Фізика(готові лабораторні роботи) / Довбань / lr56
.docМіністерство 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.
-
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.
-
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
-
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.
-
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.
-
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.