Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-11

.doc
Скачиваний:
24
Добавлен:
01.05.2014
Размер:
519.68 Кб
Скачать

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3-11

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Приборы и принадлежности: установка для снятия вольтамперной характеристики диода, исследуемый полупроводниковый диод, панель с однополупериодными выпрямителями, осциллограф, источник питания.

ВВЕДЕНИЕ

Схема устройства плоскостного полупроводникового диода изображена на рисунке 1. Основной деталью диода является кристаллическая пластинка германия «а» с проводимостью n – типа (электронной проводимостью). К одной из граней этой пластины приварена капля индия «б». При вплавлении этой капли в пластине, имеющей начала лишь электронную проводимость, возникают две резко разграниченные области с электронной (n) и дырочной (p) проводимостями. На границе этих областей возникает, так называемый, (p-n) переход, обладающий односторонней проводимостью для электрического тока. Пластинка германия «а» припаяна оловом «в» к основанию металлического корпуса «г», защищающего кристалл от внешних воздействий и имеющего контактный вывод «д». Второй контактный вывод «д» соединен с каплей индия «б». Он проходит в металлической трубочке «е» вплавленной в стеклянный изолятор «и».

Рисунок 1

Рисунок 2

Рассмотрим кратко принцип действия полупроводникового диода. В пластине германия с электронной проводимостью кроме основных носителей электрического заряда – электронов, всегда имеется некоторое количество необоснованных носителей – дырок. Соответственно и в индии с «дырочной» проводимостью кроме основных носителей – дырок имеется небольшое количество неосновных носителей – электронов. При отсутствии внешнего электрического поля через границу полупроводникового диода (рис.2) взаимно диффундируют основные и неосновные носители электрического заряда – электроны и дырки. Электроны из n - германия диффундируют в p – германий, а дырки из p – германия диффундируют в n – германий.

Германий с n проводимостью p – типа образуется в результате диффузии атомов индия в n – германия при вплавлении капли индия. В результате границы двух полупроводников возникает двойной слой электрических зарядов, в котором внутреннее электрическое поле (рис. 2) препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. При образовании двойного электрического поля по обеим сторонам от границы полупроводников происходит рекомбинация электронов и дырок, в результате чего здесь образуется область обеднения носителями заряда. Это так называемый, запирающий слой. Не смотря на малую толщину этот слой составляет главную часть сопротивления диода.

При прямом включении диода в электронную цепь (рис.3) в диоде возникает внешнее электрическое поле, направленное от полупроводника p – типа к полупроводнику n – типа (вектор , рис. 3). Под действием сил внешнего поля основные носители в каждом полупроводнике движутся к границе раздела полупроводников (рис.3).

Рис. 3 Рис. 4

Толщина запирающего слоя при таком включении уменьшается, его сопротивление снижается. Ток, образованный движением основных носителей заряда и направленный от полупроводника p – типа к полупроводнику n – типа, называется прямым током диода. Прямым называют и напряжение, приложенное к диоду в этом случае.

При включении диода по схеме, указанной на рис. 4, силы внешнего поля препятствуют подходу основных носителей заряда к границе полупроводников. Ширина запирающего слоя при этом увеличивается, а его сопротивление резко возрастает. Небольшой ток течет через диод и при обратном включении. Он создается движением неосновных носителей заряда. Этот ток направлен от электронного полупроводника к полупроводнику p – типа. Его называют обратным током диода. Обратным называют и напряжение, приложенное к нему в этом случае.

1. СНЯТИЕ ВОЛЬАМПЕРНОЙ ХАРКТЕРИСТИКИ ДИОДА

Эта часть работы выполняется в два приема. Сначала производят измерения силы прямого тока от величины прямого напряжения, приложенного к диоду, а затем – силы обратного тока от величины обратного напряжения. В обоих случаях используется установка, передняя панель которой изображена на рисунке 5, где 1 – переключатель полярности напряжения, 2 – прибор для измерения тока, 3 – вольтметр, 4 – рукоятка регулятора напряжения, 5 – выключатель источника питания, 6 – исследуемый диод.

Для измерения силы прямого тока в установке (рис. 5) переключатель 1 ставят в положение 1. При таком положении переключателя прибор 2 является миллиамперметром, шкала которого рассчитана на 500 мА, прибор 3 является вольтметром со шкалой на 1В. При этом диод 6 включается в электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 6.

Вращая рукоятку регулятора напряжения 4 по часовой стрелке увеличивают напряжение, подаваемое на диод. Величину прямого тока измеряют при напряжениях 0,2; 0,4; 06; 0,8 В.

Рис. 5 Рис.6

Данные заносят в таблицу 1.

Таблица 1

Прямой ток, мА

Прямое напряжение, В

При измерениях обратного тока в установке (рис.5) переключатель 1 переводят в положение 2. При этом диод, включается по схеме, изображенной на рис. 7, прибор 2 становится микроамперметром со шкалой на 100 А, а прибор 3 – вольтметром со шкалой на 20 В.

Рис. 7

Вращая ручку переменного тока сопротивления 4 по часовой стрелке, увеличивают обратное напряжение на диоде. Производят измерения обратного тока при напряжении 0,2, 1, 2, 5, 10 В. Полученные данные заносят в таблицу 2.

Таблица 2

Обратный ток, мА

Обратное напряжение, В

По данным таблицы 1 и таблицы 2 на миллиметровой или клетчатой бумаге строят вольтамперную характеристику диода. По оси ординат откладывают силу тока по оси абсцисс – напряжение.

Прямой ток и прямое напряжение считают положительными, обратный ток и обратное напряжение считают отрицательными. Ввиду того, что обратный ток значительно меньше прямого, при построении кривых для прямого и обратного токов можно использовать различные масштабы.

2. НАБЛЮДЕНИЕ ОСЦИЛЛОГРАММ ПЕРЕМЕННОГО И ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКОВ

Полупроводниковые диоды широко применяются для выпрямления переменного тока, для получения тока одного направления в какой – либо нагрузке. На практике применяются и однополупериодное и двухполупериодное выпрямления. На рисунке 8 изображена лицевая сторона панели, на которой собраны однополупериодный выпрямитель «а» и двухполупериодный выпрямитель «б». В обоих выпрямителях сопротивление резистора R является нагрузкой, по которой протекает выпрямленный ток.

Для наблюдения осциллограмм панель с выпрямителями и осциллограф включают в сеть с напряжением 220 В. Клеммы «ЗЕМЛЯ» и «ВХОД» о находящиеся на передние панели осциллографа подключают вначале к гнездам «А» и «В» однополупериодного выпрямителя «а». Замыкают ключ «К». В этом случае диод не работает, он шунтирован ключом, и по резистору R протекает переменный ток. При этом на экране осциллографа наблюдают осциллограмму переменного тока. Затем размыкают ключ «К» и наблюдают осциллограмму напряжения на резисторе R при однополупериодном выпрямлении.

Для наблюдения осциллограммы при двухполупериодном выпрямлении клеммы осциллографа «вход» и «земля» подключают к гнездам «С» и «Д», ножи двухполюсного переключателя ставят в положение 2. В этом случае резистор R включает в сеть переменного тока и на экране наблюдается синусоида.

Рис. 8

Затем ножи переключателя перебрасывают в положение 1. При этом резистор R подключается к двухполупериодному выпрямителю собранному по мостовой схеме. На экране осциллографа наблюдается осциллограмма напряжения на резисторе R при двухполупериодном выпрямлении.

Осциллограммы напряжения на резисторах при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении надо зарисовать и приложить к отчету.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Поясните деление твердых тел на проводники, полупроводники и изоляторы по зонной теории.

2. Объясните различие собственной и примесной проводимости полупроводников. Каким образом получают полупроводники с проводимостью n – и p – типа?

3. Объясните принцип действия двухполупериодного выпрямителя, применяемого в данной работе.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский, Курс общей физики, 1990, с. 527-529.

2. Т.И. Трофимова, Курс общей физики, 1990, с.404-407.