20

5. Обчисліть внутрішній опір джерела струму

.

I

U

r







6. Використавши дані про клас точності амперметра і вольтметра, визначте

максимальну відносну похибку результату: .

U

U

I

I

r

r





















.

7. Визначте максимальну абсолютну похибку r

r

 і запишіть значення

внутрішнього опору джерела струму з урахуванням похибки вимірювання r



.

8. Результати вимірювань і обчислень запишіть у таблицю.

, В

I, А U, В R, Ом ∆r, Ом h, % ∆h, % ɛ

r

ɛ

h

9. За результатами досліджень зробіть висновок.

Контрольні запитання

1. Чому покази вольтметра різні при розімкнутому і замкнутому вимикачі?

2. Чому не можна безпосередньо точно виміряти ерс джерела? Як можна

підвищити точність вимірювання ЕРС джерела?

3. Яке мінімальне значення може мати напруга на клемах джерела струму,

використаного в роботі?

21

Лабораторна робота №8

Тема: Зняття вольт-амперних характеристик напівпровідникового діоду.

Мета: Ознайомлення з принципом роботи і будовою напівпровідникового діода.

Обладнання: ПК, Electronics Workbench.

Теоретичні відомості

За значенням питомого електричного опору напівпровідники займають проміжне

положення між хорошими провідниками і діелектриками. До напівпровідників належать

багато хімічних елементів (германій, кремній, селен, теллур, миш'як та ін.), величезна

кількість сплавів і хімічних сполук.

Атоми германію на зовнішній оболонці мають чотири слабо пов'язаних електрона. Їх

називають валентними електронами. У кристалічній решітці кожен атом оточений

чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентним,

тобто здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить

двом атомам (рис. 1). Валентні електрони в кристалі германію пов'язані з атомами

набагато сильніше, ніж в металах; тому концентрація електронів провідності при

кімнатній температурі в напівпровідниках на багато порядків менше, ніж у металів.

Рисунок 1

Якщо напівпровідник помістити в електричне поле, то до впорядкованого руху

залучаються не лише вільні електрони, але і дірки, які поводяться як позитивно заряджені

частки. Тому струм I в напівпровіднику складається з електронного In і діркового Ip

струмів :

I = In + Ip.

За наявності домішок електрична провідність напівпровідників сильно змінюється.

Наприклад, добавка в кристал кремнію домішок фосфору у кількості 0,001 атомного

відсотка зменшує питомий опір більш ніж на п'ять порядків.

Необхідною умовою різкого зменшення питомого опору напівпровідника при

введенні домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних

атомів кристала.

Електронна провідність виникає, коли в кристал германію з чотиривалентними

атомами введені п'ятивалентні атоми (наприклад, атоми миш'яку, As).

Рисунок 2 -Атом миш'яку в гратах германію. Напівпровідник n -типа

22

Чотири валентні електрони атома миш'яку включено в утворення ковалентних

зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон виявився

зайвим; він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив

електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічної решітки.

Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів

напівпровідникового кристала, називається донорною домішкою.

У кристалі германію з домішкою миш'яку є електрони і дірки, відповідальні за

власну провідність кристала. Але основним типом носіїв вільного заряду є електрони, що

відірвалися від атомів миш'яку. Така провідність називається електронною, а

напівпровідник, що має електронну провідність, називається напівпровідником n -типа.

Рисунок 3 - Атом індію в гратах германію. Напівпровідник p -типа

Діркова провідність виникає, коли в кристал германію введені тривалентні атоми

(наприклад, атоми індію, In). На утворення зв'язку з четвертим атомом германію у атома

індію немає електрона. Цей бракуючий електрон може бути захоплений атомом індію з

ковалентного зв'язку сусідніх атомів германію. В цьому випадку атом індію

перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічної решітки, а в

ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія. Домішка атомів, здатних

захоплювати електрони, називається акцепторною домішкою. В результаті введення

акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків і утворюються

вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони з сусідніх

ковалентних зв'язків, що призводить до хаотичного блукання дірок по кристалу.

Уявімо кристал германію, в якому одна половина містить донорну, а друга

акцепторну домішку. Межу в кристалі напівпровідника між областями р- та n- типу

називають електронно-дірковим переходом, або р-n переходом.

Основним елементом напівпровідникового діода є р-п перехід.

Електронно-дірковий перехід (чи n - p -переход) - це область контакту двох

напівпровідників з різними типами провідності.

При контакті двох напівпровідників n - і p -типов починається процес дифузії : дірки

з p -области переходять в n -область, а електрони, навпаки, з n -области в p -область. В

результаті в n -области поблизу зони контакту зменшується концентрація електронів і

виникає позитивно заряджений шар. У p -области зменшується концентрація дірок і

виникає негативно заряджений шар. Таким чином, на межі напівпровідників утворюється

подвійний електричний шар, поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів і дірок

один назустріч одному (рис. 4,а). Погранична область розділу напівпровідників з різними

типами провідності (так званий замикаючий шар) зазвичай досягає товщини близько

десятків і сотень міжатомних відстаней. Об'ємні заряди цього шару створюють між p - і n -

областями замикаюча напруга Uз, приблизно рівна 0,35 В для германієвих n, - p -

переходов і 0,6 В для кремнієвих.

23

Рисунок 4

Електричне поле, що виникає в цьому шарі, буде протидіяти подальшому переходу

основних носіїв заряду через межу. Тільки дірки й електрони з досить великою

кінетичною енергією можуть подолати протидію поля і пройти крізь перехідний шар.

При під’єднанні потенціалів як показано на рис 1, б, зовнішнє електричне поле

збільшує внутрішнє, внаслідок запірний шар n ® р переходу збільшується, відповідно

збільшується опір середовища.

При під’єднанні потенціалів як показано на рис 1, в, зовнішнє електричне поле

протидіє електричному полю n ® р переходу і за принципом суперпозиції при досяганні

Е

зов

>Е

вн

, запірний шар n ® р переходу зникає, відповідно опір зменшується.

Таким чином, опір р-п переходу залежить від напряму струму. Властивість

односторонньої провідності р-п переходу покладено в основу роботи напівпровідникових

діодів та тріодів.

Рисунок 5 – ВАХ діоду

Відношення сили струму в прямому напрямі (Іпр) до сили струму (Ізв) у зворотному

напрямі, щовідповідає одній і тій самій напрузі, називається коефіцієнтом випрямлення

.

;const

U

І

I

K

зв

пр





Рисунок 6 – Схема дослідження