Лабораторная работа 83 определение параметров полупроводникового диода

• Название: Лабораторная работа 83 определение параметров полупроводникового диода
• Дата: 24.03.2023
• Размер: 2.08 Mb.
• Имя файла: _83_su2x8p.doc
• Тип: Лабораторная работа; #1011690

(Лабораторная работа № 83)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: снять вольт – амперную характеристику полупроводникового диода; определить основные параметры полупроводникового диода; оценить заряд электрона

Оборудование и принадлежности: полупроводниковый диод, установка для исследования работы полупроводникового диода.
Электроны в изолированных (не взаимодействующих между собой) атомах могут принимать лишь определение значения энергии, называемые уровнями. Взаимодействие между атомами изменяет положение уровня (значение энергии), поэтому при объединении атомов в твердое (кристаллическое) тело возникает система близко расположенных друг к другу уровней энергии, называемая разрешенной зоной. Значения энергии электрона могут находиться только в разрешенной зонах 1 и 3 (рис. 83.1). Разрешенные зоны либо отделяются друг от друга энергетическим интервалом , либо перекрываются.

Электроны заполняют зоны, располагаясь на уровнях в соответствии с принципом Паули: в одном квантовом состоянии может находиться не более одного электрона. В простейшей ситуации состояние электрона в зоне определяется энергией и спином (собственный момент импульса). Тогда на одном уровне могут размещаться два электрона со взаимно противоположными спинами. Последняя, содержащая электроны, разрешенная зона 1 называется валентной, так как содержит электроны, определяющие химические свойства вещества. Если валентная зона заполнена частично, то материал будет проводником электрического тока.

Рис. 83.1. Заполнение энергетических уровней электронами 1- валентная зона, 2- запрещенная зона, 3- зона проводимости

При наличии незанятых уровней электроны под воздействием электрического поля будут увеличивать энергию (направленно двигаться, образуя электрический ток), переходя в состояния с большей энергией.

Вещества, имеющие полностью заполненную валентную зону, являются диэлектриками или полупроводниками. Электрические свойства таких веществ во многом определяются шириной запрещенной зоны 2, то есть энергетическим промежутком между заполненной валентной зоной и зоной, не содержащей электронов, которая называется зоной проводимости 3. Вещества с широкой запрещенной зоной являются диэлектриками, вещества с узкой запрещенной зоной - полупроводники. Четкой границы между полупроводниками и диэлектриками нет.

Сопротивление полупроводников сильно зависит от многих факторов: температуры, давления, освещения, от наличия атомов других веществ (примесей) и т.д. Полупроводники, содержащие примеси других элементов, называются примесными или легированными. Примеси, имеющие большую валентность, чем легируемый кристалл, образуют в запрещенной зоне уровни, содержащие электроны. Эти уровни называются донорными, а полупроводник - типа. Примеси меньшей валентности образуют уровни, содержащие «дырки» (состояния, не имеющие электронов). Их называют акцепторными, а кристалл – полупроводником - типа.

Донорные уровни расположены в запрещенной зоне близко к дну зоны проводимости, акцепторные - ближе к потолку валентной зоны.

Тип вещества удобно характеризовать с помощью уровня Ферми . Уровнем Ферми называется энергетический уровень (разрешенный или запрещенный), вероятность ионизации которого равна . В собственных полупроводниках ( - тип) проходит вблизи середины запрещенной зоны, в донорных – смещен к дну зоны проводимости, в акцепторных – к потолку валентной зоны (рис. 83.2).


i- тип n- тип p- тип

Рис. 83.2. Типы полупроводников

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

В любой системе, состоящей из нескольких контактирующих тел, устанавливается единый уровень Ферми.

Рассмотрим контакт двух полупроводников с разным типом проводимости. Электроны из кристалла - типа диффундируют в - тип, где переходят в незанятые состояния валентной зоны. Последний процесс называется электронно – дырочной рекомбинацией. На месте ушедших электронов в - типа остаются неподвижные положительные заряды. Область - типа приобретает положительный потенциал, энергия электронов понижается. Аналогично ведут себя дырки. Диффундируя в область - типа и рекомбинируя там с электронами, они уносят из - типа положительный заряд. Кристалл - типа получает отрицательный потенциал, и энергия электронов в этой области возрастает. Между и - областями возникает промежуток, обедненный подвижными зарядами. Он называется - - переходом.

В - -переходе происходит постепенное увеличение потенциала, характеризуемое контактной разностью потенциалов (рис. 83.3 а). Возникающее в области - - перехода электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии подвижных носителей и способствует установлению равновесия.

Равновесие - - перехода нарушается, если к нему приложить внешнее напряжение. Если отрицательный полюс источника соединить с - областью, а положительный с - областью, то внешнее напряжение снизит высоту потенциального барьера (рис. 83.3, б) и увеличит число электронов, проникающих в - тип, и число дырок, переходящих в - тип. В диоде возникнет электрический ток, быстро возрастающий с ростом . Такое включение диода называется прямым. При относительно небольшом прямом напряжении сила тока через - - переход достигает больших значений.

П ри обратной полярности источника («+» на и « - » на - типе, рис. 83.3,в) электроны оттягиваются в - область, дырки в - область, толщина - - перехода увеличивается, возрастает также и высота потенциального барьера на величину обратного напряжения . Обратный ток через - - переход, обеспечиваемый неосновными носителями (дырками - типа и электронами - типа), мал и слабо зависит от напряжения.

Рис. 83.3. р-n переходы диода
С ледовательно, диод обладает од-

носторонней проводимостью.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения, называемая вольт – амперной характеристикой (ВАХ), изображена на рис. 83.4. Аналитически ВАХ полупроводникового диода описывается формулой

(83.1)

г
Рис. 83.4. Вольт-амперная характеристика диода (ВАХ)
де - константа, имеющая смысл силы

тока при большом обратном напряжении,

или, для диодов, у которых отсутствует на-

сыщение обратного тока, имеющая лишь формальный смысл; = 1,610^-19 - заряд электрона, Кл; = 1,3810^-23 - постоянная Больцмана, Дж/К; - абсолютная температура, К.

Основными параметрами полупроводникового диода являются:

крутизна характеристики , (83.2)

дифференциальное сопротивление переменному току , (83.3)

сопротивление постоянному току , (83.4)

На рис. 83.5 изображена схема установки для исследования работы полупроводникового диода.




Рис. 83.5 – Схема установки для исследования работы полупроводникового диода
На панели установки находится двухпредельный вольтметр со шкалой до 50 В для измерения обратного напряжения и шкалой до 1 В для прямого напряжения - 1; двухпредельный миллиамперметр со шкалой до 0,1 мА (100 мкА) для измерения обратного тока и 100 мА для прямого тока - 2; гнезда для подключения исследуемого диода - 3; кнопка включения/выключения сети - 4; индикатор включения установки - 5; переключатель напряжения с прямого на обратное - 6; регулятор обратного напряжения - 7; регулятор прямого тока - 8; индикатор перегрузки - 9.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Внимание! Эксперимент выполняется на установке рис. 83.6.

Д ля выполнения эксперимента изучите панель установки. Подсоедините исследуемый диод к гнездам 3, включите установку, нажав кнопку 4 (рис. 83.6). При этом индикатор 5 должен светиться. Если загорается индикатор перегрузки 9, следует изменить полярность подключения диода.

Рис. 83.6. Установка для исследования работы полупроводникового диода
Все величины, полученные в результате измерений и вычислений, внесите в протокол измерений в соответствии с порядком выполнения работы и формой протокола.

Задание 1. Снять вольт-амперную характеристику диода. Вычислить параметры диода.

1) Определите зависимость прямого тока от напряжения . Переключатель 6 установите в положение прямой ток. Изменяя напряжение с шагом 0,1 В с помощью миллиамперметра 2 и вольтметра 1 снимите 8-10 показаний для построения прямой ветви ВАХ. Результаты измерений занесите в таблицу 1 в протокол измерений.

2) Определите зависимость обратного тока от напряжения . Переключатель 6 установите в положение обратный ток. Изменяя напряжение с шагом 2 В с помощью миллиамперметра 2 и вольтметра 1 снимите 8-10 показаний для построения обратной ветви ВАХ. Результаты измерений занесите в таблицу 1 в протокол измерений.

3) Постройте ВАХ для исследуемого диода, по измеренным значениям тока и напряжения. Для построения прямой и обратной ветвей ВАХ выбирается различный масштаб.

4) Вычислите параметры диода - крутизну характеристики , сопротивление постоянному току _пр по формулам 83.2, 83.4. Для вычисления крутизны на ветви прямого тока выберите участки и (см. рис. 83.4). Для вычисления сопротивления прямому току выберите значения , на участке линейной зависимости.

5) Вычислите сопротивление диода обратному току _об по формуле 83.4. Для вычисления сопротивления обратному току на обратной ветви ВАХ выберите значения , .
Задание 2. Провести оценку заряда электрона по данным эксперимента.

1) Для оценки заряда электрона формулу 83.1 преобразовали к виду В качестве берется какое – либо значение обратного тока (максимальное). Для прямой ветви ВАХ, используя значения прямого тока и напряжения таблицы 1 вычислите логарифмы и запишите полученные значения в таблицу 2 в протокол измерений.

2) Постройте график зависимости от напряжения . по данным таблицы. 2.

3) Вычислите тангенса угла наклона прямой к оси напряжений по формуле , выбрав на графике участки и .

4) Вычислите заряд электрона по формуле: .

5) Сделайте выводы