metod_uk_3sem / Магнетизм(31-37) PDF / Мет 32

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет

32

Изучение работы полупроводниковых выпрямителей

Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей

дневной и заочной формы обучения

Ухта

2007

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Целью работы является изучение внутреннего механизма односторонней проводимости n-p перехода и снятие вольтамперной характеристики селенового выпрямителя.

Краткая теория

По своим электрическим свойствам твердые тела разделяются на

металлы, полупроводники и диэлектрики.

Различия электрических свойств металлов, полупроводников и диэлектриков связаны с распределением электронов в атомах.

Электроны в атомах движутся по строго определенным орбитам, которые распределяются по слоям. На каждой орбите может одновременно находиться не более двух электронов; эти два электрона не тождественны в своих свойствах – они отличаются друг от друга направлением спина (спином электрона называется момента импульса электрона). Каждый электрон обладает определенным запасом энергии, причем энергии электронов одного слоя близки друг другу, энергии же электронов, орбиты которых относятся к различным слоям, отличаются на большие величины. Все электроны , образующие электронную оболочку атома, подчиняются принципу Паули: никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

При образовании твердого тела из отдельных атомов и молекул состояние электронов, движущихся вокруг отдельн ых ядер на внутренних электронных оболочках, не меняется, внешние же электронные оболочки, в результате сближения атомов и возникающего сильного взаимодействия между электронами, перестраиваются.

3

продолжают удерживаться молекулами или ионами, которы м они принадлежат ( подвижность электронов в них ограничена –это диэлектрики).

Промежуточный случай, когда имеется наличие большого числа слабо связанных электронов, представляет собой полупроводник.

Уровни энергии для различных орбит электронов твердого тела графически представляются как показано на рис 1 .

Полосы А,В и С, в которых заключены разрешенные уровни энергии электронов, называются разрешенными зонами. Полосы же, в которых разрешенные уровни отсутствуют (полосы и ), называются запрещенными зонами.

В зависимости от направления спина, наличие на орбите электрона обозначено или точкой или крестиком.

Полностью заполненная электронами зона называется валентной. Зона, не все уровни которой заняты электронами, называется свободной, или зоной проводимости.

Переход электрона из валентной зоны в свободную связ ан с затратой

перекрываются. При этом создаются условия для перехода электронов на незанятые уровни без значительной затраты энергии.

Уполупроводников W 1 эВ. Часть электронов из валентной зоны может при тепловом движении переходить в зону проводимости с затратой энергии W за счет внутренней энергии решетки, кристалла.

Удиэлектриков W 3 эВ и электронов проводимости практически нет.

Существенным отличием от металло в, предопределяющим возможности технического использования пол упроводников, является двойственная природа носителей заряда в полупроводниках.

Рассмотрим механизм проводимости полупроводников. Полупроводниками с собственной проводимостью являются элементы ІV группы таблицы Менделеева германий (Ge) и кремний (Si). В ни х каждый атом связан ковалентной связью четырьмя электронами с окружающими четырьмя атомами. Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле германия представлена на рис 2.

4

Уже при комнатной температуре за счет теплового движения часть электронов отцепляются и становятся свободными. В покинутом электроном месте образуется дырка (она изображена на рис 2. белым кружком, это место может занять электрон от соседней пары). В результате дырка и освободившийся электрон могут перемещаться в электрическом п оле (электроны против поля, дырка по полю). Итак, чистые полупроводники обладают электронной (n) и дырочной (p) проводимостью.

Особую роль в физике и технике играют так называемые примесные полупроводники.

Наличие примесных атомов сказывается на поведении полупроводника двояко. Если в кристаллической решетке чистого четырехвалентного полупроводника германия один из атомов заместить атомом пятивалентной сурьмы, то последний легко отдаст лишний пятый электрон. В той же решетке атом трехвалентного индия, заместивший один из атомов германия, будет стремиться присоединить к себе четвертый электрон.

Примеси, отдающие электроны, называются донорными; примеси, стремящиеся присоединить к себе электроны, акцепторными.

Рассмотрим прохождение тока через полупроводники с разным типом электропроводности (рис. 3). Здесь дырки изображены в виде кружочков, а электроны в виде точек. Плюсом или минусом обозначены атомы кристаллической решетки, имеющие примесную проводимость p -типа и n- типа соответственно. . В полупроводнике n типа под действием э.д.с. источника в проводах, соединяющих полупроводник с источн иком, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости.

Рис. 7

В полупроводнике p–типа в соединительных проводах по-прежнему движутся электроны, а в полупроводнике ток следует рассматривать как

5

перемещение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие к этому полюсу дырки. Им на смену приходят под действием электрического поля новые дырки из центральных участков полупроводника. К положительному контакту приходят электроны из соседних участков полупроводника, и в них образуются дырки, которые перемещаются под действием поля к отрицательному контакту.

Вентильные свойства электронно-дырочного перехода

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно дырочным или n-p переходом. Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рис. 4, а). Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рис 5, а). В результате теплового движения из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обра тном направлении диффундируют дырки. В результате диффузии носителей заряда по обе стороны границы раздела полупроводников создаются объемные заряды различных знаков. Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле, напряженность котор ого Е К изображена на рисунке стрелкой.

Приложим к рассматриваемой системе внешнее напряжение так, чтобы оно уменьшало контактную разность потенциалов. В результате по цепи пойдет электрический ток.

Такое напряжение называют прямым, а ток, вызванный этим напряжением, прямым током.

Если изменить полярность внешнего источника, то под действием такого обратного напряжения через переход протекает очень небольшой обратный ток, т.к. электрическое поле будет оттягивать заряды обоих типов

6

от границы раздела, создавая в области контакта зону, обедненную носителями заряда (запирающий слой).

При данном напряжении источника прямой ток (от p-полупроводника к n-полупроводнику) в десятки и сотни раз превышает обратный.

Если к n-p переходу приложить переменную разность потенциалов, меняющуюся по синусоидальному закону, то в цепи пойдет почти выпрямленный ток, т.е. n-p переход обладает выпрямляющим действ ием.

Выполнение работы

Для исследования зависимости силы тока от величины и направления приложенного напряжения собирается электрическая цепь по схеме (рис. 5), где соответствующим значком обозначен изучаемый селеновый выпр ямитель.

По результатам измерений строится график зависимости тока от напряжения (рис. 6) и определяется коэффициент выпрямления. Коэффициент выпрямления равен отношению прямого тока к обратному, измеренным при одинаковых по величине прямом и обратном напр яжениях:

Рис. 6

1.Установить потенциометр на минимум снимаемого напряжения. Двухполюсный переключатель устан овить положение «прямой ток».

2.Включить источник питания и, плавно повышая напряжение в пределах от 0 до 1,5 снять 5-10 значений тока и напряжения.

3.Плавно уменьшить напряжение до нуля и перевести переключатель в положение «обратный ток», при этом к цепи исследуемого выпрямителя будет подключен микроамперметр.

4.Плавно повышая напряжение от 0 до 3В снять 5 -10 значений обратного тока и напряжения.

5.Зарисуйте вид графиков, соответств ующих переменному току, однополупериодному и 2х-полупериодному выпрямлению тока.

Контрольные вопросы

1.Какие вещества называются полупроводниками?

2.Что является носителями тока в собственных полупроводниках?

3.Назовите типы проводимости примесных полупроводников.

4.Чем объясняется односторонняя проводимость n-p перехода?

8

5.Что называется коэффициентом выпрямления и как он определяется?

6.Где и для чего применяются полупроводниковые диоды?

Индивидуальные задания

1.Почему контакт двух металлов не может быть использован для создания односторонней проводимости?

2.Почему контакт двух полупроводников с р азным типом проводимости (р-n переход) более эффективен для создания односторонней проводимости, чем контакт металла с полупроводником?

3.Коэффициент выпрямления α = 1000. Сопротивление p-n перехода 10 Ом, обратное напряжение 3 В. Чему равен прямой ток?

Библиографический список

Трофимова Т.И. Элементы физики твердого тела . /Т.И. Трофимова // Курс физики: Учеб. М., 1998. – § 240-243. – С. 442 - 451.

9