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

23408. Етапи розробки комп’ютерної імітаційної моделі системи 106 KB
  Такие системы являются продуктом мышления человека. Примером абстрактных систем могут служить формальные математические модели системы математических уравнений системы счисления теории системы принципов и взглядов в той или иной области т. Закрытых систем в природе не существует и в этом плане они могут рассматриваться как абстрактные системы. Такие модели весьма удобны и эффективны но не все реальные системы строго могут описываться в рамках абстрактных математических моделей.
23409. Мови та інструментальні засоби ІМ і CASE-технології 160.5 KB
  Вивчення основних понять моделювання комп’ютерних мереж, ознайомлення з поняттями системи та моделі, співвідношенням між моделлю та системою, класифікацією моделей, видами моделей, технологію моделювання
23410. Сучасні інструментальні засоби ІМ 229.5 KB
  Одним из наиболее эффективных современных инструментов имитационного моделирования является средство Arena разработчик компания Systems Modeling. Пакет Arena позволяет строить ИМ систем проигрывать их и анализировать результаты имитации. Arena снабжена удобным объектноориентированным интерфейсом и обладает возможностями адаптации к различным предметным областям. Основа технологий применяемых в Arena язык SIM AN и система Cinema Animation [10].
23411. Моделювання систем та мереж зв’язку на GPSS 185.5 KB
  Кожний оператор GPSS PC ставиться до одному із чотирьох типів: операториблоки оператори визначення об'єктів що управляють оператори й операторикоманди.ОператориБлоки формують логіку моделі. В GPSS PC є близько 50 різних видів блоків кожний з яких виконує свою конкретну функцію. За кожним з таких блоків коштує відповідна підпрограма транслятора а операнды кожного блоку служать параметрами цієї підпрограми.
23412. Сучасний етап розвитку імітаційного моделювання 168 KB
  Із розвитком високопродуктивних обчислювальних систем розширились можливості імітаційного моделювання великомасштабних моделей. Основні переваги використання методів і засобів паралельного імітаційного моделювання: підвищення швидкодії імітаційних програм
23413. Загальні положення методології дослідження та проектування складних систем 80 KB
  Элемент простейшая неделимая часть системы отвечающая предельно детальному рассмотрению системы в рамках решаемой задачи. Целостность эмерджентность важнейшая характеристика системы которая проявляется в том что в процессе взаимодействия элементов входящих в состав системы появляется принципиально новое качество свойство которым не обладает ни один из входящих в систему элементов.Целевое назначение системы цель системы желаемый и потенциально достижимый результат который может быть получен в процессе функционирования...
23414. Формалізація та моделювання 161 KB
  Формализация и моделирование Модель это искусственно создаваемый объект заменяющий некоторый объект реального мира объект моделирования и воспроизводящий ограниченное число его свойств. Понятие модели относится к фундаментальным общенаучным понятиям а моделирование это метод познания действительности используемый различными науками. Объект моделирования широкое понятие включающее объекты живой или неживой природы процессы и явления действительности. В экспериментальных научных исследованиях используются натурные модели которые...
23415. Дослідження роботи дешифратора (демультиплексора) 271 KB
  Мета роботи: Ознайомитися з роботою дешифратора демультиплексора у різних режимах роботи. Практично перевірити таблиці істиності дешифратора демультиплексора. Зібрати схему для дослідження дешифратора 3х8 в основному режимі за рис.
23416. Дослідження роботи мультиплексора 314.5 KB
  Мета роботи: Ознайомитися з роботою мультиплексора у різних режимах роботи. Практично перевірити таблиці істиності мультиплексора. Зібрати схему для дослідження мультиплексора за рис.