Упражнение 3 Наблюдение динамической вольт-амперной характеристики полупроводникового диода с помощью электронного осциллографа

Приборы и принадлежности: панель с исследуемым полупроводниковым диодом, электронный осциллограф, провода.

Порядок выполнения

1. На задней панели осциллографа вынуть все четыре колодки, соединяющие Х- и У-пластины с соответствующими усилителями,

2. Собрать схему по рис. 6. При этом провода, идущие от сопротивления R (клеммы А1 и С на панели), присоединить к У-пластинам (верхние правые гнезда), а провода, идущие от диода (клеммы С и B1 на панели), присоединить к Х-пластинам (верхние левые гнезда).

3. На клеммы АВ панели надеть штепсельную колодку, соединенную со вторичной обмоткой трансформатора.

4. Включить осциллограф и первичную обмотку трансформатора в сеть. Тумблер осциллографа «сеть» поставить в положение «вкл.».

5. Зарисовать форму полученной на экране осциллографа динамической вольт-амперной характеристики исследуемого полупроводникового диода. Если характеристика на экране осциллографа оказывается каким-либо образом перевернутой, то переключением проводов у осциллографа нужно добиться обычной ориентации характеристики относительно осей координат (см. рис. 2). Обычно приходится поменять между собой провода, подключенные к У-пластинам, или же поменять между собой провода, подключенные к Х-пластинам осциллографа.

6. Сравнить полученную динамическую вольт-амперную характеристику с вычерченной в линейном масштабе (упражнение 1) по экспериментальным точкам.

7. Отключить от сети трансформатор и осциллограф. Разобрать схему.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте схему энергетических уровней электронов в полупроводнике, изоляторе и металле.

2. В чем выражается влияние донорных и акцепторных примесей на электропроводность полупроводников? Опишите два рода проводимости полупроводников.

3. Почему p-n-переход обладает односторонней проводимостью?

4. Какие преимущества и недостатки имеют полупроводниковые выпрямители по сравнению с электронными лампами?

5. Какой формулой описывается вольт-амперная характеристика полупроводникового диода?

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И. В. Курс общей физики, т. II. § 72, 74, 76, 78. М., «Наука». 1970.

2. Яворский Б. М., Детлаф А. А., Милковская Л. Б. Курс физики, т. II, гл. XIII. М., «Высшая школа», 1965.

РАБОТА №49

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ФОТОДИОДА

Цель работы: изучение основных закономерностей, определяющих свойства и параметры фотодиодов, исследование их вольт – амперных и световых характеристик.

Введение

Носители тока в полупроводниках, имеющие бо´льшую (ме´ньшую) концентрацию, называются основными (не основными). В соответствии с типом основных носителей полупроводники называют дырочными (p-типа) или электронными (n-типа).

Плоскостной p-n-переход получают введением с одной стороны в кристалл полупроводника n-типа акцепторных примесей с концентрацией, значительно превышающей концентрацию донорных примесей в данном полупроводнике. Тогда, вследствие различной концентрации дырок и электронов по обе стороныp-n –перехода, дырки диффундируют в n-область, а электроны – в p-область перехода. В результате оттока носителей, по обе стороны

р-n –перехода образуется пространственный заряд ионов соответствующей примеси, который создает электрическое поле с контактной разностью потенциалов φ_к. Контактное электрическое поле вызовет дрейфовый ток неосновных носителей (электронов из p-области в n-область, а дырок из n-области в p-область), который в отсутствии внешнего напряжения на p-n–переходе будет уравновешивать диффузионный ток основных носителей так, что суммарный ток через p-n–переход будет равен нулю. Условие равновесия p-n–перехода заключается в требованиии постоянства уровня Ферми (уровня энергии, вероятность заполнения которого электронами равна ) вдоль всего перехода (рис.1).

При приложении прямого напряжения к p-n–переходу, когда внешнее поле противоположно внутреннему полю перехода (рис.2,а) величина потенциального барьера для основных носителей уменьшится, и они могут проникнуть в область кристалла с противоположным типом проводимости (инжекция неосновных носителей, например, электронов в p-область перехода).

Расстояние, на котором концентрация инжектированных носителей падает вследствие рекомбинации с основными в e раз, называется диффузионной длиной и обозначается L_p и L_n для дырок и электронов соответственно.

Обратное напряжение (рис. 2,б) увеличит потенциальный барьер для основных носителей. Увеличение обратного напряжения приведет к насыщению тока, созданного неосновными носителями.

Полный ток через p-n-переход равен сумме дырочного I_p и электронного I_n токов

I=I_n+I_p=I_s (e-1) (1)

Здесь q- заряд электрона;

k- Постоянная Больцмана;

U- напряжение на p-n-переходе (берется со знаком «+» для прямого и со знаком «-» для обратного напряжения).

I_s- ток насыщения

Ток насыщения диода (он же темновой ток фотодиода) переносится термически созданными парами электрон-дырка, образовавшимися на расстоянии от p-n-перехода, не превышающем диффузионную длину (предполагается, что L_p и L_e велики по сравнению с шириной p-n-перехода).