Лабораторная работа № 8 Снятие ВАХ полупроводникового диода Цель работы (задание): Изучение свойств полупроводникового диода и снятие его вольтамперной характеристики Оборудование: полупроводниковый диод, источник питания ВС – 4-12, потенциометр на 30 Ом, мультиметр, микроамперметр, соединительные провода. Теоретическое введение Полупроводниковый диод - составная часть современных электронных схем. Работа полупроводникового диода основана на свойствах p-n перехода. Когда кристалл полупроводника легирован (снабжен примесями) так, что одна его часть имеет проводимость p-типа (акцепторная примесь), а другая – проводимость n-типа (донорная примесь), то на границе между этими частями возникает слой с особыми свойствами, который и называется p-n переходом или электронно-дырочным переходом. Существует много способов получения p-n переходов, но для всех способов характерен один общий прием. Берется кристалл полупроводника p- или n-типа. Затем каким-либо способом в кристалл вводятся примеси, проникающие на определенную глубину в данном полупроводнике, и создающие примесь противоположного характера. Если исходно кристалл был n-типа, вводится акцепторная примесь, если p-типа – то донорная. Примесь вводится в кристалл в концентрации большей, чем в исходном полупроводнике. Поэтому в той части кристалла, куда попала примесь, тип проводимости изменяется. На границе между областью, где тип проводимости в кристалле изменился, и областью, где он остался исходным, возникает p-n переход. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок. Диффузия электронов из n-полупроводника в р-полупроводник приводит к появлению в электронном полупроводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси. В дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению нескомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси. Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из n-полупроводника в р-полупроводник и дырок из р-полупроводника в n-полупроводник. Электронно-дырочный переход, или сокращенно р – n - переход, является границей, разделяющей области с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями в одном и том же монокристалле. Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости (она называется запирающим слоем) в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик. Возникновение двойного электрического слоя на Между областями с различным типом проводимости объемные границе между р- и n- заряды ионов создают запирающее напряжение Uз и его значение для областями германиевых р–n-переходов равно примерно 0,35 В, для кремниевых 0,6 В. Если р - п - переход соединить с источником тока так, чтобы с его положительным полюсом была соединена область с электронной проводимостью, то электроны в· п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут удаляться внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину и удельное Обратное включение сопротивление. Сопротивление р–п-перехода полупроводникового диода велико, сила тока мала и практически не зависит от во внешнюю цепь напряжения. Это способ включения р–п- перехода называется включением в запирающем, или обратном, направлении. Обратный ток в этом случае обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, образующих р–n-переход, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике, освобожденных тепловым движением от собственных атомов. Eсли р–п - переход соединить с источником тока так, чтобы положительный полюс был соединен с областью с дырочной проводимостью, а отрицательный с областью с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через – р–п - переход облегчаются. двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его толщину и сопротивление. Сила тока через р–п-переход в этом Прямое включение случае при напряжениях, превышающих Uз, полупроводникового диода ограничивается лишь сопротивлением внешней во внешнюю цепь электрической цепи. Этот способ включения называется включением в пропускном, или в прямом, направлении. Способность р–п -перехода пропускать ток практически только в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменною тока в постоянный. На приведенных ниже рисунках представлена вольт-амперная характеристика германиевого диода при прямом и обратном включении. Для различных диодов значения токов и напряжений на вольтамперной характеристике могут различаться, но для любого из них сохраняется важная особенность: сопротивление диода, включенного в прямом направлении, принимает значения ~ 1 Ом, в то время, как при обратном включении его сопротивление превышает значения ~ 1 МОм. Такое свойство диода позволяет использовать его при выпрямлении переменного тока. Отношение значения прямого тока к значению обратного при напряжении 1 В называется коэффициентом выпрямления. В хороших диодах коэффициент выпрямления достигает значений порядка 106. Область рабочих напряжений полупроводникового диода ограничена со стороны малых напряжений из-за повышения сопротивления р–n-перехода с уменьшением прямого напряжения. Максимальное значение рабочего напряжения диода определяется напряжением пробоя р–n-перехода при обратном напряжении. В данной работе экспериментально определяется зависимость силы тока, протекающего через полупроводниковый диод, от приложенного к диоду напряжения (вольт-амперная характеристика). Порядок выполнения работы: 1. Для снятия прямой ветви вольт-амперной характеристики диода соберите схему, изображённую на рис. 1. Обратите внимание на знаки «+» и «–» на панели диода, на измерительных приборах и на источнике тока. 2. Включите источник постоянного напряжения. Изменяя входное напряжение, снимите вольтамперную характеристику по значениям тока от 10 mA до 300 mA примерно в 8 -10 точках. Предупреждение: Сила прямого тока через диод не должна превышать 300 mA. 3. Для снятия обратной ветви вольтамперной характеристики соберите схему по рис.2. Обратите внимание на различие со схемой на рис.1 в подключении измерительных приборов. Рис.1. Схема для получения прямой ветви ВАХ Рис. 2. 4. Снимите вольтамперную характеристику, изменяя напряжение в пределах от 1 В до 30 В. 5. Результаты измерений занесите в отчетную таблицу. Отчетная таблица Напряжение 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 U, В Прямой ток Iпр, мA Обратный ток Iобр, мкA 5. По результатам измерений постройте графики зависимости I(U) для прямого и обратного включения диода. 6. Пользуясь графиком (рис. 3), определяют сопротивление диода в U пропускном направлении по формуле Rä . I Для определения величины r используют тот участок графика, где он мало отличается от прямой линии. Контрольные вопросы: - Что такое р-n-переход? - Почему при отсутствии внешнего электрического поля переход электронов через р - n - переход из n - полупроводника в р полупроводник затруднен? - Почему р - n-переход обладает односторонней проводимостью? - В чем заключаются преимущества полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными диодами? - Какими недостатками обладают полупроводниковые диоды? - Почему полупроводниковый диод нельзя использовать для выпрямления тока при очень малых переменных напряжениях?