ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследовать вольт-амперные характеристики диода, изучить работу однополупериодного выпрямителя.
ПРИБОРЫИ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: полупроводниковый диод, милливольтметр, вольтметр, миллиамперметр, микроамперметр, осциллограф, соединительные провода, конденсаторы, реостаты, источник постоянного и переменного напряжения. (Некоторые из указанных выше приборов и принадлежностей могут быть размещены на лабораторной панели).
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
В металлах концентрация свободных электронов велика (1022-1023 см-3), поэтому сопротивление металлов электрическому току незначительно. В типичных диэлектриках концентрация свободных электронов мала (n<1014см-3), их сопротивление значительно. В отношении электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металла порядка 10-8-10-6 Ом×м, полупроводников – 10-2-106 Ом×м и диэлектриков – 108 Ом×м.
Электрические свойства полупроводников резко меняются под воздействием изменения температуры, освещения, примесей. В отличие от металлов, при понижении температуры сопротивление полупроводников увеличивается, притом значительно. (При низких температурах проводники становятся диэлектриками). Последняя особенность полупроводников объясняется тем, что плотность свободных электронов в них уменьшается с понижением температуры. (У металлов эта величина практически не зависит от температуры). К полупроводникам относятся многие элементы третьей, четвертой и шестой групп таблицы Менделеева, многие окислы металлов, сульфиды и некоторые другие соединения.
В полупроводниках проводимость объясняется подвижностью свободных электронов (n-проводимость) и подвижностью дырок (р-проводимостью). Дырки – это связи атомов, не занятые электронами. В электрическом поле дырки ведут себя как положительные носители тока и, в противоположность свободным электронам, движутся по направлению поля. Чистые полупроводники обладают смешанной проводимостью (p–n проводимость), у них концентрация свободных электронов равна концентрации дырок. Для практики большое значение приобрели полупроводники с наличием у них примесей. Примеси порядка 10-6 % снижают сопротивление в 103-106 раз и обуславливают большое содержание свободных электронов или дырок. Очень хорошо изучены и получили широкое применение полупроводники из кремния и германия.
Небольшие добавки к ним элементов пятой группы (фосфор, мышьяк) резко увеличивают концентрацию свободных электронов (донорная примесь). Полупроводники с такими примесями являются n-проводниками (основные носители тока – свободные электроны). Добавление же к кремнию элемента третьей группы (например, бора) порождает дополнительные дырки (акцепторная примесь). Полупроводники с такой примесью обладают p-проводимостью (основные носители тока – дырки).
При контакте полупроводника n-типа с полупроводником p-типа образуется p-n переход, имеющий большое практическое значение; p-n переход представляет собой монокристалл германия или кремния, содержащий как область с электронной проводимостью, так и область с дырочной проводимостью (рис. 1), при этом концентрация донорной примеси равна концентрации акцепторной примеси. В полупроводниковом элементе дырки из p-области будут диффундировать в область с электронной проводимостью, а электроны, наоборот, из области с электронной проводимостью - в область с дырочной проводимостью. Вследствие этого в области p-n–перехода образуется двойной электрический слой с разностью потенциалов U=U1-U2 (контактной разностью потенциалов).
Механизм образования контактной разности потенциалов при контакте полупроводников тот же, что и при контакте металлов (у последних может быть также и дырочная проводимость, как, например, у цинка). Существенное различие при этом порождается разной плотностью носителей тока. Так, у металлов настолько велика плотность свободных электронов, что контактная разность потенциалов образуется за счет перехода электронов с поверхности одного металла на второй. Поэтому толщина двойного электрического слоя порядка 10-7 мм (порядка размеров атомов). Контакт двух металлов не создает какого-либо сопротивления, потенциал же при переходе от одного металла к другому меняется скачком (рис. 2,а). У полупроводников из-за малой концентрации носителей тока контактная разность потенциалов образуется за счет перехода электронов (дырок) с части объемов, прилегающих к границе раздела полупроводников. Поэтому p-n переход имеет протяженность d, намного превышающую размеры атомов (рис. 2,б). Потенциал вдоль этого слоя меняется плавно, сам же двойной электрический слой обладает определенным сопротивлением, так как его протяженность намного превышает размеры атомов (d=10-5см и более). Область, занимаемая p-n переходом, обеднена основными носителями тока, поэтому сопротивление этой области значительно повышено. С известным приближением по проводимости p-n переход уподобляется диэлектрику, и его называют запорным слоем.
На рис. 2,б пунктирными линиями выделена ширина запорного слоя p-n перехода в отсутствии электрического поля. Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение так, как показано на рис.3,а, то носители тока будут перемещаться от p-n-перехода. Внешнее поле стремится оттянуть электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике от границы раздела полупроводников, вследствие этого запорный слой расширен по сравнению с равновесным состоянием.
Величина тока в этом случае очень мала. Соответствующее направление подачи напряжения носит название запорного направления. Если к p-n-переходу приложить напряжение, как это показано на рис. 3,б (пропускное направление), основные носители тока будут перемещаться к границе раздела полупроводников, p-n-переход будет сокращаться, соответственно его сопротивление уменьшится, а ток значительно возрастет по сравнению с током запорного направления (обратным током). Кривая зависимости тока от приложенного к p-n-переходу напряжения называется его вольт-амперной характеристикой (рис. 4).
Следует заметить, что p-n-переход может выдержать обратное напряжение до определенного предела, после чего наступает пробой аналогично пробою диэлектрика. Рассмотренные полупроводниковые элементы с p-n-переходом нашли применение в радиотехнике и в радиоэлектронике в качестве выпрямителей, детекторов и т.п.
В табл. 1 приведены основные параметры некоторых полупроводниковых диодов широкого применения.
Таблица 1
| Тип диода | Uпр, В | Iпр.max, мА | Uобр.max, В | Iобр, мкА |
| Д9Б | <1 | <250 | ||
| Д237А | <1 | <50 | ||
| Д226 | <1 | <50 | ||
| Д223А | <1 | <1 | ||
| Д105 | <2 | <5 | ||
| Д242 | <1 | <3000 |
Ход РАБОТЫ