Вольт-амперная характеристика p-n-перехода
Зависимость силы тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения называется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ p-n-перехода является нелинейной и теоретически определяется формулой:
, где I0 – ток неосновных носителей заряда, q – заряд электрона, Т– абсолютная температура, k–постоянная Больцмана. Величина I0 зависит от материала, в котором создан p-n-переход, площади p-n-перехода, температуры.
ВАХ реальных диодов несколько отличается от теоретической зависимости вследствие того, что объем полупроводника и контакты диода обладают сопротивлением и ряда других причин. В области высоких обратных напряжений Uпроб происходит пробой p-n-перехода. Теоретическая ВАХ (пунктир) и реальная ВАХ (сплошная линия) полупроводникового диода представлены на рис.5.
Порядок выполнения работы
1. Подключите сетевой шнур измерительного устройства к сети и включите установку выключателем СЕТЬ на задней панели измерительного устройства (при этом на индикаторах В и мА мкА пФ должны установиться нули и светить индикаторы ВАХ и ПРЯМАЯ (допускается индикация до значения 2 младшего разряда)).
2. Дать погреться в течение 5 мин.
3. В случае применения измерительного устройства ФПК06 переключателем образцов, выберите образец диода(p-n перехода), характеристики которого будут исследоваться.
4. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «-» необходимые значения напряжения на p-n переходе и считывая при этом с индикатора мА мкА пФ значения прямого тока через переход, подготовьте данные для построения прямой ветви ВАХ. По окончании измерении нажмите кнопку СБРОС. Данные запишите в таблицу 1. примечание: при достижении значения тока 50мА следует прекратить измерения, так как при этой величине (она является максимальной) источник питания p-n перехода переходит в режим ограничения тока.
Таблица 1
| № | Образец | Данные для ВАХ в пропускном режиме работы диода | ||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| I, мА | ||||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| I, мА | ||||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| I, мА |
5. Нажмите кнопку ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ для включения режима подготовки данных для построения обратной ветви ВАХ. При этом погаснет индикатор ПРЯМАЯ и будет светиться индикатор ОБРАТНАЯ.
6. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «-» необходимые значения напряжения на p-n переходе и считывая при этом с индикатора мА мкА пФ значения обратного тока через переход, подготовьте данные для построения обратной ветви ВАХ. По окончании измерении нажмите кнопку СБРОС. Данные запишите в таблицу 2. примечание: при достижении значения напряжения – 30В следует прекратить измерения, так как при этой величине (она является максимальной) источник питания p-n перехода переходит в режим ограничения напряжения.
Таблица 2
| № | Образец | Данные для ВАХ в обратном режиме работы диода | ||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| I, мкА | ||||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| I, мкА | ||||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| I, мкА |
7. Нажмите кнопку ВАХ-ВФХ для включения режима подготовки данных для построения ВФХ. При этом погаснет индикатор ВАХ и будет светиться индикатор ВФХ.
8. Устанавливая с помощью кнопок «+» и «-» необходимые значения напряжения на p-n переходе и считывая при этом с индикатора мА мкА пФ значения емкости перехода, подготовьте данные для построения ВФХ. По окончании измерений нажмите кнопку СБРОС. Данные запишите в таблицу 3.
Таблица 3
| № | Образец | Данные для ВФХ | ||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| С,пФ | ||||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| С,пФ | ||||||||||||
| U, B | ||||||||||||
| С,пФ |
9. Нажмите кнопку ВАХ-ВФХ и ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ для режима подготовки данных для построения прямой ветви ВАХ. При этом должны засветиться индикаторы ВАХ и ПРЯМАЯ.
10. Подключите к измерительному устройству второй объект исследования (в случае использования объекта исследования ФПК06 переключателем образцов, расположенным на его передней стенке, выберите следующий образец диода (p-n перехода), характеристики которого будут исследоваться.
11. Повторите действия по пп. 4-9 с целью подготовки данных для построения характеристики второго образца.
12. Подключите к измерительному устройству третий объект исследования (в случае использования объекта исследования ФПК06 переключателем образцов, расположенным на его передней стенке, выберите следующий образец диода (p-n перехода), характеристики которого будут исследоваться.
13. Повторите действия по пп 4-9. с целью подготовки данных для построения характеристики третьего образца.
14. Построить ВАХ диода на одном графике в прямом и обратном направлениях. Масштаб Uпр и Uоб должен быть одинаков, а масштаб Iпр и Iоб различен. При построении ВАХ Uпр и Iпр откладывают на положительных осях, Uоб и Iоб - отрицательных. Нацденные значения можно записать в таблицу:
| Напряжение | U, B | ||||||
| Прямой ток | Iпр, А | ||||||
| Обратный ток | Ioбр, A | ||||||
| Коэффициент выпрямления | k |
15. Аналогично построить графики ВФК
16. Для нескольких значений напряжения, например, 0,05; 0,15; 0,3 В подсчитать коэффициент выпрямления 
при одном и том же напряжении на диоде
17. Построение ВАХ и ВФХ для прямых и обратных режимов работы диода выполнить на одной системе координат I,C(U) с указанием единиц измерения.
18. По окончании работы необходимо отключит питание установки выключателем СЕТЬ.
Контрольные вопросы
1. Поясните понятие энергетическая зона.
2. Опишите классификацию твердых тел по зонной теории.
3. Охарактеризуйте виды полупроводников и их проводимостей.
4. Какой прибор называется полупроводниковым диодом ?
5. Поясните физические процессы, происходящие в p-n переходе.
6. Как зависит сопротивление запирающего слоя в зависимости от внешнего электрического поля ?
7. Поясните ВАХ p-n-перехода.
Лабораторная работа ФПК-7