Исследование свойств полупроводникового диода

Страницы работы

Содержание работы

                                    Лабораторная работа №33  

                Исследование свойств полупроводникового диода

Цель работы: получение вольтамперных характеристик и определение коэффициента выпрямления германиевого и селенового диодов.

Приборы и принадлежности: селеновый и германиевый полупроводниковые диоды, выпрямитель, миллиамперметр, вольтметр, переключатели.

Методические указания

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и обладают рядом характерных свойств. В частности сопротивление полупроводников резко меняется с изменением температуры, а именно: с ростом температуры

 убывает. Электрические свойства полупроводников сильно зависят от наличия даже незначительного количества примеси, и т.д.

Эти и другие особенности свойств полупроводников хорошо объясняются зонной теорией проводимости, согласно которой  энергетические уровни отдельных атомов в результате взаимодействия атомов в твердых телах расщепляются и образуют зоны дозволенных значений энергии, разделенных интервалами запрещенных значений- запрещенными зонами.

Расположение валентной зоны и зоны проводимости для металлов, полупроводников и диэлектриков изображено на рис. 1.

Рисунок

Так как электропроводность связана с наличием свободных носителей заряда, т.е. с наличием электронов в зоне проводимости, то для металлов, у которых валентная зона и зона проводимости перекрываются, электропроводность при любых условиях отлична от нуля. У диэлектриков валентная зона заполнена полностью и электронов в зоне проводимости нет, а ширина запрещенной зоны велика DЕ>>kТ. Следовательно, тепловая энергия недостаточна для перехода электронов в зону проводимости, и электропроводность диэлектриков практически равна нулю.

У полупроводников, как и у диэлектриков, при Т=0 валентная зона заполнена полностью, и свободных электронов в зоне проводимости нет, но в отличие от диэлектриков, ширина запрещенной зоны мала DЕ<< kТ. Так как количество электронов в зоне проводимости и электропроводность пропорциональны вероятности перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости

То с ростом температуры число электронов в зоне проводимости и, соответственно, электропроводность будут увеличиваться. При этом переход электронов в зону проводимости образует в валентной зоне вакантные уровни - дырки.

Пространственное перемещение валентных электронов по кристаллу будет эквивалентно движению дырок в обратном направлении. То есть дырки можно рассматривать как некоторые положительно заряженные квазичастицы с зарядом, равным заряду электрона. Общая проводимость полупроводников обусловлена суммарной электронно- дырочной проводимостью. Проводимость, обеспеченная в равной степени электронами и дырками, называется собственной проводимостью. Если концентрация свободных электронов в полупроводнике больше концентрации дырок или наоборот, то проводимость такого типа называется примесной. Примеси бывают двух сортов- донорные и акцепторные. Донорные примеси создают дополнительные разрешенные уровни энергии вблизи верхней границы запрещенной зоны. Атомы этих примесей отдают электроны в зону проводимости, и тем самым, обеспечивают  примесную электронную проводимость- n- типа. Акцепторные примеси создают дополнительные уровни вблизи нижней границы запрещенной зоны, атомы этих примесей принимают на свои уровни электроны из валентной зоны, и, тем самым, обеспечивают примесную дырочную проводимость- проводимость Р- типа.

Зонная структура полупроводников n  и  p типа изображена на рис.2.

рисунок

Основой любого полупроводникового диода является контакт полупроводников с различными типами проводимости. Так как концентрация свободных электронов  в n- области больше, чем в р- области, то электроны диффундируют дырки. Попадая в область с противоположной проводимостью, электроны рекомбинируют  (взаимно нейтрализуются) с дырками, и вблизи контакта наблюдается уменьшение концентрации свободных электронов и дырок, т.е. увеличение электрического сопротивления контакта. Из- за ухода части электронов из приконтактной области электронного полупроводника в дырочной вблизи границы, в n- области накапливается положительный заряд.

В Р- области за счет ухода дырок - отрицательный. Возникающая между двумя разность потенциалов U0 (рис.3) препятствует дальнейшей диффузии через границу основных носителей тока, т.е. электронов из n- области  и дырок из Р- области. Теперь для перехода эти носители тока должны обладать дополнительной энергией  е U0,  чтобы преодолеть так называемый потенциальный барьер, созданный на границе встречным электрическим полем. Теперь, если полупроводник включить в электрическую цепь, так чтобы внешнее поле было направлено против поля на Р - n переходе (рис.3,а), то высота потенциального барьера уменьшится на величину 2 е U, где U- напряжение от внешнего источника ( потенциальный барьер при отсутствии внешнего поля обозначен пунктиром).

При этом  и дырки, и электроны под действием внешнего поля начнут двигаться к контакту, следовательно, граничный слой обогатится носителями  заряда, его сопротивление уменьшится, в цепи потечет ток основных носителей I0. Такое включение называется прямым или пропускным.

Рисунок

Если же направление внешнего поля совпадает с направлением поля на границе двух областей - такое включение называется обратным или запирающим, то высота потенциального барьера возрастает на величину 2еU (рис.3,б). Электроны и дырки оттягиваются полем из области Р-n перехода, его сопротивление увеличивается. Так как число носителей тока, имеющих энергию Е >n (U0+2U) очень мало, то ток основных носителей практически равен нулю. Через Р-n переход идет только очень малый ток не основных носителей.

Основными характеристиками диода являются: вольтамперная характеристика прямого и обратного тока - зависимость силы тока, протекающего через полупроводник, от приложенного напряжения U;  коэффициент выпрямления k равный отношению прямого тока к обратному при фиксированном напряжении.

                                                                                          (1)

Для снятия вольтамперных характеристик используется схема, изображенная на рис. 4.

На рис Se и  Ge  соответственно селеновый и германиевый диоды, смонтированные на одной панели. Ключ К служит для включения в цепь одного из диодов Двухполюсный ключ ПК дает возможность менять направление тока в полупроводниках. Величина прямого тока измеряется миллиамперметром mA, обратного тока- микроамперметром mkA. Напряжение на схему подается от блока питания БП через потенциометр R и измеряется вольтметром V.

Рисунок

Порядок выполнения работы

1.  Собрать электрическую схему (рис.4). При соединении измерительных приборов с источником необходимо соблюдать полярность.

2.  Установить подвижный контакт потенциометра в положение, соответствующее наименьшему напряжению.

3.  Включить селеновый выпрямитель, для чего переключатель ПК поставить в положение 1-2, а К-  в положение 5.

4.  Постепенно увеличивая напряжение потенциометром R, проводить измерения напряжения прямого тока, протекающего через селеновый выпрямитель (снять не менее семи измерений).

5.  Поставить ключ К в положение 6, произвести измерение прямого тока, протекающего через германиевый выпрямитель при тех же значениях.

6.  Для снятия обратного тока поставить переключатель К в положение 3-4, а движок потенциометра в положение наименьшего напряжения и, произвести измерения обратного тока протекающего через селеновый и германиевый диоды, постепенно увеличивая напряжение.

7.  Результаты измерений занести в таблицу.

                               Se

                           Ge

¹

U

(B)

Iпр

(mA)

Iобр

(mkA)

K

Kср

ср

U

(B)

Iпр

(mA)

Iобр

(mkA)

K

Kср

ср

8.  По данным измерений построить вольтамперную характеристику I (U) для обоих диодов. Прямые напряжения и токи откладывать на положительных полуосях, обратные- на отрицательных.

9.  По формуле 1 вычислить коэффициент выпрямления при различных напряжениях для германиевого и селенового диодов, по данным вычислений определить среднее значение К и соответствующие погрешности.

Контрольные вопросы

1.  Какие материалы относятся к полупроводниковым? Каковы их свойства?

2.  Укажите типы проводимости и объясните, как получаются полупроводники с разными типами проводимости?

3.  Объясните проводимость полупроводников с точки зрения зонной теории.

4.  Объясните устройство и работу полупроводникового диода.

5.  Укажите техническое применение полупроводникового диода.

Литература

1.  Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, гл.12.

2.  Зисман Г.А. Тодес О.М. Курс общей физики, т.2, гл.6. 

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Физика
Тип:
Методические указания и пособия
Размер файла:
46 Kb
Скачали:
0