Изучение работы полупроводникового диода (Лабораторная работа № 7)

Лабораторная работа 7

Изучение работы полупроводникового диода

Цель работы: снять вольтамперную характеристику полупроводникового диода.

Задание 1. Снять зависимость  для прямого и обратного токов. Построить график вольтамперной характеристики  полупроводникового диода.

Приборыипринадлежности: полупроводниковый диод типа Д10Б        источник постоянного тока, реостат, вольтметр, миллиамперметр для постоянного тока, два переключателя.

Теория метода

Основным элементом выпрямительного устройства является полупроводниковый диод (вентиль), обладающий односторонней проводимостью.

В полупроводниках электрическая проводимость объясняется электрической подвижностью свободных электронов (n–проводимость) и подвижностью дырок (p–проводимость), т. е. перемещением электронов от атома к атому. Дырки – это связи атомов, незанятые электронами, которые перемещаются по полю как положительные носители тока, в противоположность свободным электронам, которые перемещаются против электрического поля. Наличие примеси в полупроводнике вызывает значительное изменение n- и р- проводимости.

Небольшие добавки, например к германию (элемент 4-й группы) элементов 5-й группы таблицы Менделеева (фосфор, мышьяк), резко увеличивают плотность свободных электронов (донорная примесь). Полупроводники с такой примесью являются n–проводниками. Добавление же к германию элементов 3-й группы (например, бора), приводит к увеличению дырок (акцепторная примесь). Полупроводники с такой примесью являются р–проводниками.

Свободные электроны в n–проводнике и дырки в р–проводнике распределяются равномерно по всему объему. При соприкосновении этих полупроводников друг с другом на их границе образуется так называемый р-n – переход.

Рис. 1. p-n – переход

Он представляет собой кристалл германия, содержащий как область с электронной, так и область с дырочной проводимостью (рис. 1). При этом дырки из р–области будут диффундировать в          n–область, а электроны, наоборот – из области электронной проводимости в   область дырочной проводимости. В      результате в области р-n – перехода      образуется двойной электрический слой.

В этом слое возникает контактная разность потенциалов – потенциальный барьер – и образуется переходное электрическое поле Е_пер.

Это поле будет препятствовать дальнейшей диффузии через р-n – переход электронов и дырок. Тонкий слой области р-n – перехода, обедненный основными носителями зарядов, обладает большим сопротивлением, так как электроны и дырки рекомбинируют. Слой р-n – перехода показан на рис. 1.

Если положительный полюс источника тока соединить с р–областью, а отрицательный с n–областью, то получим внешнее электрическое поле Е_вн, направленное навстречу полю р-n – перехода. Под действием внешнего поля электроны и дырки будут двигаться друг к другу. При таком движении носителей зарядов число их в переходном слое возрастает, следовательно, уменьшается сопротивление переходного слоя.

В цепи устанавливается прямой ток I_пр, который будет значителен (даже при небольшом напряжении) по величине (рис. 2).

Рис. 2. Прямое включение в цепь р-n – перехода

При обратном включении в цепь р-n – перехода, когда с n–областью соединен положительный полюс источника тока Е_вн, переходное электрическое поле Е_пер усилится, и будет удалять носители заряда из р-n области.

Через р-n – переход в этом случае будет проходить малый ток (рис. 3).

Рис.3. Обратное включение в цепь р-n – перехода

Зависимость тока от приложенного к р-n – переходу напряжения для германиевого диода представлена на рис. 4. Она носит название вольтамперной характеристики.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика германиевого диода