаминаз в сыворотке крови при инфаркте миокарда и болезнях печени. Чрезвычайно широкое распространение трансаминаз в животных тканях у микроорганизмов и растений их высокая резистентность к физическим химическим и биологическим воздействиям абсолютная стереохимическая специфичность по отношению к Lаминокислотам а также высокая каталитическая активность в процессах трансаминирования послужили предметом детального исследования роли этих ферментов в обмене аминокислот. Таким образом трансаминазы катализируют опосредованное...
81492. Окислительное дезаминирование аминокислот; глутаматдегидрогеназа. Непрямое дезаминирование аминокислот. Биологическое значение. 248.67 KB
  Непрямое дезаминирование аминокислот. Дезаминирование аминокислот реакция отщепления αаминогруппы от аминокислоты в результате чего образуется соответствующая αкетокислота безазотистый остаток и выделяется молекула аммиака. Безазотистый остаток используется для образования аминокислот в реакциях трансаминирования в процессах глюконеогенеза кетогенеза в анаплеротических реакциях для восполнения убыли метаболитов ОПК в реакциях окисления до СО2 и Н2О.