Лабораторные по физике / Сборник МУ часть 5 / Лаб №54

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 характерис-

тики 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  φ_ĸ (рис. 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 (рис. 1а, б). Следовательно, внутреннее электрическое поле E_вн направлено из  n-области в р-область (рис.1а). Напряжённость электрического поля максимальна на границе раздела p- и n-областей и уменьшается до нуля за пределами двойного электрического слоя (рис. 1в). Величина контактной разности потенциалов φ_к определяется физическими свойствами полупроводника по обе стороны  p-n перехода и обычно составляет доли  вольта (φ_к ≈ 0,3 B для Gе, φ_к ≈ 0,6 B для Ѕì; см. рис. 1г).

При приложении к р-n переходу внешнего напряжения U происходит уменьшение высоты потенциального барьера ( φ = φ_к - U), если внешнее и внутреннее

п оля 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 φ_к, ток через диод начинает быстро возрастать. Такое включение диода называется прямым или пропускным (плюс приложен к р-области, минус - к n-области).

Е сли изменить полярность приложенного напряжения, то внешнее и внутреннее поля складываются, и высота потенциального барьера возрастает ( φ = φ_k + 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 рис. 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 рис. 3а и 3б соответственно.

Описание установки

И змерительная установка (рис. 4) содержит исследуемый диод VD, схемы постоянного тока для снятия прямой (рис.4а) и обратной (рис.4б) ветвей вольт-амперной характеристики диода, схемы переменного тока для наблюдения ВАХ (рис. 4в) и процесса выпрямления (рис. 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 п. 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. Двойной электрический слой и внутреннее поле р-n перехода.

7. Включение р-n перехода в прямом направлении.

8. Включение р-n перехода в обратном направлении.

9. Вольт-амперная характеристика диода.

10. Выпрямление диодом переменного напряжения.

Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2003. - §§ 240 - 243, 249, 250.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.-.: 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. - §§ 43.1 - 43.5, 44.3 - 44.4.

3. Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука., 1987. - §§ 42, 43, 45.

4. Грабовский Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных вузов): Учеб. пособие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1980. - Часть II, §§ 19, 20.

5