лаборатор электр магнетизм для студентов / Э10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 39(Э10)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Цель работы:

изучить механизм проводимости примесных полупроводников и p-n- перехода. Задача работы:

получить вольт-амперную характеристику p-n-перехода.

I. УКАЗАНИЯ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

1)изучить следующие разделы теоретического материала: "Полупроводники с точки зрения зонной теории. Полупроводниковые диоды и транзисторы" ([2] -§ 3.4; [3] -§ 57,58, 59,64);

2)ответить на вопросы для самоконтроля;

3)подготовить бланк протокола выполнения лабораторной работы.

II.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ.

3

mA

V I

5

II

4 μA

Рис. 1. Электрическая схема установки:

1 - источник тока; 2 - диод; 3 - миллиамперметр; 4 - переключатель; 5 - микроамперметр; 6 - ключ; 7 - потенциометр; 8 - вольтметр.

Схема собрана так, что при подаче напряжения в прямом направлении ток измеряется миллиамперметром, а при обратном направлении тока (переключатель 4 в положении II) - микроамперметром.

Электронно-дырочный переход (p-n - переход) образуется в области контакта двух полупроводников с различным типом примесной проводимости и представляет собой участок кристалла, в котором происходит изменение типа проводимости.

Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а в полупроводнике p-типа - дырки. За счёт диффузии носителей заряда через границу раздела в приконтактной области образуется двойной электрический слой с

напряжением Uk, препятствующий дальнейшей диффузии электронов и дырок через контакт.

Когда на p-n - переход подаётся внешнее напряжение U того же направления, что и Uk (на р-область подан "-", U < 0), основные носители заряда через контакт практически не проникают. Проходят лишь неосновные носители заряда противоположного знака, появляющиеся за счёт собственной проводимости полупроводника. Таких носителей заряда мало, поэтому ток через p-n - переход очень мал и практически не зависит от U (I=I0 - ток насыщения при U<0) до тех пор, пока не произойдёт электрического пробоя p-n - перехода. При таком включении p-n - перехода говорят, что он включён в запирающем направлении.

При обратном включении p-n - перехода в электрическую цепь (на р- полупроводник подан "+", U>0) высота потенциального барьера в области p-n - перехода для основных носителей заряда резко понижается. Они без особого труда проходят через p-n - переход в соседние области, создавая электрический ток. Говорят, что в этом случае p-n – переход включён в пропускном направлении. С увеличением внешнего напряжения U ток быстро нарастает в соответствии с формулой:

U

I = I0 (ekT −1),

где I0 - ток насыщения при включении p-n - перехода в запирающем направлении; k = 1,38·10-23Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Зависимость тока I от внешнего напряжения U во всём интервале измерений U (положительных и отрицательных) называется вольт-амперной характеристикой

p-n - перехода.

Односторонняя проводимость p-n - перехода может быть использована для выпрямления переменного тока. Р-n - переход является основным элементом полупроводниковых диодов, триодов (транзисторов), полупроводниковых лазеров.

Полупроводниковые диоды и транзисторы в силу ряда преимуществ перед вакуумными (малые размеры, отсутствие цепи накала катода и др.) практически вытеснили последние из электронной техники.

III.ПРОГРАММА РАБОТЫ

1.Снять вольт-амперную характеристику p-n - перехода в пропускном и запирающем направлениях.

2.Рассчитать сопротивление p-n - перехода и построить графики зависимости R = f(U).

IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Замкнуть ключ 6 в положение "Вкл." и с помощью потенциометра 7 подать на вольтметр минимальное напряжение.

2.Включить диод (p-n - перехода) в пропускном направлении (переключатель 4 поставить в положение I) . Постепенно (~ через 5В) повышая напряжение, снять показания вольтметра и миллиамперметра. Результаты занести в таблицу.

3.Подключить диод в обратном направлении (переключатель 4 поставить в положение II). Этим же переключателем отключается миллиамперметр и подключается микроамперметр. Снять показания вольтметра и микроамперметра, постепенно повышая напряжение. Данные записать в таблицу.

U, B

Iпр., mA

U ,B

Iобр., μA

Rпр., Ом

Rобр., Ом

4.Отключить установку от сети. По полученным значениям I и U рассчитать сопротивление R p-n - перехода.

5.Вычертить на миллиметровой бумаге на основании полученных результатов графики зависимостей:

а) I = f(U) - при прямом и обратном направлениях тока, совместив их на одном графике; б) R = f(U) - при прямом и обратном направлениях тока, совместив их на одном графике.

6.Сделать выводы.

V.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.В чём различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории?

2.Как осуществляется собственная проводимость полупроводников?

3.Как влияют примеси на проводимость полупроводника?

4.Как образуются полупроводники n-типа?

5.Где локализованы донорные уровни в полуповоднике n-типа? Почему они так называются?

6.Как осуществляется проводимость в полупроводнике р-типа?

7.Какие энергетические уровни называются акцепторными?

8.Как возникают основные и неосновные носители заряда в полупроводниках р-типа и n-типа?

9.Как образуется р-n - переход? Что он представляет собой с точки зрения зонной теории?

10.Как возникает контактное напряжение в области р-n - перехода?

11.Как р-n - переход включить в электрическую цепь в пропускном и запирающем направлениях?

12.Как внешнее электрическое поле влияет на зонную схему р-n - перехода?

13.Почему р-n - переход обладает односторонней проводимостью? Где это можно использовать?

14.Что называется вольт-амперной характеристикой р-n - перехода?

15.Где используется р-n - переход?