физика / ЛР ин.-тех. напр / Сборник МУ Часть 5 (нов) / Лаб раб №54
.docx
Лабораторная работа № 54
ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ
СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Цель работы:
1. Изучить физические основы работы полупроводникового диода.
2. Снять вольт-амперную характеристику диода.
3. Провести осциллографическое наблюдение вольт-амперной характеристики диода и процесса выпрямления переменного тока.
Теоретическое введение
Полупроводниковый диод - это прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего перехода в полупроводниковых диодах может служить электронно-дырочный (p-n) переход, гетеропереход (контакт двух различных по химическому составу полупроводников, обладающих различной шириной запрещенной зоны) или контакт металл-полупроводник (диод Шоттки).
В настоящее время разработан большой класс полупроводниковых диодов, использующих то или иное свойство выпрямляющего перехода (выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды, лазеры и т. д.).
В данной работе изучается одно из основных свойств диода - выпрямляющее. Это - способность диода пропускать ток только в одном направлении (односторонняя проводимость диода). Исследуется диод с электронно-дырочным (p-n) переходом.
Электронно-дырочный переход образуется на металлургической границе раздела (то есть без нарушения периодичности кристаллической решетки) полупроводников с донорной примесью (для кремния и германия ею являются элементы V группы таблицы Менделеева) и акцепторной примесью (элементы III группы).
В равновесных условиях в p-n переходе на границе раздела существуют двойной электрический слой, внутреннее электрическое поле и контактная разность потенциалов ĸ (рисунок 1 а, б, в, г соответственно).
Положительный
заряд двойного электрического слоя,
образованный ионами донорной примеси,
всегда находится в полупроводнике
n-типа,
отрицательный, образованный ионами
акцепторной примеси - в полупроводнике
р-типа
(рисунок 1а,
б).
Следовательно, внутреннее электрическое
поле Eвн
направлено из n-области
в р-область
(рисунок 1а).
Напряжённость электрического поля
максимальна на границе раздела p-
и n-областей
и уменьшается до нуля за пределами
двойного электрического слоя (рисунок
1в).
Ширина области пространственного заряда
(ОПЗ), а также величина контактной
разности потенциалов φ
определяются
физическими свойствами полупроводника
по обе стороны p-n перехода;
величина φ
обычно составляет доли вольта (рисунок
1г).
Квазистационарное состояние в p-n
переходе обусловлено двумя встречными
процессами - диффузией носителей заряда
за счёт градиента их концентрации и
дрейфом встречного потока носителей
заряда под действием электрического
поля p-n
перехода. 
При приложении к р-n переходу внешнего напряжения U происходит уменьшение высоты потенциального барьера ( = к - U),если внешнее и внутреннее поля направлены в противоположные стороны; при этом через р-n переход протекает большой ток (от единиц миллиампер в маломощных диодах до сотен и тысяч ампер - в мощных). Вначале прямой ток растёт медленно; когда внешнее напряжение U скомпенсирует контактную разность потенциалов к, ток через диод начинает быстро возрастать. Такое включение диода называется прямым или пропускным (плюс приложен к р-области, минус - к n-области).
Если изменить
полярность приложенного напряжения,
то внешнее и внутреннее поля складываются,
и высота потенциального барьера
возрастает ( = φk + U).
При этом через диод протекает незначительный
ток (доли микроампер у маломощных и
единицы миллиампер - у мощных диодов),
слабо зависящий от приложенного
напряжения. Резкий рост обратного тока
при значительных обратных напряжениях
связан с явлениями пробоя и ограничивает
рабочие напряжения выпрямляющих диодов.
Напряжение пробоя у различных типов
диодов лежит от десятков вольт до тысяч
вольт. Такое включение диода называется
обратным, или запорным (минус приложен
к р-области,
плюс - к n-области).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ)
диода представлена на рисунке 2.
Выпрямительные диоды широко используются для выпрямления переменного напряжения (блоки питания радиоэлектронной аппаратуры, детекторы в радио- и телеприемниках). Простейшая схема выпрямителя и форма переменного и выпрямленного (пульсирующего) напряжения приведены на рисунке 3а и 3б соответственно.
Описание установки
Измерительная установка содержит исследуемый диод VD, схемы постоянного тока для снятия прямой (рисунок 4а) и обратной (рисунок 4б) ветвей вольт-амперной характеристики диода, схемы переменного тока для наблюдения ВАХ (рисунок 4в) и процесса выпрямления (рисунок 4г). На стенде размещены измерительные приборы, электронный осциллограф и все необходимые органы управления.
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
1. Ознакомится с устройством лабораторного стенда и объяснить назначение входящих в него измерительных приборов и органов управления. Определить пределы измерения и цену деления шкал приборов.
2. Снять прямую ветвь ВАХ диода. Результаты занести в протокол.
3. Снять обратную ветвь ВАХ диода. Результаты занести в протокол.
4. Построить график зависимости прямого и обратного токов диода от приложенного напряжения. В целях наглядности масштабы токов и напряжений по осям выбрать различными для прямой и обратной ветвей.
5. Получить изображение ВАХ диода на экране осциллографа. Произвести качественное сравнение наблюдаемой ВАХ с построенной в пункте 4.
6. Получить на экране осциллографа изображения синусоидального и выпрямленного диодом тока. Зарисовать формы кривых в протокол, соблюдая равенство периодов и фаз колебаний. Объяснить процесс выпрямления и наблюдаемую форму выпрямленного тока.
Контрольные вопросы
1. Энергетические зоны в кристаллах.
2. Зоны, участвующие в электропроводности.
3. Деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.
4. Зонная диаграмма полупроводника.
5. Собственные и примесные полупроводники. Доноры и акцепторы.
6. Электронно-дырочный переход. Зонная диаграмма.
7. Двойной электрический слой, причины его возникновения; внутреннее поле р-n перехода.
8. Включение р-n перехода в прямом направлении.
9. Включение р-n перехода в обратном направлении.
10. Вольт-амперная характеристика диода.
11. Выпрямление диодом переменного напряжения.
Список рекомендуемой литературы
-
Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для инженер.-техн. специальностей вузов / Т. И. Трофимова. - 13-е изд., стер. - М.: Академия, 2007. - 558 с.
-
Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. - 7-е изд., стер. - М.: Академия, 2008. - 720 с.
-
Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для вузов по техн. (550000) и технол. (650000) направлениям: в 3 т. Т. 3: Квантовая оптика; Атомная физика; Физика твердого тела; Физика атомного ядра и элементарных частиц / И. В. Савельев. - 8-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2007. - 317 с.
Uвх