ГУАП

КАФЕДРА № 53

ОТЧЕТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

проф., д.т.н.				Зиатдинов С.И.
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Практическое исследование вольт - амперной характеристики полупроводникового диода

по курсу: Электроника

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ ГР.	5031				Шпиронок А.Г.
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург 2012

1. Цель работы:

Изучение и практическое исследование работы и характеристики полупроводникового диода.

Общие сведения о полупроводниковых диодах.

При разработке и построении разнообразных электронных устройств полупроводниковые диоды находят самое широкое применение. Полупроводниковые диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов – германия и кремния. Соответственно, полупроводниковые диоды делятся на германиевые и кремниевые.

На рис. 1 показана структура атома чистого полупроводника.

В валентной зоне по определённым орбитам вокруг ядра вращаются электроны. Общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. В результате атом полупроводника является электрически нейтральным.

Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона, в пределах которой не могут длительное время находиться электроны, покинувшие по какой-либо причине валентную зону.

При t = 0 К зона проводимости полупроводника пуста. В этом случае полупроводник является диэлектриком. С ростом температуры электроны валентной зоны могут преодолеть запретную зону и попасть в зону проводимости. При этом полупроводник начинает проводить электрический ток это собственная проводимость полупроводников.

Удельная электрическая проводимость чистых полупроводниковых материалов колеблется в пределах 10^-10 – 10⁴ См/см. Природа собственной проводимости заключается в следующем. Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома полупроводника, могут находиться на различных орбитах (оболочках). В атоме германия всего 32 электрона, из них 28 находятся на внутренних орбитах и прочно удерживаются. У кремния всего 14 электронов, из них 10 находятся на внутренних орбитах. Во внешних оболочках атомы германия и кремния имеют по четыре электрона, слабо удерживаемых на орбитах. Именно эти четыре электрона атома германия и кремния могут покинуть свои орбиты и стать свободными.

Если электрон покидает атом и попадает в зону проводимости, то атом становится положительно заряженным, и говорят, что образовалась дырка, положительно заряженная. Ее может заместить другой электрон. Таким образом, в материале идет процесс образования дырок и хаотическое движение электронов. При этом средний ток равен нулю. При t > 0 К свободные электроны и дырки образуются попарно. Этот процесс называется генерацией пары. Процесс захвата дыркой свободного электрона называется рекомбинацией. Промежуток времени с момента генерации зарядов до их рекомбинации называется временем жизни.

Под действием внешнего электрического поля заряды в полупроводнике начинают двигаться, т. е. появляется собственная проводимость или дрейф. Созданный дрейфом зарядов ток называется дрейфовым.

Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей. Примеси делятся на донорные и акцепторные.

Донорные примеси. В качестве донорной примеси для германия и кремния используется сурьма, у каждого атома которой на внешних орбитах имеется по пять электронов, слабо связанных с ядром. При малом содержании примесей атомы примеси взаимодействуют с атомами полупроводника только четырьмя своими электронами, отдавая пятый в зону проводимости. Чем больше примесей, тем больше свободных электронов. В таком полупроводнике ток создается движением электронов. Это полупроводники n-типа («негатив» – отрицательный) с электронной проводимостью.

Акцепторные примеси. Примеси, атомы которых отбирают электроны у полупроводника и создают примесную дырочную проводимость, называются акцепторными.

В качестве акцепторных примесей обычно используют индий, у которого каждый атом имеет три электрона на внешних орбитах. Если в чистый полупроводник ввести атомы индия, то для полной связи с атомами полупроводника нужны четыре электрона, т. е. одного электрона не хватает, и в этом месте образуется дырка, которая может быть заполнена электроном. Чем больше будет примеси индия, тем больше будет не хватать электронов, и электроны могут двигаться от дырки к дырке. Это полупроводники с дырочной проводимостью p-типа («позитив» – положительный).

Основные свойства р-n-перехода. Если соединить полупроводники различной проводимости, то граничный слой между двумя областями называется p-n-переходом (электронно-дырочный переход, рис. 2).

Если на полупроводники подать от источника электроэнергии постоянное напряжение таким образом, что положительный потенциал будет приложен к полупроводнику n-типа, а отрицательный потенциал к полупроводнику p-типа (рис. 3), то электроны в полупроводнике n-типа оттянутся к положительному полюсу, а дырки в полупроводнике p-типа к отрицательному полюсу.

При этом p-n-переход расширяется и превращается в область, практически лишенную свободных зарядов. В результате ток в полупроводнике отсутствует. В этом случае говорят, что p-n-переход закрыт и обладает большим сопротивлением (обратное смещение p-n-перехода).

При смене полярности источника электроэнергии (рис. 4) дырки и электроны начнут встречно двигаться, рекомбинируя в зоне p-n-перехода.

Таким образом, в замкнутой цепи появится прямой ток I_ПР, величина которого зависит от ЭДС источника электроэнергии E (p-n-переход смещен в прямом направлении). На рис. 5 дано обозначение диода на электрических принципиальных схемах.

На рис. 6 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.

При малых значениях E зависимость величины тока I_ПР от E носит нелинейный характер.

2. Схема:

Рис. 7 Схема цепи.

3. Таблицы:

Uист, В	0	0,2	0,4	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,2	1,4
Iд, мА	0	0,15	5,56	15,579	31,157	45,252	60,274	76,039	106,825	139,095
Uд, В	0	0	0,399	0,59	0,67	0,76	0,84	0,93	1,1	1,3

Uист, В	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10	-11	-12
Iд, мА	0	0	0	0	0	-115,7	-272	-447	-614	-777	-943	-1104
Uд, В	0	0	0	0	0	-5,9	-6,7	-7,8	-8,4	-10,1	-10,2	-11

4. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

Рис 8. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода(Прямая ветвь)

Рис 9. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода(Обратная ветвь)

5. Вывод:

Проделав лабораторную работу, было выяснено, что p-n-переход как область, обеднённая основными носителями, следовательно, имеющая большое сопротивление, исчезает. В результате резко увеличивается ток основных носителей через переход и начинает протекать прямой ток, величина которого определяется законом Ома.