Лабораторна робота №8 (2 год)

Пряме включення

Зворотне включення

ТЕМА: Зняття вольт-амперних характеристик напівпровідникового діоду.

НАВЧАЛЬНА МЕТА: Ознайомлення з принципом роботи і будовою напівпровідникового діода.

ОБЛАДНАННЯ ТА ОСНАЩЕННЯ: ПК, Electronics Workbench.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПЛОЖЕННЯ

За значенням питомого електричного опору напівпровідники займають проміжне положення між хорошими провідниками і діелектриками. До напівпровідників належать багато хімічних елементів (германій, кремній, селен, теллур, миш'як та ін.), величезна кількість сплавів і хімічних сполук.

Атоми германію на зовнішній оболонці мають чотири слабо пов'язаних електрона. Їх називають валентними електронами. У кристалічній решітці кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентним, тобто здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам (рис. 1). Валентні електрони в кристалі германію пов'язані з атомами набагато сильніше, ніж в металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температурі в напівпровідниках на багато порядків менше, ніж у металів.

Рисунок 1

Якщо напівпровідник помістити в електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не лише вільні електрони, але і дірки, які поводяться як позитивно заряджені частки. Тому струм I в напівпровіднику складається з електронного In і діркового Ip струмів:

I = In + Ip.

За наявності домішок електрична провідність напівпровідників сильно змінюється. Наприклад, добавка в кристал кремнію домішок фосфору у кількості 0,001 атомного відсотка зменшує питомий опір більш ніж на п'ять порядків.

Необхідною умовою різкого зменшення питомого опору напівпровідника при введенні домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала.

Електронна провідність виникає, коли в кристал германію з чотиривалентними атомами введені п'ятивалентні атоми (наприклад, атоми миш'яку, As).

Рисунок 2 -Атом миш'яку в гратах германію. Напівпровідник n -типа

Чотири валентні електрони атома миш'яку включено в утворення ковалентних зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон виявився зайвим; він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічної решітки. Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів напівпровідникового кристала, називається донорною домішкою.

У кристалі германію з домішкою миш'яку є електрони і дірки, відповідальні за власну провідність кристала. Але основним типом носіїв вільного заряду є електрони, що відірвалися від атомів миш'яку. Така провідність називається електронною, а напівпровідник, що має електронну провідність, називається напівпровідником n -типа.

Рисунок 3 - Атом індію в гратах германію. Напівпровідник p -типа

Діркова провідність виникає, коли в кристал германію введені тривалентні атоми (наприклад, атоми індію, In). На утворення зв'язку з четвертим атомом германію у атома індію немає електрона. Цей бракуючий електрон може бути захоплений атомом індію з ковалентного зв'язку сусідніх атомів германію. В цьому випадку атом індію перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічної решітки, а в ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія. Домішка атомів, здатних захоплювати електрони, називається акцепторною домішкою. В результаті введення акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків і утворюються вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони з сусідніх ковалентних зв'язків, що призводить до хаотичного блукання дірок по кристалу.

Уявімо кристал германію, в якому одна половина містить донорну, а друга акцепторну домішку. Межу в кристалі напівпровідника між областями р- та n- типу називають електронно-дірковим переходом, або р-n переходом.

Основним елементом напівпровідникового діода є р-п перехід.

Електронно-дірковий перехід (чи n - p -переход) - це область контакту двох напівпровідників з різними типами провідності.

При контакті двох напівпровідників n - і p -типов починається процес дифузії: дірки з p -области переходять в n -область, а електрони, навпаки, з n -области в p -область. В результаті в n -области поблизу зони контакту зменшується концентрація електронів і виникає позитивно заряджений шар. У p -области зменшується концентрація дірок і виникає негативно заряджений шар. Таким чином, на межі напівпровідників утворюється подвійний електричний шар, поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів і дірок один назустріч одному (рис. 4,а). Погранична область розділу напівпровідників з різними типами провідності (так званий замикаючий шар) зазвичай досягає товщини близько десятків і сотень міжатомних відстаней. Об'ємні заряди цього шару створюють між p - і n -областями замикаюча напруга Uз, приблизно рівна 0,35 В для германієвих n, - p -переходов і 0,6 В для кремнієвих.

Рисунок 4

Електричне поле, що виникає в цьому шарі, буде протидіяти подальшому переходу основних носіїв заряду через межу. Тільки дірки й електрони з досить великою кінетичною енергією можуть подолати протидію поля і пройти крізь перехідний шар.

При під’єднанні потенціалів як показано на рис 1, б, зовнішнє електричне поле збільшує внутрішнє, внаслідок запірний шар n → р переходу збільшується, відповідно збільшується опір середовища.

При під’єднанні потенціалів як показано на рис 1, в, зовнішнє електричне поле протидіє електричному полю n → р переходу і за принципом суперпозиції при досяганні Е_зов>Е_вн, запірний шар n → р переходу зникає, відповідно опір зменшується.

Таким чином, опір р-п переходу залежить від напряму струму. Властивість односторонньої провідності р-п переходу покладено в основу роботи напівпровідникових діодів та тріодів.

Рисунок 5 – ВАХ діоду

Відношення сили струму в прямому напрямі (Іпр) до сили струму (Ізв) у зворотному напрямі, щовідповідає одній і тій самій напрузі, називається коефіцієнтом випрямлення

Рисунок 6 – Схема дослідження

ХІД РОБОТИ

1 Відкрити схему досліду, для зняття вольт-амперних характеристик прямого включення діоду перемкнути ключ в положення 1-3, натиснувши клавішу Space, ввімкнути схему.

2 Встановити потенціометр в крайнє положення. Записати значення падіння напруги на діоді, та силу струму в колі, в таблицю. Змінюючи положення потенціометра по 20%, записувати дані до таблиці.

3 Перемкнути ключ в положення 1-2, для вимірювання зворотного включення, і повторити пункт 2.

4 За даними вимірювань побудувати графічно воль-амперні характеристики діоду, розрахувати коефіцієнт випрямлення.

5 Зробити висновок, відповісти на контрольні питання.

ЗМІСТ ЗВІТУ

1 Мета роботи

2 Обладнання

3 Таблиці з дослідженнями та розрахунками

4 Розрахунки

5 Висновки

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ДО ЗАХИСТУ:

1 Власні напівпровідники. Механізм їхньої провідності.

2 Домішкові напівпровідники. Донорні й акцепторні домішки.

3 Які основні носіїв напівпровідника n-типу, а які в напівпровідника р-типу?

4 Температурна залежність провідності напівпровідників. Терморезистори.

5 Контактні явища. Контактна різниця потенціалів.

6 Контактні явища в напівпровідниках.

7 Ефект Зеєбека.

8 Ефект Томсона.

9 Вентельний ефект.

10 Контакт електронного та діркового напівпровідників.

11 Контакт двох напівпровідників, р - п перехід.

12 Принцип дії напівпровідникового діода.