Лабораторная работа 603

Федеральное агентство по образованию
Волгоградский государственный технический университет
Кафедра “Экспериментальная физика”
ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
Методические указания к лабораторной работе №603
Волгоград, 2006 г.
УДК 537.871.
Изучение выпрямляющего действия электронно-дырочного перехода:
метод. указ. к лабораторной работе №603 / сост. Д.П. Калинкин; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 12 с.
Содержат описание и рекомендации к лабораторной работе по изучению выпрямляющего действия электронно-дырочного перехода, представленной в практикуме кафедры «Экспериментальная физика» Волгоградского государственного технического университета.
Предназначено для студентов всех форм обучения.
Ил. 3. Табл. 3. Библиогр.: 6 назв.
Рецензент доц. А.В. Голованов
Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский
государственный
технический
университет, 2006.
2
603. ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
1. Цель работы
Изучение свойств p-n-перехода, снятие вольтамперной характеристики (ВАХ) и экспериментальная проверка выпрямляющих свойств полупроводникового диода.
2. Содержание работы
Полупроводники – широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, промежуточными между удельной
электропроводностью металлов и диэлектриков. Характерной особенностью полупроводников является возрастание электропроводности с ростом
температуры [1,2]. Типичными полупроводниками являются элементы IV
группы периодической системы Менделеева – германий и кремний. Они
образуют решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами
[2-4]. При нагревании ковалентные связи могут разрываться. Электрон, потерявший связь с атомом, становится свободным. Покинутое электроном
место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд, т.е. образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. Когда внешнее электрическое
поле отсутствует, электроны проводимости и дырки двигаются хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов – против поля, дырок – в направлении поля. В результате происходит перенос заряда вдоль кристалла. Такая
электропроводность полупроводников называется собственной.
У химически чистых полупроводников при абсолютном нуле все
уровни валентной зоны (ВЗ) полностью заполнены электронами, а в зоне
проводимости (ЗП) электроны отсутствуют. Валентная зона отделена от
3
зоны проводимости запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны ∆E у
полупроводников с собственной проводимостью не более 1 эВ [3], тем не
менее, электрическое поле не может перебросить электроны из валентной
зоны в зону проводимости. Поэтому при абсолютном нуле такие полупроводники ведут себя как идеальные диэлектрики.
Наибольшее практическое применение находят полупроводники с
примесной проводимостью. Примесная проводимость возникает в том
случае, если некоторые атомы полупроводника заменить атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов
(например, атомами фосфора или бора).
Для образования ковалентной связи с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон связан только со своим атомом. Энергия активации такого электрона ∆Eд невелика (∆Eд  0,01 эВ). При небольшом повышении температуры электрон
отщепляется от атома и становится свободным. Эти электроны и обуславливают перенос заряда при наложении внешнего электрического поля. Это
полупроводник с электронной проводимостью (полупроводник n-типа).
(а)
(б)
(в)
(г)
Рис. 603.1.
В отличие от собственной проводимости образование свободного
электрона в полупроводнике n-типа не сопровождается нарушением кова4
лентных связей, т.е. образованием дырок. Хотя в окрестности атома примеси и возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим
атомом и перемещаться по решетке не может [2-4].
С точки зрения зонной теории, внедрение в решетку атомов с большей
валентностью соответствует появлению локальных донорных уровней,
расположенных вблизи дна зоны проводимости (рис. 603.1,а). Поскольку
∆Eд  ∆E, то уже при небольшом повышении температуры электроны с донорных уровней начнут переходить в зону проводимости (рис. 603.1,б).
Если валентность примесных атомов на единицу меньше валентности
основных атомов, то одна из ковалентных связей окажется неукомплектованной. Эта связь будет представлять собой место, способное захватить
электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Это полупроводник с
дырочной проводимостью (полупроводник р-типа).
С точки зрения зонной теории, внедрение в решетку атомов с меньшей валентностью соответствует появлению локальных акцепторных
уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны (рис. 603.1,в).
Поскольку ∆Eа  ∆E, то небольшого повышения температуры достаточно,
чтобы электроны из валентной зоны начали переходить на эти акцепторные уровни (рис. 603.1,г). В валентной зоне появляются дырки.
Таким образом, примесная проводимость обусловлена электронами в
случае донорной примеси и дырками в случае акцепторной. Эти носители
являются основными. Кроме них полупроводник содержит неосновные носители: электронный полупроводник – дырки, дырочный – электроны.
Концентрация их значительно ниже концентрации основных носителей.
Если в одну часть полупроводника ввести акцепторную примесь, а в
другую – донорную, то первая часть будет иметь дырочную (р-типа), а
вторая – электронную (n-типа) проводимости [2-5]. Тонкий слой на грани-
5
це между этими полупроводниками с разным типом примесной проводимости называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом).
Сопротивление р-n-перехода резко меняется при приложении к нему
внешнего электрического поля. Если к р-n-переходу приложить напряжение U от внешнего источника тока таким образом, чтобы р-область заряжалась положительно относительно n-области, то высота потенциального
барьера и его ширина уменьшится на еU (e – заряд электрона). Это приведет к увеличению силы тока основных носителей. Ток же неосновных носителей от высоты потенциального барьера не зависит и, следовательно, не
изменится. В результате через контакт идет ток, направленный от р к n.
Такое направление поля (и тока) называется прямым или проводящим.
Если же к р-n-переходу приложить внешнее напряжение таким образом,
чтобы р-область заряжалась отрицательно относительно n-области, то высота потенциального барьера (и его ширина) увеличится, сопротивление
контактного слоя резко возрастает. Сила тока основных носителей уменьшится почти до нуля, так что через контакт будет течь лишь ток неосновных носителей. Такое направление поля (и тока) называется обратным
или запирающим. Элемент, содержащий р-n-переход, обладает односторонней проводимостью и называется полупроводниковым диодом.
3. Описание лабораторной установки
Для получения ВАХ диод включается в электрическую цепь (рис.
603.2). От стабилизирующего источника питания напряжение подается на
диод VD. Схема 603.2,а относится к измерениям в прямом направлении, а
схема 603.2,б – в обратном. Переход от одной схемы к другой осуществляется с помощью переключателя SA, который на рисунке 603.2 не изображен. Напряжение в обоих случаях регулируется потенциометром RP и измеряется вольтметром V. При прямом направлении тока в цепь включается
миллиамперметр mА, при обратном – микроамперметр A.
6
A
+
_
A
+
_
RP
RP
VD
VD
V
V
(а)
(б)
Рис. 603.2.
Выпрямляющее действие полупроводникового диода изучается по
схеме, приведенной на рис. 603.3.
SA4
220 В
S S S
S3 S2 S1
L
SA2
SA3
R
вход Y
C1 C2
Рис. 603.3.
Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора блока
питания подается на диод или систему диодов, соединенных по схеме моста, или непосредственно прикладывается к резистору R. Форма и амплитуда этого напряжения регистрируется осциллографом. Включение диода
или систем диодов осуществляется переключателем S (положение S1 переключателя соответствует подаче напряжения непосредственно на резистор,
S2 – подаче напряжения на резистор с диода, S3 – подаче напряжения на
резистор с системы диодов, соединенных по схеме моста). Конденсаторы
С1 и С2, а также индуктивность L образуют электрический фильтр. Включение их осуществляется соответственно тумблерами SА2, SАЗ, SА4. Переход от схем рис. 603.2 к схеме рис. 603.3 осуществляется с помощью
тумблера SА1, который на рисунках не показан.
7
4. Методика проведения эксперимента и обработка полученных результатов
4.1. Методика эксперимента
Подавая на диод VD напряжение (рис. 603.2) и плавно меняя его потенциометром RP, измеряют силу тока при различных значениях приложенного прямого, а затем обратного напряжений. По полученным данным
строят график ВАХ.
Так как сопротивление p-n-перехода гораздо больше сопротивления
остальной части цепи, то падение напряжения внешнего поля происходит в
основном на p-n-переходе [5]. Это позволяет рассчитать сопротивление pn-перехода при различных значениях прямого и обратного напряжений и
построить графики зависимостей сопротивления от напряжения. Поскольку ВАХ нелинейна, то сопротивление рассчитывается по формуле
R
U
,
I
(603.1)
где U и I – соответственно разности между двумя ближайшими измеренными значениями напряжений и силы токов.
В электрической цепи (рис. 603.3) диод работает как выпрямитель и
преобразует переменный ток в пульсирующий. Введение в электрическую
цепь конденсаторов С1 и С2 приводит к уменьшению выпрямленного тока
при зарядке конденсаторов и к увеличению тока при разрядке, т.е. к сглаживанию пульсаций. Катушка L также сглаживает пульсации переменной
составляющей, не изменяя постоянную составляющую общего тока. Соответствующие осциллограммы наблюдаются на экране осциллографа.
4.2. Порядок выполнения работы
4.2.1. Снятие ВАХ
1. Включите электрическую цепь, схема которой изображена на рис.
603.2,а, для чего тумблер SА1 поставьте в верхнее положение, а тумблер
SА в положение «прямое».
8
2. Определите цену деления приборов и запишите в табл. 603.1.
3. Уменьшите сопротивление потенциометра RР до нуля.
4. Подайте напряжение на вход прибора.
5. С помощью потенциометра RР плавно увеличивайте напряжение и вначале через каждое деление, а затем через 2-3 деления вольтметра измеряйте силу тока. Результаты 13-15 измерений занесите в табл. 603.2.
6. Тумблер SА поставьте в положение «обратное».
7. Определите цену деления микроамперметра и вольтметра и запишите в
табл. 603.1.
8. Повторите задания пп. 4-6. Результаты запишите в табл. 603.3.
4.2.2. Проверка выпрямляющих свойств диода
1. Подготовьте осциллограф к работе в соответствии с указаниями на лабораторном столе.
2. Переключите тумблер SА1 в нижнее положение.
3. Переключатель S переведите в положение S1.
4. Включите осциллограф и получите на экране осциллограмму переменного напряжения. Ручками «частота плавно» и «синхронизация» остановите изображение сигнала. Расположите его симметрично относительно горизонтальной оси времени (амплитуда сигнала при этом должна быть не
менее 25-30 мм) и зарисуйте осциллограмму.
5. Введите в цепь диод, для чего переключатель S переведите в положение
S2. При этом на экране осциллографа будет наблюдаться синусоида со срезанными отрицательными (нижними) полупериодами.
6. Зарисуйте преобразованный сигнал, предварительно расположив его
таким образом, чтобы значение первоначальной амплитуды сохранилось.
7. Введите в цепь мост диодов, для чего переключатель переведите в положение S3. Зарисуйте осциллограмму двухполупериодного выпрямления.
8. Введите в цепь конденсатор С1, включив тумблер SА2 (рис. 603.3), и
9
зарисуйте осциллограмму.
9. Введите в цепь дополнительно конденсатор С2, включив тумблер SА3
(рис. 603.3), и зарисуйте осциллограмму.
10.Введите в цепь катушку индуктивности, поставив тумблер SА4 в нижнее положение (в схеме, изображенной на рис. 603.3, это соответствует
размыканию ключа, поставленного параллельно катушке индуктивности).
Полученную осциллограмму зарисуйте.
11.Закончив работу, выключите установку.
Таблица 603.1. Однократно измеренные величины
Внешнее
Цена деления
Цена деления
напряжение
вольтметра, В/дел
амперметра, А/дел
прямое
обратное
Таблица 603.2. Зависимость силы тока и сопротивления р-n-перехода
от прямого напряжения
Напряжение U
дел
В
U, В
Сила тока I
10-3, А
дел
I,
Сопротивление
10-3 А
R, 103 Ом
Таблица 603.3. Зависимость силы тока и сопротивления р-n-перехода
от обратного напряжения
Напряжение U
дел
В
U, В
Сила тока I
10-6, А
дел
I,
Сопротивление
10-6 А
R, 106 Ом
4.3. Обработка результатов измерений
1. Постройте по данным табл. 603.2 и 603.3 график зависимости I=(U).
При построении графика силу тока и напряжение следует откладывать на
одной координатной сетке, считая прямой ток и напряжение положитель10
ными, а обратный ток и напряжение – отрицательными (масштаб для силы
тока в прямом и обратном направлениях возьмите разный).
2. Проанализируйте характер зависимости I=(U) и сделайте вывод, справедлив ли закон Ома для системы, содержащий p-n-переход.
3. Определите U и I – разности между последующим и предыдущим
значениями напряжений и токов и запишите в табл. 603.2 и 603.3.
4. Рассчитайте сопротивление диода по формуле 603.1.
5. Постройте график зависимости R=(U) для прямого и обратного напряжений и проанализируйте эти зависимости.
5. Перечень контрольных вопросов
1. Чем отличаются по зонной теории полупроводники от металлов и диэлектриков?
2. Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?
3. Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников? Объясните механизм собственной проводимости в полупроводниках с точки зрения теории твердого тела.
4. Где в собственном полупроводнике расположен уровень Ферми? Проведите соответствующие математические выкладки.
5. Что является «основными» и «неосновными» носителями тока в полупроводниках n- и р-типа?
6. Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?
7. В чем причины возникновения контактной разности потенциалов? Объясните механизм образования контактной разности потенциалов в полупроводниках с точки зрения зонной теории твердого тела.
8. Объясните, как изменяется высота потенциального барьера при приложении внешнего прямого и обратного напряжений.
11
9. Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?
10.Какова ВАХ p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
11.Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным
для тока? Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и
слабый) даже при запирающем напряжении?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983.
2.
Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х т. - Т. 3. М.: Наука, 1982.
3.
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989.
4.
Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1990.
5.
Епифанов Г.И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.
6.
Лабораторные занятия по физике. Под ред. Гольдина Л.Л. М.: Наука,
1983.
Составитель Дмитрий Петрович Калинкин
Изучение выпрямляющего действия электронно-дырочного перехода
Методические указания к лабораторной работе №603
Темплан 2006 г., поз. №
Подписано в печать
2006 г. Формат 60х84 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,69.
Тираж 150 экз. Заказ
. Бесплатно.
Волгоградский государственный технический университет.
400131 Волгоград, просп. им. Ленина, 28.
РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического
университета.
400131 Волгоград, ул. Советская, 35.
12