![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
P-n переход в полупроводниках
ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ p-n ПЕРЕХОДОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №32
(Раздел " Оптика")
Ростов-на-Дону Составители: к.ф.-м.н., доц. С.М. Максимов, к.ф.-м.н., доц. Н.В. Пруцакова, к.х.н., доц. А.Я.Шполянский
УДК 535.21/075.6
Физические основы работы полупроводникового диода. Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. - 10 с.
В краткой форме рассмотрены процессы, протекающие в p-n переходе полупроводникового диода. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика») и ФОИ.
Печатается по решению методической комиссии факультета
Научный редактор к.ф.-м.н., проф. Наследников Ю.М.
© С.М. Максимов, А.Я. Шполянский, Н.В. Пруцакова, 2011
© Издательский центр ДГТУ, 2011 Цель работы: 1. Ознакомление с принципом работы полупроводникового диода и стабилитрона. 2. Исследование вольтамперных характеристик полупроводникового диода и стабилитрона. Приборы и принадлежности: установка для снятия вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов. Краткая теория P-n переход в полупроводниках Полупроводниками (п.п.) называют широкий класс веществ, которые по электропроводности занимают промежуточное место между металлами и изоляторами. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является экспоненциальный рост электропроводности при повышении температуры. Большинство полупроводниковых приборов изготавливается на основе четырехвалентных германия (Ge) и кремния (Si). В зависимости от типа примеси полупроводник может обладать электронной (n - типа) или дырочной (p - типа) проводимостью. Проводимость n - типа достигается введением в п.п. донорной примеси (для Ge и Si это пятивативалентные элементные - сурьма, мышьяк, фосфор), Полупроводниковый диод представляет собой контакт двух полупроводников с различным типом проводимости. При формировании p-n перехода под влиянием разности концентраций дырки из p -области диффундируют в n -область, а электроны, соответственно, из n -области в p -область. Дырки, перешедшие в n -область, рекомбинируют (т.е., объединяются с электронами) вблизи границы p-n перехода, а соответственно, электроны, перешедшие в p -область, рекомбинируют с дырками. Вследствие этого пограничный слой p-n перехода обедняется носителями заряда - электронами и дырками и возникает пограничная область повышенного сопротивления. При этом атомы донорной примеси, от которых ушли электроны, становятся положительно заряженными ионами, а атомы акцепторной примеси - отрицательно заряженными ионами. В результате, на границе полупроводников p - и
Рис. 1. Модель p-n перехода и потенциальный барьер в случаях: б) p-n переход, смещенный в обратном (запорном) направлении; в) p-n переход, смещенный в прямом (пропускном) направлении.
Образующаяся при этом разность потенциалов U0 вызывает появление внутреннего электрического поля с напряженностью E0=U0/d0, где d0 -ширина области перехода. Как следует из рис.1, а, внутреннее поле в переходе препятствует дальнейшему взаимному В зависимости от полярности внешнего напряжения, приложенного к переходу, толщина слоя, обладающего большим сопротивлением, будет меняться. Если к p-n переходу приложить напряжение в обратном направлении (U< 0) (рис.1, б), то величина потенциального барьера увеличится до значения U + U0, в результате чего ширина обедненного слоя возрастет до d1> d0. В этом случае через переход будет протекать в обратном направлении малый ток (порядка нескольких микроампер). Этот ток называют обратным. Наличие обратного тока связано с тем, что в полупроводнике p или n- типа всегда имеется небольшое количество носителей зарядов другого знака, которые слабо влияют на его электрические свойства. Эти заряды, как это отмечалось ранее, называются неосновными (их наличие связано с собственной проводимостью полупроводников) и их концентрацию, в отличие от концентрации основных носителей nn и pp, принято обозначать через np и pn. Электрическое поле барьера, при указанной полярности приложенного напряжения, способствует передвижению неосновных носителей через p-n переход. Таким образом, сопротивление p-n перехода мало в прямом направлении и велико в обратном (прямое сопротивление На этом свойстве основано его применение в качестве выпрямителя переменного тока. Устройства, выполняющие эти функции, получили название полупроводниковых диодов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) п.п. диода представлена на рис.2.
Пробой p-n перехода С ростом обратного напряжения может наступить пробой p-n перехода. При этом ток и проводимость в обратном направлении резко возрастают. Различают три основных вида пробоя, два из которых являются следствием чрезмерно большого электрического поля в переходе, третий связан с тепловыми явлениями. Вольт - амперные характеристики (ВАХ) туннельного - 1, лавинного - 2 и теплового - 3 пробоев представлены на рис.3.
Через Is обозначен обратный ток насыщения. Обратная ветвь здесь изображена в сильно увеличенном масштабе, поэтому в начале координат имеет место ″ излом″ характеристики. Все рассмотренные виды пробоев являются обратимыми, т.е. диод может оставаться работоспособным после пробоя, если средняя мощность, выделяемая в переходе, не превысит максимально допустимую, при которой начинают происходить необратимые изменения в кристаллической структуре полупроводника, характерные для теплового пробоя. Максимальная мощность рассеивания указывается в паспорте полупроводникового прибора.
Стабилитроны. ВАХ стабилитрона
Стабилитрон - полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации, то есть поддержания неизменным, уровня постоянного напряжения. На его вольтамперной характеристике имеется участок, где напряжение почти не зависит от величины протекающего тока. Таким является участок электрического пробоя, где ток изменяется в широком диапазоне, не допускающем перехода в необратимый тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ. Схема подключения стабилитрона представлена на рис. 4.Резистор Ro подбирается таким, чтобы протекающий через стабилитрон ток Iст соответствовал среднему (называемому номинальным Iст.ном) значению тока рабочего режима стабилитрона между Iст.min и Iст.max. Принцип действия стабилитрона: при уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro тоже уменьшается, но напряжения на стабилитроне и на нагрузке, исходя из вольтамперной характеристики (рис. 5.), остаются постоянными. Рис. 4. Схема подключения стабилитрона Рис. 5. Типичная ВАХ стабилитрона
Описание установки Лабораторная работа выполняется на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 6, где П1, П2 – переключатели, П – потенциометр, A - многопредельный амперметр, V - многопредельный вольтметр. Рис. 6. Принципиальная схема лабораторной установки Порядок выполнения работы 1. Получить у лаборанта образец графика для построения ВАХ. 2. С разрешения преподавателя включить в сеть источник питания. Ручка потенциометра должна быть при этом установлена на ″ 0″. 3. Поставить переключатели П1 и П2 в положения ″ Диод″ и ″ Прямой ток″. 4. Установить предел измерения токового прибора ″ 0, 5″ А. 5. Снять ВАХ диода в прямом направлении. Для этого, установив
6. Установить предел токового прибора в положение ″ 50 мкА″. 7. Установить переключатель П2 в положение ″ Обратный ток″. 8. Изменяя напряжение (7-9 раз), снять ВАХ диода в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5). 9. Установить переключатель П1 в положение ″ Стабилитрон″. 10. Установить предел токового прибора в положение ″ 50мА″. 11. Изменяя напряжение, снять ВАХ стабилитрона в обратном направлении (по аналогии с пунктом 5). 13. Построить на одном графике ВАХ диода и стабилитрона.
ВНИМАНИЕ! Перед каждым измерением ручка потенциометра должна быть установлена в начальное положение, т.е. на ″ 0″. Техника безопасности 1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством и принципом действия. 2. Перед включением установки в сеть убедитесь в целостности изоляции проводников. 3. Включать установку можно только с разрешения преподавателя и в его присутствии.
1. Какой полупроводник называется донорным? 3. Какие носители заряда в полупроводнике называются основными, а какие - неосновными? 4. Особенности образования p-n перехода (двойной слой объемного заряда). 5. Почему p-n переход обладает выпрямляющим эффектом? 6. Какие носители заряда в полупроводнике создают прямой ток, 7. Рассказать о различных видах ″ пробоя″ p-n перехода. 8. Объяснить принцип работы стабилитрона.
Рекомендуемая литература 1. Федосеев В. Б. Физика. - Ростов н/Д: Феникс, 2009. 2. Савельев И.В. Курс общей физики. (т. 3). СПб.: Лань, 2006. 3. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. шк. 2004.
Редактор А.А.Литвинова ________________________________________________________ В печать Объём 0, 5 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Заказ №.Тираж 50 экз. Цена свободная ________________________________________________________ Издательский центр ДГТУ Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
|