6

Богатин А.С., Раевская С.И.

Лабораторная работа № 79

Изучение характеристик полупроводниковых диодов

Принадлежности: выпрямитель с регулирующим напряжением, вольтметр, миллиамперметр, микроамперметр, конденсатор, делитель напряжения, полупроводниковые диоды.

Цель работы: 1. Исследовать зависимость (вольтамперные характеристики) для полупроводниковых диодов и селеновой шайбы.

2. Определение зависимости выпрямленного тока от подаваемого переменного напряжения.

Введение

Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости (n и p) обладает односторонней проводимостью для носителей основных. Это свойство заключается в изменении сопротивления этого контакта в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Рассмотрим кратко физические процессы, вызывающие появление эффекта односторонней проводимости. Полупроводники могут иметь проводимость типа n (основные носители тока электроны) и типа p (основные носители тока “дырки”) в зависимости от введенного легирующего элемента. На рис. 1а изображен контакт двух полупроводников с проводимостью n и p. Наряду с основными носителями имеются и не основные – дырки в полупроводниках типа n и электроны в полупроводниках типа p, которых значительно меньше, чем основных.

После приведения полупроводников в контакт в нем из-за различия в концентрации основных носителей в базах возникает перепад концентрации носителей. Тепловое движение основных носителей принимает диффузионный характер. Электроны из полупроводника типа n начинают переходить в полупроводник типа p, а дырки – наоборот. Переход электронов и дырок вызывает появление электрического двойного слоя и контактной разности потенциалов (рис. 1а), приблизительно равной разности работ выхода обоих полупроводников , которая противодействует движению основных носителей, вызывая ток не основных носителей.

Так как не основных носителей мало, то ток мал. Суммарный ток основных носителей и не основных равен нулю в равновесном состоянии (когда внешнее напряжение не приложено) .

На рис. 2б и 2в показано изменение толщины двойного электрического слоя величины при наличии внешнего напряжения различной полярности. В случае, изображенном на рис. 2б, основные носители в обоих полупроводниках вследствие сил притяжения уходят от двойного электрического слоя, увеличивая его толщину. Сопротивление контакта возрастает. Направление действия называется запорным. В случае, изображенном на рис. 2в, основные носители под действием внешнего напряжения уменьшают толщину двойного электрического слоя, что уменьшает сопротивление контакта. Это напряжение называется пропускным.

На рис. 2абв показано распределение потенциалов по длине полупроводников и изменение контактной разности потенциалов при разной полярности . Как видно из рис. 2б, если приложить положительным полюсом к p, минусом к n области, то контактная разность потенциалов уменьшается и становится равной нулю при . При запорного слоя не будет и возникнет пробой p – n перехода.

На рис. 3 показана вольтамперная характеристика контакта полупроводников типа n и p. Можно показать, что при вольтамперная характеристика хорошо описывается формулой:

до напряжения .

Это явление используется при создании полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока и детектирования переменных напряжений. Полупроводниковые диоды характеризуются сопротивлением постоянному току в данной точке вольтамперной характеристики, внутренним сопротивлением , коэффициентом выпрямления при .

Снятие вольтамперных характеристик

В этой части работы снимаются зависимости в прямом и обратном направлениях. Напряжение подается с выпрямителя с регулируемым напряжением (ЛАТР). В прямом направлении напряжение снимается с клеммы 1 и 2, а в обратном направлении – с клеммы 1 и 3 для того, чтобы ограничить величину тока в обратном направлении (в случае пробоя диода может быть поврежден микроамперметр).

Примечание: Нельзя превышать максимальные значения обратного напряжения; прямого и обратного токов. Нарушение этого требования может привести к пробою диода. Значения этих величин приведены в таблице при работе.

ТАБЛИЦА

Тип диода	Прямой ток в мА	Обратный ток в мкА	Обратное напряжение в Вольтах
Д 7ж	Не более 300	Не более 30	Не выше 250
Д 226Б	Не более 300	Не более 30	Не выше 250
ВС – 40	Не более 300	Не более 1000	Не выше 10

Порядок работы:

1. Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики в прямом направлении (см. ниже схему № 3).

2. После проверки схемы преподавателем или лаборантом снять вольтамперные характеристики всех диодов в прямом направлении, следя за тем, чтобы ток не превышал максимального, указанного в таблице значения.

3. Собрать схему для снятия вольтамперных характеристик в обратном направлении (см. ниже схему № 4), для селеновой шайбы обратный ток измеряется миллиамперметром, для всех остальных диодов – микроамперметром.

4. Снять вольтамперные характеристики диодов в обратном направлении, следя за тем, чтобы напряжение не превышало максимально допустимого, указанного в таблице значения (см. таблицу на стр. 4).

В отчете необходимо представить:

1. Вольтамперные характеристики для всех диодов и селеновой шайбы в прямом и обратном направлении на одном графике для каждого диода. Масштаб в прямом и обратном направлениях различный.

2. Для селеновой шайбы найти коэффициент выпрямления.

Контрольные вопросы

1. На какие два типа делятся полупроводники, и чем характеризуется каждый тип.

2. Объясните работу полупроводниковых диодов.

3. Как устроены селеновая шайба, плоскостные и точечные диоды.

4. Чем они отличаются друг от друга и где применяются.

5. Что представляют собой параметры уравнений характеристик выпрямителя.

6. Каков вид зависимости сопротивления выпрямителя от приложенного напряжения.

7. Что называется коэффициентом выпрямления и как он изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

8. Почему при малых приложенных напряжениях зависимость тока напряжения является квадратичной, при больших – линейной.

Литература

1. Калашников С.Г. Электричество. 1964. § 231, 232.

2. Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы. 1960. § 22, 23.