Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
62
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
258.05 Кб
Скачать

Міністерство освіти і науки України

Житомирський державний технологічний університет

Кафедра фізики

Група РТ-8

Лабораторна робота №56

Тема: “Дослідження властивостей P-N переходу”

Виконав: Яшник Д.М.

Перевірив: Алексюк В.Ю.

Житомир

2004р.

Мета роботи: а) ознайомитись з фізичними властивостями p-n переходу;

б) побудувати пряму і зворотну вольт амперні характеристики;

в) визначити залежність опору діода від прикладеної напруги в прямому і зворотному напрямках.

Прилади і матеріали: напівпровідниковий діод, джерело постійного струму з ЕРС (В, В), вольтметри:

а) з верхньою межею вимірювання в 5-10 В;

б) з верхньою межею вимірювання 300 В, міліамперметр багатомежний , мікроамперметр багатомежний, низькоомний і високоомний реостати, перемикач, з’єднальні провідники.

Теоретичні відомості

Напівпровідниковий діод являє собою замкнений в герметичну оболонку спай напівпровідникових кристалів з електронною (n-типу) і дірковою (p-типу) провідностями. В практиці використовують германієві і кремнієві діоди, а також селенові випрямлячі.

  1. Напівпровідники з електронною дірковою провідністю.

В ідеальному напівпровідниковому кристалі, тобто такому, що не містить хімічних домішок і не має дефектів структури, кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок. З ростом температури кількість вільних електронів і дірок підвищується, що приводить до росту провідності і зменшенню опору напівпровідника. В реальному кристалі, що містить домішки і дефекти, рівновага між кількістю вільних електронів і дірок порушується. Якщо концентрація вільних електронів значно перевищує концентрацію дірок, такий напівпровідник називається напівпровідником n-типу. Якщо ж концентрація дірок значно перевищує концентрацію електронів, то такий напівпровідник називається напівпровідником p-типу.

Напівпровідник n-типу отримують додаючи в кристал, наприклад, 4-валентного германію (або кремнію) 5-валентної домішки. Атоми домішки розміщуються у вузлах кристалічної гратки і утворюють ковалентні зв’язки з чотирма близько розташованими атомами германію. При цьому в ковалентних зв’язках приймають участь лише чотири з п’яти валентних електронів з атома домішки. П’ятий електрон слабо зв’язаний з атомом домішки і в робочому інтервалі температур (40-120 ) електрон стає вільним, отримуючи за рахунок теплових коливань гратки додаткову енергію, що перевершує його початкову енергію зв’язку з атомом домішки. Таким чином, внесення кожного атома домішки приводить до утворення в кристалі одного вільного електрона. З ростом концентрації домішки зростає концентрація вільних електронів.

Напівпровідник p-типу виникає при додаванні у вхідний 4-валентний кристал 3-валентної домішки. У вузлі, де осідає атом домішки, залишається незаповнений ковалентний зв’язок і утворюється додатковий рівень енергії, який лежить біля валентної зони. В робочому інтервалі температур валентні електрони атомів германію отримують додаткову енергію, достатню, щоб перейти на цей рівень. Перехід валентних електронів германія на утворений в результаті внесення домішки рівень, веде до збільшення концентрації дірок, що приводить до виникнення p-провідності кристалу.

  1. Основні фізичні властивості p-n переходу.

Межа між провідниками p- і n-типу називаються p-n переходом. Безпосередньо після утворення p-n переходу проходить дифузія дірок в напівпровідник n-типу. В напівпровіднику n-типу дифундуючи дірки заповнюються вільними електронами, що призводить до утворення в цьому напівпровіднику зв’язного додатного заряду. В напівпровіднику p-типу дифундуючи електрони заповнюють дірки, в результаті чого тут утворюється зв’язний від’ємний заряд. Ці процеси призводять до утворення на межі між кристалами подвійного електричного шару, електричне поле якого протидіє подальшій дифузії основних носіїв через p-n перехід.

Після припинення дифузії основних носіїв, в при граничному шарі утворюється область, в якій відсутні вільні носії струму. Ширина цієї області визначається вихідними параметрами напівпровідників p- і n-типу. Потрібно відзначити, що електричне поле в при граничному шарі не протидії дифузії через p-n перехід неосновних носіїв струму (електронів з напівпровідника p-типу в напівпровідник n-типу і дірок з напівпровідника n-типу в напівпровідник p-типу). З ростом температури кількість носіїв різка зростає. Відповідно зростає і некерований тепловий струм через p-n перехід. Тому всі напівпровідникові прилади, принцип дії яки х базується на властивостях p-n переходу, зберігають робочу здатність тільки в обмеженому інтервалі температур.

Під’єднавши зовнішнє джерело струму до p-n переходу так, що “+” до частини з p-провідністю, а “-” до частини з n-провідністю, зовнішнє електричне поле повністю або частково компенсує поле подвійного електричного шару і через перехід тече великий струм основних носіїв. Електричний опір p-n переходу дуже малий.

Під’єднавши зовнішнє джерело струму до p-n переходу так, що “+” до частини з n-провідністю, а “-” до частини з p-провідністю, зовнішнє електричне поле суміщається з внутрішнім полем p-n переходу. В такому випадку струм основних носіїв через p-n перехід неможливий, так як носії заряду не можуть подолати великий потенціальний бар’єр подвійного електричного шару. Електричний опір p-n переходу великий.

Електричний опір зростає з ростом прикладеної зовнішньої напруги.

Результати досліду:

Прямий напрямок

Зворотній напрямок

1

0,1

0

-

60

4,5

13,33

2

0,2

0

-

80

5

16,00

3

0,3

0

-

100

6

16,67

4

0,4

0,002

200,00

120

6,5

18,46

5

0,5

0,008

62,50

140

7

20,00

6

0,6

0,017

35,29

160

7,5

21,33

7

0,7

0,028

25,00

180

8

22,50

8

0,8

0,041

19,51

200

8

25,00

9

0,9

0,055

16,36

220

9

24,44

10

1,0

0,071

14,08

240

9

26,67

11

1,1

0,085

12,94

260

9,5

27,37

12

1,2

0,102

11,76

280

10

28,00

13

1,3

0,115

11,30

300

10,5

28,57

Графік залежності струму від напруги:

При прямому напрямку:

При зворотному напрямку:

Графік залежності опору від прикладеної напруги:

При прямому напрямку:

При зворотному напрямку:

Контрольні запитання

  1. Яка природа діркових носіїв струму в напівпровідниках? Чи існують дірки в металах і діелектриках?

В напівпровідниках окрім вільних носіїв заряду також існують дірки (напівпровідники р- типу) , також дірки існують в металах і діелектриках.

  1. Чому концентрація домішки , яка вноситься в для створення р- і п- переходу не повинна перевищувати долей процента?

Провідність провідника обумовлена домішками, і називається домішковою провідністю. Наявність в напівпровіднику навіть незначної кількості домішки суттєво змінює його провідність, тому при великих концентраціях домішок напівпровідник втратить свої електричні властивості.

  1. При дуже високій зворотній напрузі Uзв відбувається руйнування (електричний пробій) р-п переходу. Чи залежить Uзв від температури?

Uзв залежить не тільки від поданої напруги, але і від температури.

5

Соседние файлы в папке Довбань