материаловедение методичка лабы

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

4.5.Примеры вычислений.

4.6.Графики вольтамперных характеристик термосопротивлений при различном времени протекания тока по данным таблицы 1.

4.7.Графики зависимостей lnγ=f(1/T), построенные по данным таблицы 2.

4.8.Расчеты по определению энергии переброса электрона в полупроводниках в незаполненную зону.

4.9.Вольтамперная характеристика НПС, построенная по данным таблицы 3. При этом по оси X откладывать значения напряжения, а по оси Y - значения тока.

4.10.Графики зависимости проводимости фоторезисторов от освещенности, построенные по данным таблицы 4.

4.11.Технические характеристики используемого оборудования.

4.12.Выводы по работе.

5.Контрольные вопросы

5.1.Различие веществ с точки зрения зонной теории.

5.2.Объяснить зонные диаграммы для собственных и примесных полупроводников.

5.3.Каков характер проводимости полупроводников?

5.4.Чем обусловлена собственная и примесная проводимость полупроводников?

5.5.Какова зависимость электропроводности полупроводников от температуры?

5.6.Что такое термисторы и где они находят применение?

5.7.Какова природа фотопроводимости полупроводников?

5.8.Где находят применение фоторезисторы?

5.9.Чем обусловлен механизм работы симметричного полупроводникового сопротивления (варистора)?

5.10.Где находят применение варисторы?

5.11.Какова вольтамперная характеристика варистора?

21

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы: экспериментальные исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) выпрямительных диодов при комнатной и повышенной температурах, определение основных параметров.

1. Основные теоретические положения

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это переходный слой ме-

жду двумя областями полупроводника с разным типом проводимости (p- и n- типа).

P-n-переход имеет большое практическое значение, являясь основой многих полупроводниковых приборов, в частности полупроводникового диода и транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе. Пусть донорный полупроводник (полупроводник n-типа) приводится в контакт с акцепторным полупроводником (полупроводником p-типа).

е

Из п-области с высокой концентрацией свободных электронов происходит их диффузия в р-область, где эта концентрация очень мала. Имеющиеся там в избытке дырки легко «захватывают» пришедшие свободные электроны (т.е. эти электроны занимают вакантные места в ковалентных связях между атомами кристалла и тем самым перестают быть свободными). Таким образом, происходит рекомбинация – попарное исчезновение положительного (дырки) и отрицательного (свободного электрона) носителей заряда. Рекомбинация приводит к тому, что с обеих сторон поверхности раздела образуется тонкий слой, лишенный основных носителей заряда и поэтому близкий по свойствам к диэлектрику. Кроме того, уход электронов из п-области обусловливает возникно-

22

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

вение там избыточного положительного заряда, а их появление в р-области – возникновение нескомпенсированного отрицательного заряда. Следовательно, р– п-переход можно уподобить микроскопическому заряженному конденсатору, который создает внутреннее электрическое поле напряженностью Ек . Направленность этого поля препятствует дальнейшему перемещению основных носителей через р– п-переход. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n- и p-типа одинаковы, то толщина слоя, обусловленная нескомпенсированным положительным зарядом в n- области, будет равна толщине слоя, обусловленного нескомпенсированным отрицательным зарядом в p- области.

Прямое включение p-n-перехода (« + » к р-области, « – » – к п-области) создает внешнее поле, направленное противоположно внутреннему полю. При этом движение электронов в n-области и дырок в p-области направлено к границе p-n-перехода навстречу друг другу. Они рекомбинируют с неосновными носителями в p-n-переходе, и толщина контактного слоя уменьшается. При этом высота потенциального барьера уменьшается, что благоприятствует движению основных носителей заряда через р– п-переход. С увеличением прямого напряжения Uпр сопротивление перехода уменьшается, и прямой ток Iпр быстро возрастает (прямая ветвь ВАХ, рис. 2).

Если к p-n-переходу приложить обратное напряжение, т.е. « + » к п- области, а « – » – к р-области, то внешнее поле будет сонаправлено с внутренним. В результате происходит движение электронов в n-области и дырок в p- области от границы p-n-перехода в противоположные стороны. Высота потенциального барьера для основных носителей увеличится. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим или обратным напряжением. Через диод будет протекать очень малый по величине обратный ток, обусловленный движением малочисленных неосновных носителей. Обратный ток Iобр слабо зависит от приложенного напряжения Uобр (обратная ветвь ВАХ, рис.2).

Таким образом, p-n-переход обладает односторонней проводимостью.

23

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

При прямом включении через тонкий р-n-переход (где возможно пренебречь рекомбинацией в переходном слое) протекает так называемый прямой ток с плотностью:

где js– плотность тока насыщения (равен току проводимости); U – приложенное напряжение на р-n- переходе.

Плотность тока jпр будет возрастать по экспоненте в зависимости от внешнего напряжения U.

Если теперь осуществить включение обратной полярности, то потенциальный барьер возрастает, однако обратный ток не падает до нуля, его плотность:

Если обратное напряжение U >> kT , то первый член в скобках стано- e

вится много меньше единицы, обратный ток оказывается не зависящим от напряжения:

jобр = − js .

Это справедливо, однако до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет некоторого значения, выше которого начинается пробой запорного слоя.

Отношение прямого тока к обратному при одном и том же напряжении носит название коэффициента выпрямления по току:

Вольтамперная характеристика (ВАХ) у полупроводниковых выпрямителей имеет нелинейный характер.

При нагревании выпрямителя изменяется сопротивление р-n -перехода, что приводит к изменению вольтамперной характеристики. Это свойство характеризуется температурным коэффициентом сопротивления

где I1, I2 - значения прямого тока, измеренные при температурах соответственно Т1 и T2 при одном и том же напряжении U. Поведение полупроводникового выпрямителя в зависимости от температуры определяется свойствами материала, на основе которого он изготовлен.

24

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

3. Порядок проведения лабораторной работы

3.1. Подготовка к работе

Перед включением стенда в сеть необходимо установить регулятор «Регулировка U» в крайнее левое положение. SA1, SA2 - в выключенном состоянии. Переключатель «Прямое-выкл-обратное» - в выключенном состоянии. Подключить образец VD1 переключателем «Выбор образца».

3.2. Проведение эксперимента

3.2.1. Снятие исходных данных для построения обратных ВАХ при комнатной температуре

Подключить стенд к сети тумблером SA1. Переключатель «Прямое- выкл-обратное» поставить в положение «обратное».

Установить первое значение напряжения (напряжения заданы в таблице 1) и измерить ток. Установить второе значение напряжения и замерить ток. И так для остальных значений напряжения.

Подобную операцию провести для остальных образцов, меняя переключатель «Выбор образца».

3.2.2. Снятие исходных данных для построения прямых ВАХ при комнатной температуре

Установить переключатель «Прямое-выкл-обратное» в положение «прямое», переключатель «Выбор образца» в положение первого образца. Установить первое значение тока. Записать соответствующее значение напряжения в таблицу 1. Установить второе значение тока и замерить напряжение. Подобные операции повторить для остальных образцов при помощи переключателя «Выбор образца».

3.2.3. Снятие исходных данных для построения обратных ВАХ при повышенной температуре

Переключатель «Прямое-выкл-обратное» поставить в положение «обратное», переключатель «Выбор образца» в положение первого образца и включить тумблер «Нагрев». При этом должна загореться сигнальная лампа HL2. В качестве заданного значения может быть взято значение 60 0С (при нагреве до 600С лампа погаснет). Когда температура повысится до заданного значения, произвести все измерения по пункту 3.2.1. Полученные значения занести в таблицу 2, аналогичную по форме таблице 1.

26

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

3.2.4. Снятие исходных данных для построения прямых ВАХ при повышенной температуре

Установить переключатель «Выбор образца» в положение первого образца, переключатель «Прямое-выкл-обратное» в положение «прямое». Установить первое значение тока. Записать соответствующее значение напряжения в таблицу 2 (аналогичная таблице 1). Установить второе значение тока и замерить напряжение. Подобные операции повторить для остальных образцов при помощи переключателя «Выбор образца».

Таблица 1 (2)

Данные для построения ВАХ (при комнатной температуре, при повышенной температуре)

27

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

3.3. Обработка результатов измерений

Вычислить сопротивление кремниевых и германиевых диодов на основании ВАХ по формулам:

где Rпр, Ом и Rобр, Ом - сопротивление соответственно при прямом и обратном включении диодов.

При прямом включении сопротивление диода определяется, в основном, сопротивлением толщины полупроводникового материала.

При обратном включении сопротивление диода определяется сопротивлением запирающего слоя р-n - перехода, так как сопротивления толщи самого полупроводника и контактов пренебрежительно малы. Полученные значения Rпр и Rобр занести в таблицу 3.

Вычислить температурные коэффициенты сопротивления диодов (TKR).

Вычисление TKR производится по формуле:

где I1 и I2 , А - значения прямого тока, измеренные для температур, соответственно Т1 и T2 при одном и том же напряжении по таблице 1. Для этого выбирают примерно одинаковое напряжение, затем соответствующие им токи и температуры для каждого образца.

Таблица 3

Данные для построения вольтомных характеристик диодов

28

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

4. Содержание отчета

Отчет должен включать:

4.1.Цель работы .

4.2.Принципиальную схему установки.

4.3.Основные формулы и соотношения , используемые в работе .

4.4.Таблицы результатов измерений и вычислений.

4.5.Графики ВАХ.

4.6.Построение графиков произвести следующим образом. По оси абсцисс вправо от начала координат отложить значения прямого падения напряжения, а влево – значения обратного падения напряжения. По оси ординат вверх от начала координат отложить значения прямого тока, а вниз – значения обратного тока.

4.7.Графики вольтомных характеристик выпрямителей.

4.8.Вычисление температурных коэффициентов сопротивления (TKR).

4.9.Технические характеристики используемого оборудования .

4.10.Выводы по работе на основании анализа полученных данных и построения соответствующих графических зависимостей.

5.Контрольные вопросы

5.1.Различие веществ с точки зрения зонной теории.

5.2.Объяснить зонные диаграммы для собственных и примесных полупроводников.

5.3.Какие полупроводниковые материалы используют для изготовления диодов?

5.4.Что называется р-n- переходом?

5.5.Как изменяется сопротивление р-n - перехода при прямом включении диода?

5.6.Объяснить физику процесса на границе раздела двух различных типов проводимости.

5.7.Как изменяется сопротивление р-n-перехода при обратном включении диода?

5.8.Объяснить прямые и обратные ВАХ диодов.

5.9.В чем заключается принципиальное различие в экспериментах по снятию прямых и обратных ВАХ?

5.10.Как изменяются ВАХ при увеличении температуры окружающей среды?

5.11.Построить энергетическую диаграмму p-n-перехода в термодинамическом равновесии, при работе в прямом и обратном направлении.

29

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы:

1.Определение удельных сопротивлений проводниковых материалов низкого и высокого сопротивления и изучение их зависимости от температуры. Определение материала исследуемых образцов по снятым характеристикам и геометрическим данным.

2.Ознакомление с классификацией, типами и системой обозначений различных резисторов. Проверка измеренного значения сопротивления резистора с его допустимым заводским номиналом. Снятие функциональных зависимостей переменных резисторов. Исследование изменения сопротивления тензорезистора от приложенного к нему давления.

1.Основные теоретические положения

Кметаллическим проводникам относятся вещества, у которых на энергетической диаграмме валентная зона вплотную примыкает к свободной зоне, т.е. ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому все валентные электроны являются свободными и могут перемещаться в пределах твердого тела под действием электрического поля. Однако движение электронов несвободно и сопровождается рассеянием энергии электронов на дефектах кристаллической решетки проводника (чужеродные ионы в узлах; отсутствие ионов в узлах, т. е. вакансии; наличие ионов в междоузлиях) и на тепловых колебаниях решетки. Способность проводников пропускать электрический ток оценивается величиной удельного сопротивления

u- средняя скорость теплового движения электронов, м/с;

е– заряд электрона, Кл;

n0 - концентрация электронов, м-3;

λ - средняя длина свободного пробега электронов, м.

30

Вологодский государственный университет. Научная библиотека