Fizika_Laboratornye_raboty / 39

Условные обозначения:

— положительные ионы донорной примеси,

– — отрицательные ионы акцепторной примеси, — электроны, — дырки

Рис. 8

плюс (рис. 8 б), то основные носители — электроны в n-области и «дырки» в p- области — пойдут навстречу друг другу к границе перехода, если Евнеш > Еnp. Толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Поэтому электроны и «дырки» свободно проходят через переход. Ток при таком подключении диода течёт. Если изменить полярность источника (рис. 8 в), то внешнее электрическое поле будет направлено по полю запирающего слоя. Это приводит к увеличению толщины запирающего слоя и к росту его сопротивления. В этом случае ток будет обусловливаться только неосновными носителями (собственной проводимостью полупроводника), концентрация которых крайне мала. Поэтому можно считать, что ток через диод не проходит. Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью.

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

На основе примесных полупроводников созданы устройства, являющиеся важными компонентами современных электронных приборов — диоды, транзисторы и т.д. Их важным преимуществом являются высокая надёжность, большой срок службы и миниатюрность. В настоящее время на 1 см2 кристалла удаётся разместить сотни тысяч таких элементов, в связи с чем и появились, например, персональные ЭВМ, размещающиеся на столе и обладающие огромными вычислительными возможностями. Рассмотрим принцип работы диодов.

11

Полупроводниковый диод представляет собой p — n - переход, причём р область полупроводника называется анодом, а n область — катодом. На электрических схемах диод обозначается . В диоде за направление тока принимается направление движения дырок, поэтому ток в нём течёт от анода к катоду.

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода называется зависимость силы тока, протекающего через диод, от приложенного напряжения:

Эта характеристика имеет вид, изображённый на рис. 9.

IПри прямом включении p — п- перехода (когда на p- область подаётся “+”, а на n-область —“–“) он открыт и через него протекает ток основных носителей. Причём, чем больше приложенное прямое напряжение, тем больше величина прямого тока. Увеличение тока происходит в полном соответствии со статистикой Больцмана, так как основные носители приобретают от поля дополнительную энергию и становятся способными преодолеть потенциальный барьер, созданный ионами примесей. С другой стороны, рост тока указывает на резкое уменьше-

ние электрического сопротивления перехода. В случае

Uобратного включения перехода (когда на р-область подаётся “–“, а на n-область “+”) переход закрыт для основ-

ных носителей тока и открыт для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области). Более того, приложенное электрическое поле является ускоряющим для этих носителей. Поскольку концентрация неосновных носителей невелика, то и ток неосновных носителей имеет небольшую величину (доли миллиампера) и слабо зависит от приложенного обратного напряжения.

Следует заметить, что при больших величинах обратного напряжения ток через диод может резко увеличиться до больших значений, так как может наступить электрический пробой перехода, при котором валентные электроны будут вырываться полем из химических связей.

Исследования показали, что зависимость тока через диод от приложенно-

Здесь Iн — значение обратного тока неосновных носителей в состоянии насыщения, U — приложенное напряжение, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, e — заряд электрона.

Из уравнения (2) видно, что ток экспоненциально возрастает в случае eU > kT, поэтому сопротивление диода должно уменьшаться также по экспоненциальному закону с линейным ростом U. Следовательно, полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление в зависимости от при-

12

ложенного напряжения. Из уравнения (2), когда eU > kT и exp(eU/k T) >> 1, получаем, что

Прологарифмируем уравнение (3):

Из (4) видно, что зависимость lg I = f (U) представляет собой уравнение прямой типа y = ax + b, где b = lg Iн; a = e/kT, а х = U. Таким образом, если экспериментальные значения lg I в зависимости от приложенного к диоду напряжения “лягут” на прямую линию, то это будет экспериментальным доказательством справедливости наших теоретических рассмотрений.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Целью работы является изучение принципа работы и вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Снятие этой характеристики (прямой и обратной ветви) осуществляется на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 10. Лабораторная установка состоит из источника постоянного напряжения “ + “ и “–“ регулируемой величины; исследуемого полупроводникового диода типа Д9В и многопредельного измерителя тока (микроамперметра). Переключатель П1, находящийся внутри источника напряжения, позволяет выбрать режим измерения: 1 — прямая ветвь, 2 — обратная ветвь. При этом источником вырабатываются на выходных клеммах заданные значения напряжения, которые подаются на анод диода: +0,9 ÷ +0,1 В для прямой ветви и –9 ÷ –1 В для обратной ветви. Ток диода измеряется микроамперметром, пределы измерения которого могут изменяться переключателем, установленным на измерительном приборе.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

1.Включите установку в сеть.

2.Поставьте переключатель П1 в положение 1 — прямая ветвь.

3.Переключая переключатель П2, подавайте на анод диода положительные напряжения от +0,9 до +0,1 В и записывайте показания силы тока (при необходимостиувеличиваяилиуменьшаячувствительностьизмерителятока).

4.Поставьте переключатель П1 в положение 2 — обратная ветвь.

5.Переключая переключатель П2, подавайте на анод диода отрицательные напря- женияот–9 до–1 В, измеряя приэтомтокдиодамикроамперметром.

13

6.Результаты измерений занесите в таблицы 1 и 2. По данным таблиц 1 и 2 постройте зависимость I = f (U) диода для прямой и обратной ветви.

7.Прологарифмируйте величины токов. Заполните таблицу 1.

8.Постройте зависимость lg I = f (U). Убедитесь, что эта зависимость имеет вид прямой.

Таблица 2

9.Определите в каждой точке на прямой ветви ВАХ диода значение его сопротивленияпоформулезаконаОмадляучасткацепи. Ri = Ui / Ii Заполнитетаблицу1.

10.Постройте график зависимости R= f (U) Убедитесь, что эта зависимость носит экспоненциальный характер.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.

2.Объяснитемеханизмсобственнойипримеснойпроводимостиполупроводников.

3.Чем обусловлены изменения проводимости полупроводников с изменением температуры и концентрации носителей тока.

4.Расскажите о явлениях, происходящих на р — п - переходе.

5.Почему вольтамперная характеристика диода имеет экспоненциальную зависимость от приложенного напряжения?

6.Почему ток диода на обратной ветви незначительно зависит от обратного напряжения?

7.Объясните принцип работы лабораторной установки.

14

СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ СНЯТИЯ ВОЛЬТ–АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

15