Выключите электрооборудование и приведите рабочее место в порядок.

Лабораторная работа № 3.08

Изучение основных параметров полупроводниковых диодов

 

 

 

Минск

2014

Лабораторная работа № 3.08

Изучение основных параметров полупроводниковых диодов

Цель работы: Экспериментально исследовать зависимость силы тока через полупроводниковый диод, овладеть методикой измерений силы тока при прямом и обратном включении диода в электрическую цепь.

Приборы и оборудование: диод полупроводниковый на колодке; источник электропитания для практикума ИЭПП-1, или В 24; микроамперметр постоянного тока М 303; электронный вольтметр постоянного тока М45М; мультиметр D 832; ключ; комплект соединительных проводов.

Вопросы для допуска к лабораторной работе:

1. Объясните механизм примесной проводимости полупроводников.

2. При каких условиях в примесном полупроводнике возникает электронная проводимость? Приведите примеры.

3. При каких условиях в примесном полупроводнике возникает дырочная проводимость? Приведите примеры.

4. Какой проводимостью будет обладать германий при введении в него небольшого количества алюминия? мышьяка?

5. Как влияет на проводимость металлических проводников, полупроводников и диэлектриков наличие в них небольшого количества примесей?

6. Объясните, как образуется ‑ переход.

7. Можно ли получить ‑ переход вплавлением алюминия в индий? Почему?

Теоретическое введение

Проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, называется примесной проводимостью полупроводника. Примеси, создающие в полупроводниках свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными. Полупроводники, содержащие донорные примеси, называют электронными полупроводниками или полупроводниками n – типа. Примеси, наличие которых в кристалле полупроводника приводит к образованию дырок, называют акцепторными. Полупроводники, содержащие акцепторные примеси, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p – типа.

Широкое использование полупроводников в современной радиоэлектронике связано с эффектами, возникающими при контакте полупроводников ‑ и ‑ типов. В зоне контакта полупроводников с разными типами примесной проводимости образуется тонкий слой, который называется электронно-дырочным переходом или ‑ переходом. ‑ переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью. Это свойство используется при изготовлении полупроводниковых диодов.

Электронно-дырочный переход. Рассмотрим полупроводник, одна часть которого содержит донорную примесь и поэтому является полупроводником ‑ типа, а вторая – акцепторную примесь и является полупроводником - типа.

Вследствие того что концентрация электронов в ‑ области значительно выше, чем в ‑ области, а соответственно и концентрация дырок в ‑ области значительно больше, чем в ‑ области, через границу раздела происходит диффузия электронов из ‑ в ‑ область и диффузия дырок из ‑ в ‑ область. Диффундирующие через ‑ переход во встречных направлениях дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому ‑ переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между ‑ и ‑ областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательно заряженными ионами, возникшими в результате захвата электронов атомами примеси, заряд которых не скомпенсирован в ‑ области, и положительно заряженными ионами примеси, заряд которых не компенсируется электронами в ‑ области. Электрическое поле в этом слое направлено так, что оно противодействует дальнейшему переходу основных носителей тока через границу раздела. Иначе говоря, в зоне перехода между полупроводниками ‑ и ‑ типов образуется запирающий слой (рис. 1).

Соберем электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки и полупроводника с ‑ переходом. При этом положительный полюс источника тока подключим к ‑ области, а отрицательный - к ‑ области (рис. 2). При замыкании цепи лампочка светится, т.е. по цепи проходит электрический ток.

 

 

 

Это обусловлено тем, что под действием электрического поля, созданного источником, запирающий слой начнет исчезать, т. к. напряженность   внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряженности поля запирающего слоя, и практически полностью компенсирует ее. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей заряда через ‑ переход: из области  в область - электронов, а из области  в область  - дырок. При этом толщина - перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление (рис. 3). В этом случае ‑ переход включен в прямом (пропускном) направлении.

Вольт-амперная характеристика прямого перехода представлена участком ОВ на рисунке 4.

Если изменить полярность включения источника тока (рис. 5). При замыкании цепи лампочка не светится, т. е. электрического тока в цепи нет.

 

 

 

Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, т. к. направление напряженности  электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряженности поля запирающего слоя. В этом случае ‑ переход включен в обратном (запирающем) направлении (рис. 6) и ток через - переход практически равен нулю (если не учитывать ток, созданный неосновными носителями, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей тока). Вольт-амперная характеристика обратного перехода представлена на рисунке 4 (участок ОА). Таким образом, ‑ переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью.

Если положительный полюс источника тока подключить к ‑ области, а отрицательный — к ‑ области (рис. 9.35), то под действием электрического поля, созданного источником, запирающий слой начнет исчезать, так как электрическое поле источника направлено против поля, созданного двойным электрическим слоем и практически полностью компенсирует его. Это ведет к возобновлению диффузии основных носителей тока через ‑ переход и возникновению электрического тока в цепи. Говорят, что в этом случае ‑ переход включен в прямом (пропускном) направлении. Ток через ‑ переход в германии при комнатной температуре возникает, если к переходу в прямом направлении приложено напряжение ~0,3 В (в кремнии это напряжение ~0,6 В.

Таким образом, ‑ переход обладает односторонней проводимостью. Сила тока  через ‑ переход зависит от температуры перехода  и напряжения , приложенного к нему. Ее можно определить по формуле , где — максимальная сила тока, создаваемого неосновными носителями тока; заряд электрона; постоянная Больцмана.

Свойство односторонней проводимости ‑ перехода используется при изготовлении полупроводниковых диодов (рис. 7). Для получения

‑ перехода берется, например, кристалл германия с донорной примесью.

Такой кристалл обладает электронной проводимостью (или проводимостью ‑ типа).                                                       

Если в одну из поверхностей кристалла германия вплавить индий, то в поверхностном слое германия образуется область с проводимостью ‑ типа. Это объясняется результатом диффузии атомов индия в глубь кристалла германия. Та часть кристалла, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость ‑ типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов возникает ‑ переход (рис. 7). В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий — анодом. Схематическое обозначение диода приведено на рисунке 8.

 

 

Для защиты от внешних воздействий кристалл германия помещают в герметичный металлический или стеклянный корпус (рис. 9).

Полупроводниковые диоды имеют высокий коэффициент полезного действия, они долговечны и миниатюрны по размерам. К недостаткам полупроводниковых диодов относится то, что они могут работать в ограниченном интервале температур (от ‑ 70 ºС до 125 ºС).

Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного то ка и детекторов электромагнитных сигналов.

С помощью полупроводниковых диодов можно осуществить непосредственное превращение энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Такие диоды называют фотодиодами (рис. 10).

Если к выводам фотодиода подключить, например, резистор, то в электрической цепи появится электрический ток, созданный неосновными носителями тока, возникающими под действием излучения, падающего на фотодиод, вследствие их диффузии через ‑ переход. В данном режиме фотодиод работает как источник тока. Причем, электрический ток, проходящий через фотодиод, линейно зависит от интенсивности падающего на него света. В данном режиме фотодиод работает как источник тока (солнечная батарея).

Если к фотодиоду приложить запирающее напряжение и направить на него электромагнитное излучение, то через диод будет проходить обратный ток. Сила этого тока изменяется прямо пропорционально интенсивности излучения, падающего на диод (рис. 11). В таком режиме фотодиод работает как фоторезистор и его можно использовать для управления током в электрической цепи. Фотодиоды применяются в измерительной технике, системах автоматики. 

Светоизлучающий диод (светодиод) представляет собой миниатюрный полупроводниковый диод, помещенный в прозрачный корпус (рис. 12). Излучение света происходит при рекомбинации электронов и дырок, которые под действием электрического поля, созданного источником тока, проходят через ‑ переход, включенный в пропускном направлении ("плюс" источника тока подключен к ‑, а "минус" — к ‑ области диода). Излучение света таким диодом происходит при восстановлении ковалентной связи в кристалле полупроводника. Используя светодиоды, изготавливают, например, светодиодные светильники (рис. 13).

Вольт-амперные характеристики (зависимость силы тока от напряжения) германиевого и кремниевого диодов приведены на рис. 14.  

Коэффициентом выпрямления k диода называют отношение значения силы прямого тока к значению силы обратного тока , измеренные при одинаковых значениях прямого и обратного напряжения .          

Методика измерений и обработка результатов

Работу выполняют с полупроводниковым диодом Д 226, или аналогичным ему. Основная деталь его — монокристаллическая пластинка германия 5 (рис. 15), к одной из сторон которой приварена капля индия 4. В результате в пластинке, имеющей сначала лишь электронную проводимость, получились две разграниченные области с электрон­ной (n) и дырочной (р) проводимостями. На границе этих областей образовался электронно-дырочный переход (n – р), обладающий односторонней проводимостью для электрического тока.

Пластинка германия припаяна оловом 6 к основанию металлического корпуса 7, который защищает кристалл от внешних воздействий. Один контактный выход 8 соединен с пластинкой германия, второй контактный выход 1 — с каплей индия. Он проходит в металлической трубке 2, вплавленной в стеклянный изолятор 3. Выводы диода подведены на панели к двум зажимам, которые обозначены знаками «+» и «–».

При отсутствии внешнего электрического поля через электронно-дырочный переход диода взаимно диффундируют основные носители заряда: электроны из n-германия диффундируют в p-германий, а дырки из р-германия переходят в n-германии. В результате по обе стороны границы раздела двух полупроводников обра­зуются объемные заряды различных знаков, а вместе с этим и электрическое поле. Это поле препятствует диффузии основных носителей заряда и поддерживает обратное движение неосновных носителей заряда, т. е. дырки из n-области перемещает в р-область, а электроны из р-области перемещает обратно в n-область.

При встречном движении электронов и дырок часть из них рекомбинирует, в результате в переходе n — p образуется слой толщиной 10^-4— 10^-5 см, обедненный подвижными носителями заряда. Этот слой называют запирающим слоем. Несмотря на малую толщину, запирающий слой составляет главную часть сопротивления диода.

При отсутствии внешнего электрического поля токи, образованные движением основных и неосновных носителей заряда, равны по абсолютной величине, но противоположны по направлению, поэтому сила тока через переход равна нулю.

При действии на диод внешнего электрического поля, на­правленного от дырочного полупроводника к электронному, электрическое поле перехода n — р слабеет, основные носители зарядов движутся к границе раздела двух полупроводников, толщина и сопротивление запирающего слоя уменьшаются, в результате чего диффузионный ток основных носителей заряда возрастает и общая сила тока через переход становится не равной нулю. Ток, образованный движением основных носителей заряда и направленный от дырочного полупроводника к электронному, называют прямым током диода.

С изменением полярности приложенного напряжения электрическое поле перехода п — р возрастает и диффузионное движение основных носителей заряда через переход прекращается: электрическое поле удаляет основные носители зарядов из пограничных слоев в глубь электронной и дырочной областей. Поэтому толщина запирающего слоя увеличивается, а сопротивление его возрастает. Однако небольшой ток и в этом случае течет через диод, он создается движением неосновных носителей заряда. Этот ток направлен от электронного полупроводника к дырочному и называется обратным током диода. В зависимости от направления тока в диоде приложенное к нему напряжение, а также сопротивление диода называют прямыми или обратными.

В данной работе надо исследовать зависимости сил прямого и обратного токов диода от приложенных к нему напряжений, построить графики этих зависимостей и вычислить коэффициент выпрямления k диода.

Порядок выполнения работы

ЗАДАНИЕ 1. Исследуйте зависимость силы прямого тока от приложенного к диоду напряжения.

1. Соберите электрическую цепь по схеме, показанной на рисунке 16. Диод включите в пропускном направлении, обратив внимание на знаки «+» и «–», указанные на его панели. Источником тока в этих измерениях служит источник постоянного и переменного напряжения ИЭПП или В 24. Напряжение на диод подают с потенциометра источника напряжения и измеряют электронным вольтметром с вставным модулем «0– 30 В», силу прямого тока диода — миллиамперметром мультиметра, включенным вначале на 20 мА,  а затем – на 200 мА.

2. Увеличивая напряжение на диоде от   до , измерьте соответствующие значения силы тока и напряжения.

3. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

U, B

I, мА

 

Предупреждение. Сила прямого тока диода не должна превышать 200 мА, иначе диод выйдет из строя.

ЗАДАНИЕ 2. Исследуйте зависимость силы обратного тока от приложенного к диоду напряжения.

1.Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 17, обратите внимание на отличие включения диода и вольтметра. Источником тока здесь служат источник электропитания. Напряжение на диод подают с потенциометра источника электропитания для практикума ИЭПП-1, или аналогичного ему  

2. Плавно увеличивая обратное напряжение на диоде измерьте силу обратного тока диода при следующих значениях напряжения 100 мВ, 200 мВ, 300 мВ, 500 мВ.

3. Результаты измерений запишите в таблицу 2.

Таблица 2

U,B

I, мкА

4. По экспериментальным данным постройте график зависимости силы тока от приложенного напряжения. Силу прямого тока и прямое напряжение считайте положительными, а их обратные значения — отрицательными. По оси абсцисс отложите напряжение, а по оси ординат — силу тока.

5. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы.

Выключите электрооборудование и приведите рабочее место в порядок.

 

Вопросы и задания для самоконтроля:

1. Почему при измерении силы прямого тока в диоде все соединения в электрической цепи должны иметь хорошие контакты?

2. Почему опасно подавать прямое напряжение на диод более 0,5 В?

3. Почему длительное прохождение прямого тока изменяет сопротивление диода?

4. Зачем изменяют схему включения приборов, когда измеряют силы прямого и обратного токов в диоде?

5. На каком участке вольт-амперной характеристики сопротивление диода остается почти постоянным?

6. Определите тип проводимости полупроводников I и II на рисунке 18, если диод включен в обратном направлении.

7. На рисунке 19 а), б) изображены ‑ переходы двух диодов и направления движения основных носителей электрических зарядов. Определите, через какой из диодов проходит электрический ток. Почему?

Литература

1. Физика. Учебник/И.Н. Наркевич, Э.И. Волмянский, С.И. Лобко.–Мн: Новое знание, 2004.

2. Физика. Учебное пособие/В.А. Бондарь, А.А. Луцевич, О.А. Новицкий и [др.]; Под общ. ред. В.А. Яковенко.–Мн: БелЭн, 2002.

3. Луцевич А.А. Физика: Весь школьный курс в таблицах/ А.А. Луцевич.– Мн: Юнипресс, 2010.

4. Общая физика. Практикум: Учеб. Пособие/ В.А. Бондарь и [др.]; под общ. ред. В.А. Яковенко.–Мн: Высшая школа, 2008.

5. Физический практикум/А.М. Саржевский,  В.П. Бобрович, Г.Н. Борздов и [др.]; под ред. Г. С. Кембровского. Мн.; Университетское, 1986.

6. Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика. − М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: