Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 6.3


СНЯТИЕ ВАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы:   1) изучение контактных явлений в полупроводниках;

2) снятие вольт-амперной характеристики  р – п-перехода.


Схема экспериментальной установки

Д – полупроводниковый диод; V1 и V2 – вольтметры;

А1 – миллиамперметр; А2 – микроамперметр; П – переключатель;

Р – потенциометр; R – реостат; В – выпрямитель; К – ключ

Теория метода

 На полупроводниковый диод Д через переключатель П подается постоянное напряжение от выпрямителя В. Цепь питания замыкается ключом К; потенциометр Р и реостат R позволяют регулировать подаваемое на диод напряжение. При установке переключателя П в положение 1 диод включен в прямом направлении; для измерения прямого напряжения служит вольтметр V1 , а силы тока через диод – миллиамперметр А1 . При обратном включении (положение 2 переключателя) соответствующие величины измеряются вольтметром V2 и микроамперметром А2 .

 Полупроводниковый диод представляет собой спай двух полупроводников с различным типом проводимости. Поверхность контакта полупроводника р-типа (дырочная проводимость) с полупроводником п-типа (электронная проводимость) образует так называемый р–п-переход, схематически изображенный на рис. 1. Рассмотрим подробнее явления, происходящие вблизи этой поверхности.

  Из п-области с высокой концентрацией свободных электронов происходит их диффузия в р-область, где эта концентрация очень мала. Имеющиеся там в избытке дырки легко «захватывают» пришедшие свободные электроны (т.е. эти электроны занимают вакантные места в ковалентных связях между атомами кристалла и тем самым перестают быть свободными). Таким образом происходит рекомбинация – попарное исчезновение положительного (дырки) и отрицательного (свободного электрона) носителей заряда. Рекомбинация приводит к тому, что с обеих сторон поверхности раздела образуется тонкий слой, лишенный основных носителей заряда и поэтому близкий по свойствам к диэлектрику. Кроме того, уход электронов из п-области обусловливает возникновение там избыточного положительного заряда, а их появление в р-области – возникновение нескомпенсированного отрицательного заряда. Следовательно, р–п-переход можно уподобить микроскопическому заряженному конденсатору, который создает внутреннее электрическое поле напряженностью Е0 . Направленность этого поля препятствует дальнейшему перемещению основных носителей через р–п-переход.

 Если к переходу приложить обратное напряжение, т.е. « + » к п-области, а « – » – к р-области, то внешнее поле будет сонаправлено с внутренним. И высота потенциального барьера для основных носителей увеличится. Через диод будет протекать очень малый по величине обратный ток, обусловленный движением малочисленных неосновных носителей. Обратный ток Iобр слабо зависит от приложенного напряжения Uобр ; однако при некотором его значении  наступает пробой, аналогичный пробою диэлектрика, и ток резко возрастает. На рис. 2 показан примерный вид ВАХ полупроводникового диода; ее ход при обратном включении изображен в левом нижнем квадранте.

  Прямое включение диода (« + » к р-области, « – » – к п-области) создает внешнее поле, направленное противоположно внутреннему. При этом высота потенциального барьера уменьшается, что благоприятствует движению основных носителей заряда через р–п-переход. С увеличением прямого напряжения Uпр сопротивление перехода уменьшается, и прямой ток Iпр быстро возрастает. «Прямая» ветвь ВАХ показана в правом верхнем квадранте (масштабы графиков для разных ветвей кривой по обеим осям различны между собой).

 Свойство полупроводникового диода работать в «запорном» и «пропускном» режимах в зависимости от направления приложенного к нему внешнего напряжения позволяет использовать эти устройства для выпрямления переменного тока. При подаче синусоидального напряжения диод пропускает ток в течение одной половины периода и практически не пропускает во второй половине. Такое выпрямление получило название одно-полупериодного.

Порядок измерений и обработки результатов

 1. Ознакомьтесь с экспериментальной установкой. Определите цену деления измерительных приборов: вольтметров V1 и V2 , миллиамперметра А1 и микроамперметра А2 ; научитесь снимать их показания.

  2. Установите потенциометр Р на нуль снимаемого напряжения, реостат R введите полностью.

3. Установите переключатель П в положение 1 (прямое включение диода). Замкните ключ К.

4. Руководствуясь рекомендациями, с помощью потенциометра и реостата постепенно повышайте подаваемое на диод и показываемое вольтметром V1 напряжение Uпр ; значение Uпр  и прямого тока Iпр  (показания миллиамперметра А1) записывайте в левую часть таблицы.

Прямое включение

Обратное включение

Номер опыта

Uпр ,

В

Iпр ,

мА

Номер опыта

Uобр ,

В

Iобр ,

мкА

1

 5. Повторите п. 2, после чего установите переключатель П в положение 2 (обратное включение).

  6. Действуя потенциометром и реостатом, постепенно повышайте (в соответствии с рекомендациями) обратное напряжение Uобр , фиксируя обратный ток Iобр . Значения этих величин (показания вольтметра V2 и микроамперметра А2) заносите в правую часть таблицы.

 7. По окончании измерений повторите п. 2 и разомкните ключ К.

 8. По результатам проведенных измерений постройте на одном графике, но в разных масштабах ВАХ для прямого и обратного включений диода (см. рис. 2). Сделайте выводы.

Контрольные вопросы

Примесная проводимость полупроводников. Полупроводники р- и п-типов.

Контактные явления в полупроводниках (р–п-переход). Прямое и обратное включение р–п-перехода.

Полупроводниковый диод и его практическое применение.

Лабораторные работы по электротехнике и физике