 |
Порядок выполнения работы.
|
|
|
|
Лабораторная работа №10
СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
P-N ПЕРЕХОДА
Цель работы: изучение свойств р-п перехода, снятие вольт-амперных характеристик при прямом и обратном направлении протекающего через переход тока и вольт-фарадной характеристики р-п перехода.
Содержание работы
По способу проводимости различают собственные и примесные полупроводники. Собственными называются чистые полупроводники типа Ge, Si, у которых число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне и уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны.
Каждый атом германия или кремния четырехвалентен, связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентными связями.
При повышении температуры (Т > 0) эти связи могут разрываться, и часть электронов может стать свободной и передвигаться по кристаллу, участвуя в собственной проводимости.
Если в решетку германия ввести донорную примесь, например, мышьяк, валентность которого на единицу больше чем у основного атома, то возникнет незанятый электрон примеси, способный свободно передвигаться по кристаллу. Это электронная проводимость полупроводника n-типа.
Если же в решетку кремния ввести трехвалентную акцепторную примесь (бор), то носителями тока становятся дырки, и возникает дырочная проводимость. Такой полупроводник называется дырочным (p-типа)
Контакт двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой - электронную проводимость, называется электронно-дырочным (или p-n) переходом (рис.1)
Рис.1
p-n переходы лежат в основе работы многих полупроводниковых приборов.
Рассмотрим физические процессы на контакте полупроводников р и n-типа.
|
|
|
Если донорный полупроводник приводится в контакт с акцепторным, электроны из полупроводника n-типа, где их концентрация выше, устремляются в полупроводник р-типа, где их концентрация ниже. При этом в n-типе остается нескомпенсированный положительный заряд ионизованных доноров, а в р-типе - отрицательный заряд ионизированных акцепторов. Эти заряды образуют двойной электрический слой (ДЭС), препятствующий дальнейшему обмену зарядами, а при определенной толщине p-n перехода наступает равновесное состояние, характеризующееся выравниванием уровней Ферми в полупроводниках. Если к p-n переходу приложить внешнее электрическое поле, способствующее движению основных носителей заряда к границе (“+” на р-типе, “-” на n-типе), то толщина контактного слоя уменьшается, уменьшается его сопротивление, и сила тока растет. Это прямая ветвь на ВАХ (рис.2)
Рис.2
При обратном смещении (“-” на р, “+” на n) основные носители зарядов стремятся удалиться от границы контакта вглубь, возникает запирающий слой. (обратная ветвь на ВАХ рис.2).
Дадим количественную оценку токам, протекающим через р-n переход.
Ток через р-n переход примерно равен числу электронов при температуре Т, способных преодолеть потенциальный барьер на контакте ΔW, и j, вследствие статистики Больцмана, определяется формулой:
(1)
где A=const, ΔW=qV0, k - постоянная Больцмана.
В равновесии jпрям. = jобр.
При прямом смещении V потенциальный барьер на контакте понижается, и соответствующий ток, следуя формуле (1), равен (1а):
(1a)
График этой функции приведен на рис.2,
при комнатной температуре 
=2,6*10-2B, так что при V~1B, 
>> 1
(1б)
Однако столь малый обратный ток будет наблюдаться не всегда. При некотором значении обратного смещения V (см. рис.2) он начнет резко расти. Это явление называется электрическим пробоем p-n - перехода, при этом p-n - переход выходит из строя.
Приборы и оборудование.
|
|
|
Установка состоит из объекта исследования ОИ (вилка с переключателем, в корпусе которой установлены исследуемые образцы) и устройства измерительного (УИ). Общий вид установки показан на рис. 3.
Рис.3
В объекте исследования установлены три диода и переключатель образцов (1), ручка управления которым выведена на переднюю панель. В положении переключателя "0" образцы отключены. На задней стенке объекта исследования установлены штыри для подключению его к устройству измерительному. Верхняя стенка объекта исследования выполнена прозрачной для возможности ознакомления с его устройством.
Устройство измерительное выполнено в виде конструктивно законченного изделия. На передней панели устройства измерительного размещены гнезда для подключения объекта исследования и размещены следующие органы управления и индикации:
– кнопки «+» (2), «–» (3) и СБРОС (4) - предназначены для регулирования напряжения и установки его в 0 (при этом при кратковременном нажатии происходит установка единиц, а при длительном – десятков, переключение диапазонов происходит автоматически);
– кнопка ВАХ - ВФХ (5) - предназначена для установки соответствующего режима работы (снятие ВАХ или ВФХ);
– кнопка ПРЯМАЯ - ОБРАТНАЯ (6) - предназначена для установки режима работы при снятии ВАХ (снятие ВАХ прямой или ВАХ обратной);
– индикатор В (7) - предназначен для индикации значения величины регулируемого напряжения;
– индикатор мА мкА пФ (8) - предназначен для индикации единиц измерения и величины измеряемых значений тока или емкости в процессе работы.
– индикаторы ВАХ – ВФХ - предназначены для индикации установленного режима работы (управляется кнопкой ВАХ–ВФХ, во время установки соответствующего режима индикатор светится).
– индикаторы ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ - предназначены для индикации установленного режима работы при снятии ВАХ (управляется кнопкой ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ, во время установки соответствующего режима индикатор светится)
Примечание: При работе переключение диапазонов измерения происходит автоматически.
На задней панели устройства измерительного расположены выключатель СЕТЬ, клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), и сетевой шнур с вилкой.
|
|
|
Порядок выполнения работы.
1. Вставить объект исследования в розетку прозрачной крышкой вверх.
2. Включить установку выключателем СЕТЬ на задней панели устройства измерительного (при этом на индикаторах В и мА мкА пФ должны установиться нули и светиться индикаторы ВАХ и ПРЯМАЯ (допускается индикация до значения 2 младшего разряда).
3. Дать прогреться установке в течении 5 мин.
4. Переключателем образцов на ОИ, расположенным на его передней стенке, выбрать образец диода (p-n перехода), характеристики которого будут исследоваться.
5. Установить с помощью кнопок «+» и «–» необходимые значения напряжения на p-n переходе. Считать с индикатора мА, мкА, пФ значения (измеряемая величина и размерность при этом индицируется светодиодами индикатора, знак не индицируется). Подготовить данные для построения прямой ветви характеристики. Результаты занести в таблицу:
| Vпр., В | |
| I, мА |
По окончании измерений нажать кнопку СБРОС
Примечание: При достижении значения тока 10 мА следует прекратить измерения, так как при этой величине (она является максимальной) источник питания p-n перехода переходит в режим ограничения тока.
6. Нажать кнопку ПРЯМАЯ - ОБРАТНАЯ для переключения установки в режим исследования обратной ветви характеристики. При этом погаснет индикатор ПРЯМАЯ и будет светиться индикатор ОБРАТНАЯ.
7. Установить с помощью кнопок "+" и "-" необходимые значения напряжения на p-n переходе. Считать с индикатора мА, мкА, пФ значения (измеряемая величина и размерность при этом индицируется светодиодами индикатора, знак не индицируется). Подготовить данные для построения обратной ветви характеристики. Данные занести в таблицу:
| Vобр., В | |
| I мА |
Примечание: При достижении значения напряжения -30 В следует прекратить измерения, так как при этой величине (она является максимальной) источник питания p-n перехода переходит в режим ограничения напряжения.
8. По окончании измерений нажать кнопку СБРОС.
9. Повторить пп. 5...8 для 2-го и 3-го образца диода.
|
|
|
10. Установка допускает снятия вольтфарадной характеристики. Порядок работы для снятия ВФХ описан ниже.
10.1. Нажмите кнопки ВАХ - ВФХ для переключения установки в режим исследования вольтфарадной характеристики. При этом должны засветиться индикаторы ВФХ.
10.2. Повторить пп. 4...9 для снятия ВФХ образцов диодов.
11. По окончании работы выключить питание установки выключателем СЕТЬ, отсоединить объект исследования от устройства измерительного и сдать его на хранение (если это предусмотрено).
Обработка результатов
1. По полученным данным построить ВАХ для прямого и обратного токов (рис.2) характеристики исследуемых p-n переходов
2. Для напряжения V = 1 В рассчитать коэффициент выпрямления
(2)
3. По ВАХ найти сопротивление диода для разных значений Vпр.
R = dV/dI, (3)
как тангенс угла наклона касательной в данной точке (при заданном V).
4. Построить зависимости R=f(V), ln R = f (V).
Контрольные вопросы
1. Объяснить существование проводимости разных типов в полупроводниках.
2. Что такое p-n - переход.
3. Как возникает двойной электрический слой в p-n - переходе.
4. Объяснить рост тока через p-n - переход при прямом смещении и практическое отсутствие тока при обратном.
|
|
|
