Изучение электрических свойств полупроводникового диода.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

1. Источник электрической энергии.
2. Полупроводниковый диод.
3. Амперметр.
4. Вольтметр.
5. Магазин сопротивления R₂.
6. Реостат R₁.

7. Ключ и соединительные провода.

8. Миллиметровая бумага.

Цель работы:

1. Убедиться на опыте в односторонней проводимости электрического тока полупроводникового диода.

2. Получить данные и по ним построить вольт - амперную характеристику (ВАХ) прямого тока через полупроводниковый диод.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Проводимость полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Дело в том, что в проводниках при наличии примесей наряду с собственной проводимостью, которая обусловлена генерацией пары свободных носителей заряда электрон-дырка, возникает дополнительная — примесная проводимость. Изменяя концентрацию примесей, можно до 10 раз увеличивать проводимость по сравнению с собственной проводимостью проводника. Причем можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей электрического заряда.

Примесный полупроводник с преимущественно электронной проводимостью называется полупроводником n-типа. Примеси, легко отдающие электроны и увеличивающие число свободных электронов, называют донорными примесями.

В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки - не основными.

Примесный полупроводник с преимущественно дырочной проводимостью называется полупроводником р-типа. Примеси, атомам которых для образования нормальных парноэлектроннных связей с соседними атомами недостает электрона, и увеличивают число свободных дырок, называют акцепторными примесями. Основными носителями заряда в полупроводнике р - типа являются дырки, а не основными — электроны.

рис. 1

Граница 00 в кристалле полупроводника (см. рис. 1), в котором одна половина является полупроводником n - типа, а другая р - типа, называется электронно-дырочным переходом. Вокруг (р - n)-перехода образуется переходной слой АВ толщиной порядка 1 мкм, в котором, благодаря диффузии электронов в р - область и дырок в n-область, устанавливается контактная разность потенциалов порядка 1В, прекращающая дальнейшую диффузию основных носителей заряда из одной половины кристалла в другую. При этом в слое АВ возникает внутреннее электрическое поле, направленное от n к р. В этом случае почти нет свободных носителей зарядов. Поэтому слой АВ обладает очень большим сопротивлением по сравнению с другими частями кристалла.

рис. 2

Наиболее интересные явления возникают при включении (р - n)-перехода в электрическую цепь. Если (р - n)-переход включить в цепь так, как показано на рис. 2, то внешнее поле Е будет направлено против внутреннего поля, ослабит его и через переход потечёт большой ток, образованный движением основных носителей заряда: из области п в область р — электронами, а из области р в область n - дырками. Вследствие этого проводимость кристалла велика, а сопротивление мало. В целом ток течет от р к n области и называется прямым .При прямом токе его сила очень быстро возрастает с увеличением напряжения и закон Ома здесь неприменим.

Если теперь поменять полярность на полупроводнике и включить его так, как показано на рис. 3, то внешнее поле Е будет усиливать внутреннее поле. Сопротивление (р-n)-перехода еще более возрастет, и через него будет течь очень малый по величине ток. Это обусловлено тем, что теперь дырки могут перемещаться из п области в р, а электроны из р области в n область. Но ведь эти носители для этих областей являются не основными, число мало в соответствующих областях кристалла, поэтому ток будет очень малым. Его называют обратным током. При обратном включении (р-n)-перехода его сопротивление очень велико и через переход течет обратный ток в десятки тысяч раз меньший, чем при прямом включении. Образуется так называемый запирающий слой на границе (р-n)-перехода.

Вольтамперные характеристики(ВАХ) прямого и обратного токов представлены на рис. 4. Из рисунка видно, что (р-n)-переход работает подобно вентилю, т.е. пропускает ток в одном направлении (переход открыт, течет большой прямой ток) и не пропускает его в обратном направлении (переход закрыт, течет очень малый обратный ток).

Это свойство кристалла с (р-n)-переходом позволяет использовать его в цепи переменного тока как выпрямитель. Он так и называется полупроводниковый выпрямитель или полупроводниковый диод.

2. ХОД РАБОТЫ.

1. Составить цепь по схеме, приведенной на рис. 5. Обратите внимание на то, чтобы отметка «+» на диоде была обращена к полюсу «+» на источнике электроэнергии.

В этом случае диод будет включен в прямом (пропускном) направлении.

Напряжение на диод подается с потенциометра , и измеряется вольтметром, с пределом измерения 1,5 В. Сила прямого тока измеряется амперметром с пределом измерения 0,5 А:

2. Увеличивая напряжение на диоде таким образом, чтобы стрелка вольтметра каждый раз перемещалась на 5-10 делений, начиная с нулевой отметки. Запишите не менее 12 показаний вольтметра и соответствующие им показания амперметра.

3. Показания приборов занести в таблицу.

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Цена одного деления амперметра = …

Цена одного деления вольтметра = …

Сила тока I Цена деления

Деления шкалы

Величина тока, А

Напряжение U Цена деления

Деления шкалы

Величина напряжения, В

4. Включите диод в обратном (запорном) направлении. Для этого в собранной схеме поменяйте полярность на диоде, т.е. отметку «+» диода подключить к полюсу "-" источника электроэнергии[22].

5. Увеличивая напряжение на диоде до максимально возможного в схеме значения, убедитесь в отсутствии тока в цепи[23].

6. Отключите цепь от источника и разберите.

7. По данным таблицы построить ВАХ полупроводникового диода для прямого тока на миллиметровой бумаге[24].

8. Сделайте вывод по всем результатам работы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ.

1. Кристаллы, каких веществ обычно используются для изготовления полупроводниковых диодов?

2. Какие вещества используются в роли донорной примеси, а какие в роли акцепторной?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО УРОВНЯ.

3. Какие меры предосторожности надо выполнять при включении полупроводникового диода в цепь?

4. Соответствует ли полученная зависимость силы прямого тока от напряжения закону Ома?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

5. Как изменились бы показания амперметра при использовании прямого тока, если бы в лаборатории резко повысилась температура?

6. Что можно ожидать при повышении обратного напряжения до 300 - 500 В? Почему?

Лабораторная работа № 12.