8497

Исследование P-N перехода

Книга

Физика

Исследование p-n перехода Методические указания содержат три основных раздела: теорию, описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы. В теоретической части изложены: зонная теория электропроводности твердого тела, выпрямляющее дей...

Русский

2013-02-12

2.3 MB

56 чел.

Исследование p-n перехода

Методические указания содержат три основных раздела: теорию, описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы.

В теоретической части изложены: зонная теория электропроводности твердого тела, выпрямляющее действие контакта полупроводников р-типа и n-типа.  

Экспериментальная часть работы заключается в исследовании р-n перехода, снятии вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов. Для подготовки к защите работы приведены контрольные вопросы.

Методические указания предназначены для студентов технических специальностей всех форм обучения.

Методические указания разработаны в рамках инновационно-образовательной программы «Инновационный научно-образовательный комплекс на Дальнем Востоке России».

ВВЕДЕНИЕ

Курс физики в вузе знакомит студентов с основными физическими явлениями, их механизмами, закономерностями и практическими приложениями. Роль физического практикума велика, потому что в лабораторной обстановке студент может воспроизвести явление и изучить его.

Лабораторная работа «Исследование р-n перехода»  знакомит студентов с физическими процессами, происходящими в р-n переходе. На свойствах p-n перехода основан принцип работы полупроводниковых приборов – полупроводниковый диод. Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диоды, используемые в электрических устройствах для преобразования тока в ток одной полярности, называются выпрямительными.

Изучив теоретический материал, приведённый в работе, и выполнив лабораторную работу, студент должен усвоить:

  •  понятия зонной теории (зона проводимости, валентная и запрещенная зоны, донорные и акцепторные уровни);
  •  механизм возникновения проводимости в полупроводниках, (используя кристаллическую решетку и зонную диаграмму);
  •  физические процессы, происходящие в р-n переходе;
  •  работу  полупроводникового диода, основанную на использовании
    р-п перехода.

Полупроводниковые диоды применяют в радиотехнике, в устройствах автоматики, в вычислительной технике, в устройствах передачи и отображения информации и др.

Полупроводниковые диоды отличаются от своих электронно-вакуумных аналогов большей долговечностью, меньшими размерами и массой, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому они практически вытеснили их из многих областей применения.

Данное методическое указание написано для выполнения лабораторной работы, установка которой приобретена по инновационной образовательной программе ДВГУПС.

Лабораторная работа.
Исследование р-
n перехода

Цель работы:

1. изучить зонную теорию электропроводности твердого тела.

2. снять и построить вольт-амперную характеристику твердого выпрямителя (германиевого и кремниевого диодов).

3. определить коэффициент выпрямления.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Зонная теория

Атом представляет собой сложную электрическую и энергетическую систему. По модели Розерфорда–Бора атом состоит из положительного массивного ядра, вокруг которого обращаются электроны. Электроны в данном атоме могут находиться только на определенном расстоянии от ядра, т.е. могут обладать только определенной энергией, или как говорят, могут находиться только на определенных дозволенных энергетических уровнях. В каждом атоме в зависимости от его сложности существует своя собственная структура энергетических уровней.

Схема энергетических уровней, например, в атоме водорода имеет следующий вид (рис. 1). Здесь Е0 соответствует энергии электрона, удаленного из атома в бесконечность. В других атомах схема энергетических уровней будет тем сложней, чем больше электронов в атоме.

На каждом энергетическом уровне может быть, согласно принципу Паули, не более двух электронов. Схема энергетических уровней в данном атоме не зависит от того, заполнены уровни электронами или нет, т. е. не зависит от того, возбужден атом или нет. (Атом, став ионом, схему уровней изменяет).

Рассмотрим изменение энергетических уровней при сближении двух атомов (рис. 2). Например, при сближении двух атомов калия. Полная схема уровней калия очень сложна и полностью мы ее не приводим: выберем лишь три уровня (рис. 2).

Здесь уровень А полностью заполнен, уровень В – частично, а уровень С – вакантный. В образующемся при сближении атомов коллективе (молекула К2) коллективные уровни не остаются прежними, каждый уровень расщепляется на два, так как в противном случае на одном уровне оказалось бы более двух электронов, например, на уровне А, что противоречит принципу Паули. На уровни В окажется лишь два электрона, и хотя это не противоречит принципу Паули, тем не менее он расщепляется тоже на два уровня (В' и В"), т.е. как это было указано выше, схема уровней не зависит от того, заполнены они или нет.

При сближении N атомов каждый уровень расщепляется на N подуровней (рис. 3). Схема N уровней образует так называемую зону уровней, так например, зоны А, В и С. Зоны могут быть полностью заполнены (зона А), частично (зона В) или не заполнены (зона С). Заметим, что если уровень в атоме был полностью заполнен, например уровень А, то и зона А будет полностью заполненной. Если уровень В был заполнен частично (1 электрон на уровне), то и зона В будет заполнена лишь на половину. Вакантным уровням соответствую и вакантные зоны. (Имеется в виду, что атомы при этом находятся в нормальном, невозбужденном состоянии).

1.2. Собственные и примесные полупроводники

1.2.1. Собственные полупроводники

От структуры зон и их заполнености электронами зависят электрические свойства кристалла.

Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относятся ряд химически чистых элементов (германий, кремний, селен и т. д.) и многие химические соединения (арсенид галия – GaAs, арсенид индия – InАs, карбит кремния – SiC  и т. д.).

Структура зон собственного полупроводника приведена на рис. 4.

В собственном полупроводнике при температуре 0 К электроны заполняют все энергетические уровни в валентной зоне,  уровни же зоны  проводимости  свободны (рис. 4). Эти зоны разделены запрещенной зоной, ширина которой Eз может быть от сотых долей до 2–3 эВ. Благодаря этому при 0 К в отсутствие других внешних воздействий (освещения, облучения радиоактивным излучением и т. д.) полупроводник не проводит электрический ток.

1.2.2. Примесные полупроводники

В природе идеально химически чистых кристаллов не существует, в них всегда имеются какие-либо примеси, которые приводят к увеличению концентрации тех или иных носителей зарядов.

В применяемые полупроводниковые материалы, при выращивании кристаллов умышленно, добавляют примеси других элементов, приводящих к нарушению равенства nn = np и соответственно к преобладанию одной проводимости над другой во много раз.

Примесные атомы создают свои собственные энергетические уровни Епр, получившие названия примесных уровней. Эти уровни могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника на различных расстояниях от вершины валентной зоны и дна зоны проводимости. 

Рассмотрим на примере типичного германиевого полупроводника образование примесных уровней.

Введем в решетку четырехвалентного германия пятивалентные атомы, например, мышьяка (As), тогда из пяти его валентных электронов в связях с четырехвалентной решеткой кристалла германия будут участвовать только четыре электрона. Пятый электрон будет «лишним», он будет слабо удерживаться атомом мышьяка. На схеме энергетических уровней ему соответствует особый, так называемый, донорный уровень, расположенный вблизи зоны проводимости. Двухмерную модель кристалла смотрите на рис. 5, а. Для отрыва электронов от атомов мышьяка, т. е. для перевода электрона с донорного уровня в зону проводимости, требуется ничтожная энергия. Донорные (донор – дающий) уровни будут давать электроны в зону проводимости (рис. 5, б).

На месте ушедшего электрона образуется «замороженная дырка», т. е. положительный ион As, он жестко связан с решеткой и не может в ней перемещаться. Электроны же находясь в междоузлии кристалла свободно перемещаются в нем. Под действием электрического поля они обретают упорядочное движение, т. е. возникает ток. Таким образом, носителями тока будут лишь электроны. Такие кристаллы, обладающие лишь электронной проводимостью, называются кристаллами n-типа.

Если ввести в четырехвалентный кристалл Ge трехвалентные атомы, например, атомы In (Индия), то в кристалле образуется дырочная проводимость. Схема уровней для этого случая и двухмерная модель кристалла приведена на рис. 6, а, б. Как видим атом индия, может недостающий электрон принять от соседнего атома германия (из заполненной зоны), но там образуется «дырка», которая будет хаотически перемещаться в кристалле.

Такие кристаллы, с носителями тока – «дырками», называются кристаллами р-типа.

Атом In, приняв электрон, становится отрицательным ионом, жестко связанным с решеткой, поэтому не способен участвовать в токе.

Кристаллы р-типа как и кристаллы n-типа при этом электрически нейтральны.

1.3. Выпрямляющее действие контакта
полупроводников р-типа и n-типа

Полупроводники р-типа и n-типа проводят ток в обоих направлениях одинаково.

Принцип работы диода основан на свойствах p-n перехода. Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется р-n-переходом.

В области p-n-перехода возникает электрическое поле, которое препятствует переходу электронов из n- в р-область, а дырок обратно, что обеспечивает выпрямляющие свойства p-n-перехода.

Буквы p и n – первые в латинских словах positiv – «положительный», и negativ – «отрицательный». Область p-типа исходного полупроводника
т
акого прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа – катодом (отрицательным электродом) диода.

Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов.

Практически р-n-переход осуществляется не механическим контактом двух разных полупроводников, а внесением донорных и акцепторных примесей в разные части чистого полупроводника.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n-переходе (рис. 6).

Пусть два полупроводника с различным типом электропроводности соприкасаются друг с другом. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут дифференцировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок будет происходить в обратном направлении (р → n).

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается некомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов донорной примеси. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется объемный отрицательный заряд неподвижных ионов акцепторной примеси. Объемные заряды создают двойной электрический слой, поле которого напряженностью  препятствует дальнейшему встречному движению электронов и дырок (рис. 7). Для носителей тока возникает непреодолимый при обычных температурах потенциальный барьер. Контактный слой является для них запирающим слоем, имеющим повышенное сопротивление.

- дырка
- электрон

Рис. 7. р-n-переход при отсутствии внешнего поля

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля.

Если приложенное в р-n-переходу внешнее электрическое поле  направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику (рис. 8), т. е. совпадает с полем контактного слоя по направлению, то основные носители тока уходят от границы р-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет.

Рис. 8. Возникновение запирающего слоя в р-n-переходе

Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-n-переход практически не проходит. Ток в запирающем слое образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к р-n переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 9), то оно вызовет движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют (соединяются), толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются.

Рис. 9. Прямое пропускание тока

В этом случае электрический ток, обусловленный движением основных носителей заряда, проходит сквозь р-n-переход от р-полупроводника к n-полупроводнику. Такое направление тока называют пропускным (прямым).

Таким образом, р-n-переход обладает односторонней проводимостью.

На рис. 10 представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода.

Рис. 10. Вольтамперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода

Когда к n-области присоединяют отрицательный полюс источника, сила тока быстро увеличивается с ростом напряжения (прямое направление, ему соответствует правая ветвь ВАХ).

Когда к n-области присоединяют положительный полюс источника, р-n-переход пропускают только малый ток неосновных носителей. Лишь при очень большом напряжении сила тока резко возрастает, что обусловлено электрическим пробоем перехода (обратное направление, левая ветвь ВАХ).

При включении в цепь переменного тока р-n-переходы действуют как выпрямители.

Устройство, содержащее один р-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Условное обозначение полупроводникового диода:

В конце XIX в. устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 г. Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованного от греческих корней «di» – два, и «odos» – путь.

Под коэффициентом выпрямления понимают величину численно равную отношению тока прямого направления к току обратного направления. При этом напряжение тока на диоде, как для прямого, так и для обратного направления должно быть одним и тем же. Если токи прямого и обратного направления известны при одном и том же направлении, то коэффициент выпрямления определяется формулой:

.

При изменении напряжения изменяется и коэффициент выпрямления, т. е. К = f (U). График этой функции f (U) и предлагается получить в этой работе.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Основой экспериментальной установки является цифровое измерительное устройство, предназначенное для регулировки и измерения напряжения и тока. Кнопки «+», «-» и «Сброс» предназначены для изменения абсолютного значения напряжения, подаваемого на исследуемый диод. Кнопки «ВАХ – ВФХ» и «Прямая – обратная» переключают режимы работы измерительного устройства. Цифровые индикаторы показывают текущие значения напряжения и тока или емкости р-n-перехода. Индикатор тока/емкости снабжен указателем предела измерения (мА, мкА, пФ).

К измерительному устройству может подключаться объект исследования – прозрачный контейнер с установленными в нем диодами и переключателем.

Рис. 11.  Внешний вид экспериментальной установки:
а – цифровое измерительное устройство; б – прозрачный
контейнер с установленными в нем диодами и переключат
елем

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Установите на измерительное устройство выданный вам объект исследования (Б) прозрачной стороной вверх.

2. Подключите измерительное устройство к сети и включите его тумблером, расположенным на его задней панели.

3. Переключателем, расположенным на объекте исследования, включите в цепь германиевый диод Д 7.

4. Кнопками «ВАХ – ВФХ» и «Прямая – обратная» установите режим работы для снятия прямой вольтамперной характеристики.

5. Изменяя кнопками «+» и «-» напряжение от нуля до 0,10 В через 0,01 В, далее -через 0,05 В, снимите вольтамперную характеристику диода – зависимость тока через диод от напряжения. Данные с установки занесите в табл. 1.

6. Кнопкой «Прямая – обратная» установите режим работы для снятия обратной вольтамперной характеристики.

7. Действуя аналогично п. 5, снимите обратную ветвь вольтамперной характеристики. Данные с установки занесите в табл. 1.

При измерении тока обращайте внимание на указатель диапазона измерения.

Таблица 1

Германиевый диод

п/п

Прямое направление

Обратное направление

+U

+I

-U

-I

1

2

3

4

5

6

7

8

Примечание. Измерительное устройство снабжено токовой защитой, не позволяющей устанавливать ток больше 10 мА и напряжение больше 30 В.

8. Переключателем, расположенным на объекте исследования, включите в цепь кремниевый диод КД 521 или КД 226.

9. Повторите пп. 4–7. Данные с установки занесите в табл.2.

Таблица 2

Кремниевый диод

п/п

Прямое направление

Обратное направление

+U

+I

-I

-U

1

2

3

4

5

Из данных полученных при снятии вольт-амперной характеристики для кремниевого диода вычислить значение сопротивления диода в прямом направлении тока Rпр. По данным табл.2 построить график зависимости .

9. По данным табл. 1 и табл. 2 построить график вольт-амперной характеристики обоих диодов в одной системе координат.

Примечание. Цены деления масштаба, откладываемые по осям указывать обязательно.

10. Из полученных данных при снятии вольт-амперной характеристики для германиевого диода выбирают отсчеты, имеющие одинаковое значение напряжения, как в прямом, так и в обратном, направлении. Данные заносим в табл.3.

Таблица 3

п/п

U

Iпр

Iобр

1

2

3

4

По данным табл. 3 построить график зависимости .

11. По окончании измерений выключите установку и сдайте объект исследования на хранение.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое собственный полупроводник? Как образуется полупроводник n-типа, р-типа? Что такое свободный электрон, дырка?

2. Что такое основной и неосновной носитель тока? От чего зависит их концентрация в полупроводниках?

3. Объяснить механизм проводимости в кристаллах n и р-типов.

4. Как необходимо подключить источник тока к диоду, чтобы по нему тек прямой ток; обратный? Объяснить физические процессы, происходящие в р-n переходе.

5. Написать формулу коэффициента выпрямления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Епифанов, Г. И. Физика твердого тела. учеб. пособие для втузов.
– М. : Высшая школа, 1977. – 288 с.

2.   Трофимова, Т. И. Курс физики. – М. : Высшая школа, 1990. – 478 с.

3.   Савельев, И. В. Курс общей физики. – М. : Наука, т. 3, 1979. – 304 с.

4.   Бушманов, Б. Н., Хромов, Ю. А. Физика твердого тела. учеб. пособие для втузов. – М. : Высшая школа, 1971. – 224 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4

1.1. Зонная теория 4

1.2. Собственные и примесные полупроводники 6

1.2.1. Собственные полупроводники 6

1.2.2. Примесные полупроводники 6

1.3. Выпрямляющее действие контакта  полупроводников
      р-типа и n-типа 8

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 11

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 12

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 14

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 15


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61348. Складання таблиці множення числа 3. Знаходження значень виразів на дії різного ступеня 19.03 KB
  Яке число залишилось без виразу Добутком яких чисел воно є б бліцтурнір Скільки крил у чотирьох горобців Скільки ніг у п’яти страусів Скільки вух у шести мавп Скільки разом крил у восьми гусей і одного горобця...
61349. Основи технології писанкарства. Орнаменти писанкарства. Символи в писанкарстві 4.18 MB
  Символи в писанкарстві. Символи в писанкарстві. Згодом виникли символи неначе букви тієї чарівної мови. Символи в писанкарстві.
61350. План-конспект уроку, Групи слів за значенням: синоніми, антоніми, омоніми 24.62 KB
  Мета: поглибити знання учнів щодо синонімів, антонімів, омонімів; удосконалити вміння пятикласників відрізняти омоніми від багатозначних слів, правильно вживати їх у мовленні; навчити добирати фразеологічні синоніми...
61351. Людина і природа. Проблеми екології. Природні катаклізми. Введення лексики 72.63 KB
  МЕТА: Навчальна: ознайомити учнів з новою лексикою та активізувати її вживання в мові, розширити знання учнів про проблеми екології та навколишнього середовища, природні катаклізми; збагачувати словниковий запас учнів...
61353. Алюміній. Положення в ПСХЕ. Будова атому. Основні хімічні властивості 57.63 KB
  Цілі уроку: Надати інформацію про історію відкриття та добування алюмінію. Ознайомити з фактами біографії видатних вчених пов’язаних з дослідженням алюмінію.
61354. Релаксация на уроках немецкого языка на начальном этапе обучения 38.3 KB
  Современный урок иностранного языка характеризуется большой интенсивностью и требует от учеников концентрации внимания, напряжения сил. Хорошо известно, что внимание учащихся, особенно в V—VI классах неустойчиво.
61355. Использование компьютерных технологий при изучении иностранного языка 41.75 KB
  Преимущества и недостатки обучения иностранного языка с помощью ПК. Но этот метод обучения еще не оценен по достоинству. В своей работе я докажу что ПК может быть использован как вспомогательное средство как любое другое техническое средство обучения или учебник.
61356. Гидденс Э. Устроение общества: Очерк теории структурации 835 KB
  Основанием для написания настоящей книги является ряд важных открытий и разработок, которые имели место в общественных науках в течение последнего полутора десятка лет. Эти открытия концентрировались главным образом в области социальной теории, и в максимальной степени затронули самую опасную