Снятие вольт-амперной характеристики диода

Лабораторная работа №316

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Приборы и принадлежности: лабораторная панель «Полупроводниковый диод», источник постоянного тока Б5-48, универсальный измерительный прибор В7-40, электронный осциллограф.

Введение. Кристаллическим (полупроводниковым) диодом называется устройство, содержащее один р-n -переход.

Электронно-дырочный переход (сокращенно р-n -переход) представляет собой тонкий слой на границе между областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Для создания такого перехода берут, например, монокристалл германия (элемент IV группы периодической системы) с электронным механизмом проводимости, обусловленной наличием соответствующей (донорной) примеси, и вплавляют с одной стороны “кусочек” индия (элемент III группы). Во время термической обработки в вакууме атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В этой области проводимость германия становится дырочной за счет атомов акцепторной примеси. На рис. 1 показан ход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою.

Рассмотрим явления на границе раздела двух полупроводников с различными типами проводимости. Благодаря тому что в n -полупроводнике содержится некоторое количество свободных электронов, они начнут диффундировать в p -область и рекомбинировать с дырками. В результате возникает слой толщиной l в области p-n -перехода, лишенный подвижных носителей заряда (рис.2). Образовавшийся слой называется запирающим. Толщина его в практически важных полупроводниках имеет величину 10^–4 –10^–5 см.

Так как электроны из n -полупроводника переходят в р -полу- проводник, в области ab возникает избыточный положительный заряд, связанный с присутствием донорной примеси, в области bc – избыточный отрицательный заряд, обусловленный присутствием атомов акцепторной примеси. Таким образом, возникает двойной электрический слой, создающий внутреннее контактное электрическое поле с напряженностью Е^’. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через место контакта и при некотором значении Е^’₀ наступает состояние равновесия. Контактная разность потенциалов составляет несколько десятых долей вольта. Такой потенциальный барьер могут преодолеть только электроны и дырки, обладающие большой кинетической энергией, соответствующей температуре в несколько тысяч градусов. Поэтому при нормальной температуре слой l является для них непроницаемым – имеющим очень большое электрическое сопротивление.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. В самом деле, присоединим к электронному полупроводнику положительный, а к дырочному – отрицательный полюсы источника тока (рис.3, а). Тогда напряженность внешнего поля Е, совпадающая по направлению с напряженностью Е^’, еще дальше отодвинет свободные электроны и дырки от места контакта полупроводников. При этом запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет, а ток через контакт не пойдет. Если говорить точнее, пойдет очень слабый ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводников, так как внешнее поле способствует переходу через запирающий слой не основных носителей тока: свободных электронов из дырочного полупроводника в электронный и дырок из электронного полупроводника в дырочный. Но концентрации свободных электронов в дырочном полупроводнике и дырок в электронном полупроводнике весьма малы. Поэтому в данном случае ток будет пренебрежимо мал. Направление n ® p, практически не пропускающее тока, называется запирающим (обратным) направлением.

Изменим теперь полярность приложенного напряжения (рис. 3, б). Тогда напряженность внешнего поля Е, направленная противоположно напряженности Е^’, будет перемещать свободные электроны и дырки навстречу друг другу. Запирающий слой сузится и его сопротивление уменьшится. При определенном значении приложенного внешнего напряжения сопротивление запирающего слоя станет равным сопротивлению самих полупроводников (запирающий слой исчезнет). Через полупроводники пойдет сильный ток. Направление p ® n, пропускающее ток, называется пропускным (прямым) направлением.

Таким образом, запирающий слой обладает односторонней (вентильной) проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, подобно вакуумному диоду.

Целью данной работы является изучение вентильных свойств p-n -перехода на примере кристаллического диода.

Упражнение 1

Снятие вольт-амперной характеристики диода

Измерения. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представляет собой график зависимости тока, протекающего через диод, от прикладываемого напряжения. Процесс снятия вольт-амперной характеристики полупроводникового диода разделен на две части в зависимости от полярности подаваемого на диод напряжения: 1)измерение в прямом направлении, 2) измерение в обратном направлении.

Для измерений в прямом направлении применяется принципиальная схема, изображенная на рис.4, а. Несмотря на то, что миллиамперметр показывает суммарный ток диода и вольтметра, последним можно пренебречь ввиду его малости (сопротивление вольтметра на много порядков больше сопротивления диода в прямом направлении).

1.Соберите электрическую цепь по блок-схеме на рис. 4, б. Миллиамперметр как измерительный прибор из нее исключен, так как величина тока в цепи диода задается стабилизированным источником питания ИП.

2.Установите кодовые переключатели на источнике тока Б5-48 на 8,5В и 0,01А. Дайте возможность преподавателю проверить собранную цепь.

3.Включите универсальный прибор В7-40 в сеть 220В. Нажмите кнопку U= – измерение постоянного напряжения, а также кнопку АВП – автоматический выбор предела измерения.

4.Включите источник питания Б5-48. Запишите показания вольтметра в таблицу при данном токе через диод (0,01A). Увеличивая ток от 0,01 до 0,09А, каждый раз записывайте показания вольтметра.

5.Закончив данную серию измерений, выключите все приборы.

Для того чтобы снять зависимость тока диода от обратного напря-жения, используется принципиальная схема, представленная на рис.5, а. Обратный ток диода сравним по величине с током вольтметра, поэтому микроамперметр включен таким образом, что показывает только ток диода.

Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 5, б. Здесь универсальный измерительный прибор В7-40 работает в режиме амперметра постоянного тока. Вольтметра как измерительного прибора в цепи нет, так как величина напряжения на диоде задается источником питания Б5-48.

1.Установите кодовые переключатели на источнике Б5-48 в положение 0,5В и 0,01А.

2.Включите прибор В7-40 в сеть 220В. Нажмите кнопку I= – измерение силы постоянного тока и кнопку АВП.

3.Включите источник питания Б5-48 и, изменяя напряжение на его выходе от 0,5В до 8,5В через 1В, записывайте показания приборов в таблицу.

4.Выключите все приборы.

Обработка результатов. По данным таблицы постройте график зависимости тока диода от приложенного напряжения в одной системе координат (допускается применение разных масштабов для прямого и обратного тока в силу большой разницы между ними). Полученный график и есть вольт-амперная характеристика данного типа диода, построенная по экспериментальным точкам.

Упражнение 2