 |
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
|
|
|
|
Лабораторная работа № 54
ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА
Цель работы:
1. Изучить физические основы работы полупроводникового диода.
2. Снять вольт-амперную характеристику диода.
3. Провести осциллографическое наблюдение вольт-амперной характерис-
тики диода и процесса выпрямления переменного тока.
Теоретическое введение
Полупроводниковый диод - это прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего перехода в полупроводниковых диодах может служить электронно-дырочный (p-n) переход, гетеропереход (контакт двух различных по химическому составу полупроводников, обладающих различной шириной запрещенной зоны) или контакт металл-полупроводник (диод Шоттки).
В настоящее время разработан большой класс полупроводниковых диодов, использующих то или иное свойство выпрямляющего перехода (выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды, лазеры и т. д.).
В данной работе изучается одно из основных свойств диода - выпрямляющее. Это - способность диода пропускать ток только в одном направлении (односторонняя проводимость диода). Исследуется диод с электронно-дырочным (p-n) переходом.
Электронно-дырочный переход образуется на металлургической границе раздела (то есть без нарушения периодичности кристаллической решетки) полупроводников с донорной примесью (для кремния и германия ею являются элементы V группы таблицы Менделеева) и акцепторной примесью (элементы III группы).
В равновесных условиях в p-n переходе на границе раздела существуют двойной электрический слой, внутреннее электрическое поле и контактная разность потенциалов φĸ (рис. 1 а, б, в, г соответственно).
|
|
|
Положительный заряд двойного электрического слоя, образованный ионами донорной примеси, всегда находится в полупроводнике n -типа, отрицательный, образованный ионами акцепторной примеси - в полупроводнике р -типа (рис. 1 а, б). Следовательно, внутреннее электрическое поле Eвн направлено из n -области в р -область (рис.1 а). Напряжённость электрического поля максимальна на границе раздела p - и n -областей и уменьшается до нуля за пределами двойного электрического слоя (рис. 1 в). Величина контактной разности потенциалов φк определяется физическими свойствами полупроводника по обе стороны p-n перехода и обычно составляет доли вольта (φк ≈ 0,3 B для Gе, φк ≈ 0,6 B для Ѕì; см. рис. 1 г).
При приложении к р-n переходу внешнего напряжения U происходит уменьшение высоты потенциального барьера (φ = φк - U), если внешнее и внутреннее
поля направлены в противоположные стороны; при этом через р-n переход протекает большой ток (от единиц миллиампер в маломощных диодах до сотен и тысяч ампер - в мощных). Вначале прямой ток растёт медленно; когда внешнее напряжение U скомпенсирует контактную разность потенциалов φк, ток через диод начинает быстро возрастать. Такое включение диода называется прямым или пропускным (плюс приложен к р -области, минус - к n -области).
 |
Если изменить полярность приложенного напряжения, то внешнее и внутреннее поля складываются, и высота потенциального барьера возрастает (φ = φk + U). При этом через диод протекает незначительный ток (доли микроампер у маломощных и единицы миллиампер - у мощных диодов), слабо зависящий от приложенного напряжения. Резкий рост обратного тока при значительных обратных напряжениях связан с явлениями пробоя и ограничивает рабочие напряжения выпрямляющих диодов. Напряжение пробоя у различных типов диодов лежит от десятков вольт до тысяч вольт. Такое включение диода называется обратным, или запорным (минус приложен к р -области, плюс - к n -области). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода представлена на рис. 2.
|
|
|
Выпрямительные диоды широко используются для выпрямления переменного напряжения (блоки питания радиоэлектронной аппаратуры, детекторы в радио-
и телеприемниках). Простейшая схема выпрямителя и форма переменного и выпрямленного (пульсирующего) напряжения приведены на рис. 3 а и 3 б соответственно.
Описание установки
 |
Измерительная установка (рис. 4) содержит исследуемый диод VD, схемы постоянного тока для снятия прямой (рис.4 а) и обратной (рис.4 б) ветвей вольт-амперной характеристики диода, схемы переменного тока для наблюдения ВАХ (рис. 4 в) и процесса выпрямления (рис. 4 г). На стенде размещены измерительные приборы, электронный осциллограф и все необходимые органы управления.
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
1. Ознакомится с устройством лабораторного стенда и объяснить назначение входящих в него измерительных приборов и органов управления. Определить пределы измерения и цену деления шкал приборов.
2. Снять прямую ветвь ВАХ диода. Результаты занести в протокол.
3. Снять обратную ветвь ВАХ диода. Результаты занести в протокол.
4. Построить график зависимости прямого и обратного токов диода от приложенного напряжения. В целях наглядности масштабы токов и напряжений по осям выбрать различными для прямой и обратной ветвей.
5. Получить изображение ВАХ диода на экране осциллографа. Произвести качественное сравнение наблюдаемой ВАХ с построенной в п. 4.
6. Получить на экране осциллографа изображения синусоидального и выпрямленного диодом тока. Зарисовать формы кривых в протокол, соблюдая равенство периодов и фаз колебаний. Объяснить процесс выпрямления и наблюдаемую форму выпрямленного тока.
Контрольные вопросы
1. Энергетические зоны в кристаллах.
2. Зоны, участвующие в электропроводности.
3. Деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики
с точки зрения зонной теории.
|
|
|
4. Зонная диаграмма полупроводника.
5. Собственные и примесные полупроводники. Доноры и акцепторы.
6. Двойной электрический слой и внутреннее поле р-n перехода.
7. Включение р-n перехода в прямом направлении.
8. Включение р-n перехода в обратном направлении.
9. Вольт-амперная характеристика диода.
10. Выпрямление диодом переменного напряжения.
Список рекомендуемой литературы
1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2003. - §§ 240 - 243, 249, 250.
2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.-.: 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. - §§ 43.1 - 43.5, 44.3 - 44.4.
3. Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука., 1987. - §§ 42, 43, 45.
4. Грабовский Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных вузов): Учеб. пособие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1980. - Часть II, §§ 19, 20.
|
|
|
