Методички по физике / 93К

8

Министерство образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени А.Н. Туполева

Кафедра общей физики

Лабораторная работа № 93К

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛОСКОСТНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Казань 2003

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛОСКОСТНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: изучить свойства плоскостного полупроводникового диода; снять вольтамперную характеристику диода при различных температурах; вычислить коэффициент выпрямления, рассчитать дифференциальное сопротивление диода при прямом и обратном токах.

Содержание работы

p-n -переход. Диод.

Контакт полупроводников p-типа и n-типа называется р-n переходом или электронно-дырочным переходом. р-n-переход – это тонкий слой на границе раздела двух областей одного кристалла с разными типами проводимости. Для того, чтобы рассмотреть процессы, ведущие к образованию р-n- перехода, представим себе, что создание идеального электрического контакта между кристаллами возможно путем их простого соприкосновения. Если между двумя кристаллами с проводимостью р- и n- типа нет контакта и носители не могут переходить из одного материала в другой, то уровни Ферми в них расположены на разной высоте: в полупроводнике р-типа – ближе к валентной зоне, в полупроводнике n- типа – ближе к зоне проводимости (рис.1). Оба кристалла

Рис.1

электрически нейтральны. В кристалле р-типа основными носителями заряда являются дырки, которые образуются в основном благодаря наличию в кристалле акцепторной примеси. Неосновными носителями в таком кристалле являются электроны собственных атомов кристалла, находящиеся в зоне проводимости. В кристалле n- типа основными носителями являются электроны донорной примеси, находящиеся в зоне проводимости. Неосновными носителями являются дырки.

Если между обоими кристаллами создан электрический контакт и свободные носители заряда получают возможность переходить из одного кристалла в другой, то кристаллы образуют единую систему и уровни Ферми в них устанавливаются на одной высоте. Это приводит к тому, что энергетические зоны в обоих кристаллах смещаются относительно друг друга и в области контакта образуется потенциальный барьер. В условиях равновесия через контакт переходят только те свободные носители, энергия которых больше высоты потенциального барьера. Поток основных носителей заряда через р- n-переход представляет собой диффузионный ток I_д. Одновременно с движением основных носителей заряда через р- n- переход движутся неосновные носители, поток которых противоположен потоку основных носителей. Неосновные носители не встречают потенциального барьера в области р-n-перехода, наоборот, электрическое поле потенциального барьера способствует этому движению. Поток неосновных носителей через р- n- переход создает дрейфовый ток I_s.

а б

Рис. 2

Если к р- n-переходу приложить внешнее напряжение так, чтобы потенциал р-кристалла был больше, чем потенциал n-кристалла, то такое поле будет направлено против контактного, и, значит, высота потенциального барьера уменьшится (рис. 2а ). Такое внешнее напряжение считается положительным .

Внешнее напряжение будет считаться отрицательным (U 0 ) , если потенциал кристалла n- типа больше (положительнее), чем потенциал кристалла р-типа. В этом случае внешнее электрическое поле направлено так же, как и контактное, и, следовательно, увеличивает величину потенциального барьера (рис. 2б). Положительное внешнее напряжение называют прямым, отрицательное – обратным.

Зависимость тока через р- n- переход от приложенного к нему напряжения называется вольтамперной характеристикой. Вольтамперная характеристика р- n- перехода нелинейная (рис.3), следовательно, он обладает свойством односторонней проводимости: обладает очень большим сопротивлением при обратном направлении внешнего электрического поля и очень малым сопротивлением при прямом направлении внешнего электрического поля.

Рис. 3

ВАХ диода. t₂ > t₁.

Полупроводниковый диод является устройством, использующим свойства р-n перехода. Диод является выпрямляющим элементом, т.к. проводит ток практически в одном направлении. Выпрямляющие свойства диода характеризуются величиной коэффициента выпрямления К, который равен отношению прямого тока к обратному при одинаковом по абсолютной величине прямом и обратном напряжениях. Он равен

К= I_пр/ I_об (1)

Еще одной характеристикой диода является дифференциальное сопротивление R, определяемое по формуле

R= ΔU/ ΔI , (2)

где ΔU- приращение внешнего напряжения, приложенного к диоду, и ΔI – приращение тока, соответствующее данному ΔU.

Плоскостные полупроводниковые диоды имеют площадь контактной поверхности, практически равную площади поперечного сечения p- или n- области (если сечения p- и n- областей различны, то площадь контакта близка к меньшей площади сечения).

Чем больше площадь p-n – перехода, тем больше будут и максимально допустимые токи, пропускаемые диодом. Но увеличение контактной поверхности сопряжено с увеличением ёмкости двойного слоя p – n – перехода, что ухудшает частотные характеристики диода (диод не может работать на высоких частотах).

Для работы на высоких частотах применяются точечно-контактные диоды, получаемые в результате приведения в контакт тонкой металлической проволоки с поверхностью n – полупроводника. У точечных диодов размеры выпрямляющей контактной поверхности малы (они близки по размерам к площади поперечного сечения металлической проволоки), поэтому точечные диоды могут работать на очень высоких частотах (до 10⁸ – 10¹⁰ Гц), они имеют более высокий коэффициент выпрямления, чем плоскостные диоды, но способны пропускать лишь очень небольшие максимально допустимые токи.

Описание установки

Для выполнения работы собрана установка, электрическая схема которой изображена на рис.4. Установка питается постоянным током, который получается от полупериодного полупроводникового выпрямителя. С помощью переключателя на исследуемый диод можно подавать прямое или обратное напряжение. Если переключатель П поставить в положение “Прямое”, то замыкаются контакты 1 – 2, 5 – 6. При замыкании ключа K₁ через диод потечёт ток.

Рис. 4

Напряжение, подаваемое на диод, можно изменить с помощью потенциометра R₁. Сила прямого тока измеряется миллиамперметром.

Когда переключатель поставлен в положение “Обратное”, замыкаются контакты 2 – 3, 4 – 5, (одновременно контакты 1 – 2, 5 – 6 размыкаются), при этом на диод подаётся запирающее напряжение. Величину обратного напряжения можно изменять при помощи потенциометра R₂. Обратный ток на 3 – 4 порядка меньше прямого, поэтому он измеряется микроамперметром.

В нашей установке исследуемый диод помещён внутри остеклованного сопротивления R_H, которое используется в качестве нагревателя. В работе необходимо снять вольтамперную характеристику диода при различных температурах. Для измерения температуры внутрь нагревателя помещается термометр Т.

Порядок выполнения работы

1. Начертить в тетради таблицы 1 и 2.

.

Таблица 1

U, мB	Iпр, мА
	t1,˚С	t2,˚С	t3,˚С
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

Таблица 2

U, B	Iобр, мкА
	t1,˚С	t2,˚С	t3,˚С
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

2. Включить компьютер.

3. Запустить программу lab93. Для этого указать курсором на lab93 и щелкнуть левой кнопкой мышки (в дальнейшем эту команду обозначим L’ на lab93).

Изучить информацию на экране. Вверху слева показаны миллиамперметр, вольтметр, ниже ползунок потенциометра, термометр и правее – таблицы.

Снятие ВАХ диода для прямого тока

(выбрать режим включения диода – прямой ток)

4. Записать значения температуры. Путем перемещения ползунка потенциометра пройти значения U, указанные в таб.1, и записать соответствующие значения I_пр. Поставить ползунок резистора в крайнее левое положение.

5. Включить нагрев и поднять температуру до 40 ⁰С. Зафиксировать температуру клавишей Зафикс .

6. Повторить пункт 4.

7. Включить нагрев и поднять температуру до 60 ⁰С. Зафиксировать температуру клавишей Зафикс .

8. Повторить пункт 4. L’ на Отмена для охлаждения диода до комнатной температуры.

Снятие ВАХ диода для обратного тока

(выбрать режим включения диода – обратный ток)

9. L’ на Таб. 2.

10. Записать значения температуры. Путем перемещения ползунка потенциометра пройти значения U, указанные в таб.1, и записать соответствующие значения I_обр. Поставить ползунок резистора в крайнее левое положение.

11. Включить нагрев и поднять температуру до 40 ⁰С. Зафиксировать температуру клавишей Зафикс .

12. Повторить пункт 10.

13. Включить нагрев и поднять температуру до 60 ⁰С. Зафиксировать температуру клавишей Зафикс .

14. Повторить пункт 10.

15. L’ на Выход.

По данным табл.1 построить на миллиметровой бумаге вольтамперные характеристики для трёх температур; кривые для разных температур выполнить карандашами (или чернилами) разного цвета; при построении графика нужно взять разный масштаб для прямой и обратной ветвей характеристик.

Вычислить коэффициент выпрямления диода по формуле (1) для трёх температур.

Вычислить дифференциальное сопротивление диода:

а) по данным табл.1 вычислить сопротивление диода для всех интервалов прямого напряжения при комнатной температуре по формуле (2). Полагая, что вычисленное сопротивление относится к среднему значению рассматриваемого интервала напряжения, построить график функции R = (U);

б) рассчитать сопротивление диода обратному току в интервале напряжений 1-3 В и 3 – 30 В при температурах t₁ и t₂.

Контрольные вопросы

1. Что происходит с уровнями Ферми при контакте полупроводников n- и р-типа?

2. Как выглядит энергетическая схема р-n-перехода?

3. Механизм возникновения потенциального барьера в области р-n-перехода.

4. Как действует электрическое поле потенциального барьера на неосновные носители тока?

5. Как надо приложить внешнее напряжение к р-n- переходу, чтобы уменьшить высоту потенциального барьера?

6. Как надо приложить внешнее напряжение к р-n- переходу, чтобы увеличить высоту потенциального барьера?

7. Как выглядит вольтамперная характеристика р-n-перехода?

8. Какое носители создают прямой ток ?

9. Какое носители создают обратный ток ?

10. Для каких целей используют полупроводниковый диод?

11. Определение коэффициента выпрямления.

12. Определение дифференциального сопротивления.