Оборудование: амперметр, вольтметр, источник стабилизированного напряжения, диод, реостат, ключ двухполюсный.
Цель: Определение вольтамперной характеристики полупроводникового диода.
Теоретическое введение
К полупроводникам относятся многие элементы 3,4,5 и 6 групп таблицы Менделеева, многие окислы металлов, сульфиды и некоторые другие соединения. Полупроводники обладают проводимостью двух видов - электронной и дырочной. Электронная проводимость (n) обусловлена наличием в полупроводниках небольшого количества свободных электронов. Дырочная проводимость (р) связана с существованием в атомах полупроводников "свободных вакантных мест" ("дырок"), не заполненных валентными электронами. При воздействии на полупроводник постоянного электрического поля "дырки" в атомах последовательно будут заполняться валентными электронами от соседних атомов. В последних будут снова образовываться "дырки". Так в полупроводнике возникает перемещение "дырок, противоположное движению электронов. Чистые полупроводники обладают смешанной проводимостью, у них концентрация свободных электронов равна концентрации "дырок". Для практики большое значение имеет применение полупроводников с наличием в них примесей. Добавление к полупроводникам из германия и кремния (элементы 4 группы) небольших количеств элементов 5 группы (фосфор, мышьяк) резко увеличивает плотность свободных электронов. Полупроводники с такими примесями являются n-полупроводниками (основные носители тока - свободные электроны). Добавление к германию или кремнию элементов 3 группы порождает дополнительные дырки. Полупроводники с такой примесью обладают р-проводимостью. На основании сочетания полупроводников с обоими видами проводимости разработаны полупроводниковые диоды и триоды, заменяющие многие современные электронные лампы.
Контакт двух разных по проводимости полупроводников или проводника р-типа с металлом образует n-р-переход. В области n-р-перехода дырки будут диффундировать из полупроводника р-типа в область с электронной проводимостью, а электроны, наоборот, в область с дырочной проводимостью. Вследствие этого в области n-р-перехода образуется двойной слой с разностью потенциалов U1 - U2 (так же как и при контакте двух металлов) (рис.1а). Т.к. концентрация носителей тока у полупроводника мала и контактная разность потенциалов образуется за счет перехода электронов (дырок) с части объемов, прилегающих к границе раздела, протяженность двойного слоя оказывается довольно широкой (d - 5÷10 см) и обеднены основными носителями тока. Поэтому сопротивление n-р-перехода уподобляется диэлектрику, и его называют запорным слоем. Если к элементу n-р-перехода приложить напряжение, как показано на рис.1б, то внешнее поле стремится оттянуть электроны в n-проводнике и дырки в р-проводнике от границы раздела полупроводников, вследствие этого запорный слой расширяется по сравнению с равновесным состоянием. Величина тока в этом случае очень мала (обратный ток).
Если к n-р-переходу приложить напряжение в пропускном направлении, запорный слой сужается (рис.1в). Кривая зависимости тока от напряжения, приложенного к n-р-переходу, называется его вольтамперной характеристикой.
Т.к. n-р-переход обладает практически односторонней проводимостью, его используют для устройства полупроводниковых диодов.
2.Описание лабораторной установки и метода измерения
Лабораторная установка по изучению вольтамперной характеристики полупроводникового диода, изображена на схеме (рис. 2). В качестве источника постоянного тока используется выпрямитель ВСШ-6 (рис.3а). Для измерения напряжения – вольтметр (рис.3б), силы тока – миллиамперметр (рис.3в). Для изменения напряжения в цепи используется реостат (рис.3г). Чтоб направить ток в диоде (рис.3е) в обратном направлении, используется ключ К (рис.3д).
3. Порядок выполнения работы. Обработка результатов измерения
1. Собрать цепь по схеме рис. 2.
2. Меняя положение движка на реостате, подавать различные напряжения на диод. Измерить значения напряжения и соответствующие значения тока. Занести результаты измерения таблицу.
3. Изменить направление тока через диод (переключателем), снова измерить соответствующие значения тока и напряжения. При измерении обратного тока рекомендуется заменить миллиамперметр на микроамперметр.
4. Построить график зависимости тока от напряжения I =f(U).
| U, В | |||||||||
| I, mA Прямой ток | |||||||||
| I, µA Обратный ток |
ВОПРОСЫ:
1. Какие тела называются полупроводниковыми?
2. Чем отличается полупроводник n-типа от проводника?
3. Какая проводимость называется проводимостью р-типа?
4. Что происходит на границе контакта проводника n-типа с полупроводником р-типа?
5. Что такое собственная и примесная проводимость?
6. Что такое запирающий слой?
7. Почему контакт 2-х полупроводников с разного типа проводимостью обладает односторонней проводимостью?
8. Что такое прямое и обратное напряжение? Прямой и обратный ток?
9. Что называется вольтамперной характеристикой диода?
10. Для чего служит полупроводниковый диод?
11. Включение реостата как потенциометра.
12. Включение 3-х полюсного переключателя для изменения направления тока в цепи.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
