«Исследование работы полупроводникового кремниевого диода». ИППД 3.0. Исследование полупроводникового кремниевого диода Выполнили Паршаков Андрей, Майер Артур, ученики9 б класса
 Скачать 0.87 Mb.
|
|
Муниципальное автономное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 2 Исследование полупроводникового кремниевого диода Выполнили: Паршаков Андрей, Майер Артур, ученики9 Б класса Научный руководитель: Перевалова Наталья Васильевна, учитель физики МАОУ СОШ № 2 г.Березники, 2023 г Оглавление 1.Введение 3 1.1.Актуальность 3 В нашей школе в этом учебном году был открыт Кванториум — детский технопарк. Мы занимаемся в Кванте — физика. На занятиях мы работаем с новым оборудованием — физической цифровой лабораторией.На одном из занятий мы выполняли работу по теме «Исследование полупроводникового диода» и столкнулись с проблемой. При некотором режиме работы диода, его свойства (зависимость силы тока от напряжения - вольтамперная характеристика) изменяются. Мы решили более глубоко исследовать эту проблему. 3 Цель: изучение особенностей протекания электрического тока через p-n-переход и построение вольт-амперной характеристики кремниевогодиода 3 Задачи: 3 Объект: Полупроводниковый кремниевый диод 3 1.7. Этапы работы: 4 2.Основная часть проекта 5 3.Вывод 18 4.Список литературы 19 5.Приложение 21 1.Введение1.1.АктуальностьВ нашей школе в этом учебном году был открыт Кванториум — детский технопарк. Мы занимаемся в Кванте — физика. На занятиях мы работаем с новым оборудованием — физической цифровой лабораторией.На одном из занятий мы выполняли работу по теме «Исследование полупроводникового диода» и столкнулись с проблемой. При некотором режиме работы диода, его свойства (зависимость силы тока от напряжения - вольтамперная характеристика) изменяются. Мы решили более глубоко исследовать эту проблему. Цель: изучение особенностей протекания электрического тока через p-n-переход и построение вольт-амперной характеристики кремниевогодиода Задачи: Проанализировать теоретический материал по теме «Полупроводниковый диод». Провести эксперимент с полупроводниковым диодом. Создать рекомендации для лабораторной работы. Объект: Полупроводниковый кремниевый диод Предмет: Свойства полупроводникового кремниевого диода. 1.6.Методы: 1.6.1 Эксперимент 1.6.2 Наблюдение 1.6.3 Анализ 1.7. Этапы работы:1.Исследовать основные свойства полупроводникового диода – зависимость электрического сопротивления от температуры, одностороннюю проводимость 2.Проанализировать алгоритм лабораторной работы, собрать экспериментальную установку. 3.Провести эксперимент с диодом при прямом и обратном подключении, выявить проблемы, объяснить их возникновение. 4.Проанализировать результаты эксперимента. 5.Создать рекомендации для выполнения работы. 2.Основная часть проекта2.1. Анализ теоретического материала А) Дио́д (от др.-греч. δις[1] — два и -од[2] означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь[2]. Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов. По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д. Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие. Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.  На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом: Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки. Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны. На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний: Открытое – когда он хорошо проводит ток; 2. Закрытое – когда он плохо проводит ток. Б) Прямое включение диода. Прямой ток. Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.  При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация. Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами. Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр. В) Обратное включение диода. Обратный ток. Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.  В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона, обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление. Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью. Г) Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой диода. На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр). По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр). Вольтамперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.  Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения. Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратной ветви, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольтамперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр). При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В. Д) Применение полупроводниковых диодов 1. Использование полупроводниковых диодов в качестве термометра.  Если прямой ток остается постоянным, прямое напряжение линейно уменьшается по мере увеличения температуры. Даже если прямой ток немного изменится, вы все равно можете сделать довольно точный термометр, но соотношение между напряжением и температурой будет менее линейно. Еще одна примечательная деталь заключается в том, что величина наклона увеличивается по мере уменьшения прямого тока; другими словами, прямое напряжение более чувствительно к изменениям температуры при более низких прямых токах. Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п. Диоды также применяются в радиотехнике, в работе детекторного приёмника. Применяются для выпрямления переменного тока. 2.2. Практическая часть 1. Опыт №1 (зависимость сопротивление диода от температуры). Цель: Выявить зависимость сопротивления диода от температуры. Оборудование: мультиметр, диод (из набора «НауЛаб») Ход работы: 1. Соединили мультиметр и диод, и измерили сопротивление диода (147,7кОм.). 2. Нагрели диод стаканом с кипятком и измерили значение сопротивления (99,1кОм.). Вывод: При нагревании диода его сопротивление уменьшается. (См. приложение №1). 2.Опыт №2 (односторонняя проводимость диода). Цель: На опыте подтвердить одностороннюю проводимость диода. Оборудование: диод, соединительные пластины, лампочка, источник тока (батарейки). (См. приложение №2). Вывод: При подключении диода p к +, n к – лампочка горит, а если подключить наоборот – лампочка не горит. 3. Опыт №3 (прямое подключение) Цель: Создать и проанализировать вольт-амперную характеристику полупроводникового диода. Схема цепи: См. приложение №3. Оборудование: В качестве источника питания используется платформа, подключаемая к USB-порту компьютера. Переменный резистор R1 и переменный резистор R2=10 Ом соединенные последовательно и используются для изменения напряжения, приложенного к диоду VD, а резистор сопротивлением R3 = 200 Ом ограничивает ток через диод и используется для определения этого тока. Измерение напряжений на диоде и резисторе осуществляется с помощью двухканального осциллографического датчика напряжения, при этом величина тока рассчитывается на основе закона Ома по измерению напряжения на резисторе R3. Ход работы: Соберите экспериментальную установку по схеме:  Для того, чтобы начать собирать схему, нужно: установить платформу подключаемую к USB-порту компьютера. На схеме знаком R1обозначен переменный резистор (он служит для изменения напряжения). Его нужно подсоединить к USB-порту последовательно. Знаком R2 обозначен резистор, сопротивление которого равно 10 Ом. Его нужно подключить последовательно к ключу и переменному резистору. Диод и резистор R3соединяются последовательно. Диод и резистор присоединяются параллельно к точкам минуса на резисторе R2, а вывод резистора R3 присоединяется к реостату. Подключаем осциллографический датчик напряжения с красной меткой к диоду, а с синей меткой к резистору R3 и подключаем осциллограф в USB-порт компьютера. После включения компьютера запустите программу «НауЛаб», выберите раздел «Физика». На панели устройств выберите сценарий проведения эксперимента «Изучение свойств полупроводникового диода» Запустите измерения, не замыкая ключа, и получите на экране осциллограммы напряжения, которые будут использованы при построении вольтамперной характеристики диода в качестве нулевой точки. Вызовите на экран желтый вертикальный маркер, обратите внимание на измеренные значения напряжения и поочередно нажмите красную и синюю кнопки «+» в правом верхнем углу экрана. Подаем напряжения при помощи реостата и в результате получаем таблицу для построения графика. Первое измерение проводить при разомкнутом ключе. Последние измерение реостате сделать до щелчка Продолжите измерения и запись данных в таблицу. Результаты: При правильной сборке у нас получится такая таблица и график.   Вывод: При правильной сборке и соблюдении полярностей, можно получить правильный график зависимости отношения силы тока к напряжению диода. Диод пропускает ток не сразу, на участке от 0В. до 0,370В. его практически нет. При напряжении 0,370В. ток начинает увеличиваться и достигает максимального значения 7,53 мА. при напряжении 0,603В. 4. Опыт №4 (обратное подключение) Цель: Проанализировать вольт-амперную характеристику. Цель опыта: Проверить прохождение тока при обратном подключении диода.  При обратном смещении значение тока как вычислимо, так и измеренное равно нулю. Вывод: При обратном подключении диода тока, нет. 5. Опыт №5 (проблемы эксперимента) 1) Изменение напряжения малыми значениями (меньше 0,5В.)   Объяснение: 2) Диод был включен в сеть в течение 20-30 минут.   Объяснение: 6. Опыт №6 (проверка совпадений результатов при измерении напряжении и силы тока) Цель: проверить значения напряжения и силы тока при малом изменении напряжения с помощью мультиметра и сравнить с табличными значениями осциллографического датчика. Оборудование: Используем тоже оборудование, но добавляем мультиметр. Ход работы: Если изменять подаваемое напряжение на диод малыми значениями (меньше 0,05В.), то вольт-амперная характеристика диода получается другой. Ток достигает небольшого значения, а за тем остаётся постоянным. Проверим изменение показаний напряжения и силы тока с помощью мультиметра, чтобы исключить нарушение работы программного обеспечения. Касаемся щупами вольтметра контактов диода и резистора 200 Ом. Сравниваем значения, полученные с помощью программы и измеренные мультиметром. И1-напряжение на диоде, И2 напряжение на резисторе. Изменяем напряжение U2 c помощью переменного резистора и получаем напряжение на диодеU1.Для силы тока на диоде получаем только начальное и конечное значение, так как для её измерения приходится размыкать цепь и сбивается программа. Напряжение, измеренное с помощью мультиметра
3) Напряжение, измеренное с помощью осциллографического датчика.  4) Сила тока I=0,03мА, I=3мА – измеренная мультиметром. Виду того, что сила тока измеряется мультиметром последовательно, приходится размыкать цепь и измерено только начальное и конечное значение силы тока. Вывод: Из проведённых измерений видно, что при малых изменениях напряжения сила тока достигает некоторого значения, а потом стабилизируется. Проведён эксперимент с помощью мультиметра, программы, измеряющей напряжение осциллографическим датчиком и расчёт силы тока. Значения показаний силы тока и напряжений, измеренных мультиметром и датчика почти совпадают. Следовательно диод при подаче малых напряжениях даёт другую вольт –амперную характеристику и программа фиксирует малые значения величин, то есть срабатывает. 3.Вывод В результате проведённых экспериментов мы получили следующее. 1.Сопротивление диода уменьшается с повышением температуры. 2.Диод обладает односторонней проводимостью. 3. Для правильного выполнения работы, подключение приборов должно соответствовать электрической схеме. (Правильная сборка цепи) 4.Полупроводниковый кремниевый диод проводит ток в прямом подключении. При достаточном напряжении (0,603В.) ток начинает расти. Максимальный ток, который получается в работе для диода (7,53мА.). При обратном подключении, диод ток не пропускает. 5.Для того, чтобы вольт-амперная характеристика получилась правильной. напряжение надо подавать в начале работы не слишком малым (0,5-0,7 В). 6.Если повышать напряжение малыми порциями, то ток не достигнет больших значений и стабилизируется (3мА.) и вольт – амперная характеристики будет другой. 7.Если диод долго работает, то вольт-амперная характеристика так же может получиться другой. В этом случае его надо отключить на 2-3 мин и повторить эксперимент. Рекомендации для выполнения : «Изучение работы полупроводникового диода
4.Список литературы5.Приложение1. Экспериментальная опытная установка. Электрическая цепь с диодом для прямого тока.  22  Приложение 3, не правильный график. п  |