Лабораторная работа
СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕЛЕНОВОГО И ГЕРМАНИЕВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ (ДИОДОВ)
цель работы: снять вольтамперные характеристики Ge и Se выпрямителей. Определить коэффициенты выпрямления.
приборы и принадлежности: селеновая шайба (столбик), германиевый выпрямитель (диод), миллиамперметр, микроамперметр, амперметр, вольтметр, потенциометр, двухполюсный переключатель, источник тока.
Краткая теория
В зависимости от электропроводящих свойств все вещества делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.
В отношении электрического сопротивления полупроводники занимают положение между металлами и диэлектриками.
Удельное сопротивление металлов порядка 10 – 6 – 10 – 8 Ом∙м, полупроводников - 10 – 5 – 10 8 Ом∙м, диэлектриков - 10 8 – 10 13Ом∙м. Характерной особенностью полупроводников является то, что их электрические свойства резко изменяются под влиянием ряда физических факторов: примесей, освещения, температуры, электрического поля и т. д.
На практике чаще всего применяются селеновые и германиевые полупроводники с примесями сурьмы, бора, индия, мышьяка и т. д. В состав каждого атома Германия входит по 32 электрона, из них два находятся на оболочке К, восемь – на оболочке L, восемнадцать – на оболочке М и четыре – на оболочке N. Следовательно, оболочка N незамкнута и поэтому валентность Германия 4. Во всевозможных химических реакциях участвуют только эти четыре наружных электрона. Остальные 28 электронов крепко связаны со своим ядром и образуют прочный атомный остов. Удельная электропроводность Германия при комнатной температуре лежит в широких пределах, обнимающих по крайней мере пять порядков, от 1000 до 10 – 2 Ом - 1∙см – 1. Такой широкий диапазон значений σ объясняется, как и для всех полупроводников, концентрацией и типом введенных в его кристаллическую решетку примесей посторонних атомов. В Германии особенно ярко и сильно проявляется влияние примесей. Достаточно ввести один атом примеси на 10 8 – 10 9 атомов германия, как заметно увеличивается его электропроводность. Подобная роль примесей имеет и негативную сторону. Дело заключается в том, что для производства всех германиевых приборов необходим германий высокой чистоты, его удельное сопротивление должно быть больше 10 Ом∙см. Получение такого Германия – задача непростая. Селен расположен в У1 группе периодической системы. Его порядковый номер 34, атомный вес 78,96, плотность 4,8 г/см3. 34 электрона, из них два находятся в оболочке К, восемь – в оболочке L, восемнадцать – в оболочке М и шесть в незаполненной оболочке N.
Удельная электропроводность чистого селена при комнатной температуре σ20 ≈10 -5 ом -1см -1. Его механизм электропроводности – дырочный, подвижность дырок u р =5 см2/В∙с. Многочисленные попытки получить путем непосредственного введения примесей селена с электронным механизмом проводимости не увенчались успехом. Сама величина удельной электропроводности резко изменяется в зависимости от количества введенных примесей, что и используется при производстве полупроводниковых приборов.
В зависимости от примесей в полупроводниках проводимость может быть обусловлена избыточными электронами, такие полупроводники называются n-типа (от слова negative). Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются донорными (донорами). Примером может служить добавление к четырехвалентным атомам Германия пятивалентных атомов сурьмы (рис. 1а).
Рис. 1а Рис. 1б
Примером полупроводников с проводимостью иного типа может служить тот же кристалл германия, но с примесью бора (рис. 1б). Атом бора трехвалентен. Атом бора захватывает один электрон у соседнего атома германия. Последний, в свою очередь, может захватить электрон у другого атома Германия и т. д. Такое последовательное «перескакивание» электронов эквивалентно движению в противоположную сторону положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Дело обстоит так, будто перемещается «место электрона» - положительно заряженная «дырка». Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием «дырок», называются полупроводниками p-типа (от слова «positive»).
Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называются акцепторными, так как они захватывают электроны.
Полупроводники могут обладать одновременно n - и p-типами проводимости.
Наибольший практический интерес представляет контакт двух полупроводников с разными типами примесной проводимости. Этот контакт является основой работы полупроводниковых приборов.
Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электрону., а другой – дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (p-, n-переход).
|
.
В результате перемещение электронов и дырок через поверхность раздела приводит к образованию двойного электрического слоя. Электроны из n-полупроводника переходят в p-полупроводник, дырки не перемещаются в противоположном направлении (рис.2).
|
В области ab n-полупроводника образуется избыточный заряд, в области bc на p-полупроводнике - избыточный отрицательный заряд. Двойной слой создает контактное электрическое поле с напряженностью Епр. Это поле препятствует дальнейшему переходу носителей заряда. Толщина ℓ слоя имеет величину от 10–4 до 10–5 см. Электроны и дырки полупроводников при обычных температурах не могут проникнуть в равновесный контактный слой, который является запирающим слоем.
Рассмотрим влияние внешнего электрического поля на свойства p-n-перехода. В цепь (рисунок 3) включим источник тока. Внешнее электрическое поле будет усиливать поле контактного слоя и приведет к возрастанию потенциального барьера для электронов и дырок, переходящих через контакт. Вместе с тем внешнее поле вызовет движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике в стороны, противоположные от контакта. Это приведет к увеличению толщины запирающего слоя и росту его сопротивления.
Напряжение внешнего поля, при котором расширяется запирающий слой,
называется запирающим; ток через контакт двух полупроводников не проходит.
Если изменить полярность приложенного внешнего напряжения, то внешнее электрическое поле будет направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 4).
Рис. 4
Будет наблюдаться встречное движение электронов и дырок, которые перемещаются под действием внешнего поля из глубины полупроводников к границе p - n –перехода. Толщина ℓ контактного слоя и его сопротивление значительно уменьшаются. Следовательно, ток может более или менее свободно проходить через p - n –переход в направлении от р к n-полупроводнику. Это направление принято называть пропускным.
Таким образом, контакт двух примесных полупроводников с разными знаками носителей заряда обладают односторонней проводимостью.
В данной работе необходимо снять вольтамперную характеристику селенового и германиевого выпрямителей.
Селеновый выпрямитель устроен следующим образом. Одним электродом у них является никелевая или алюминиевая пластина с нанесенным на него тонким слоем кристаллического селена (около 0,1 мм), вторым – пластина сплава висмут-кадмий-олово, покрывающая слой селена. Запирающий слой возникает на границе между дырочным селеном и электронным селенистым кадмием.
Пропускным направлением тока является направление от селена к селенистому кадмию. Один такой выпрямляющий элемент называется выпрямляющей шайбой;
отдельные шайбы собирают в выпрямительный столбик. Каждая шайба выпрямляет переменный ток до 20 В.
К контактной проводимости относится также и германиевый выпрямитель.
Для получения электронного контакта (p - n –перехода) поверхность пластинки электронного Германия подвергают специальной обработке или вводят на некоторую глубину примеси (индий), в результате чего образуется слой германия, обладающий дырочной проводимостью. Если германий нагреть до 850оС и затем быстро охладить, то его проводимость будет дырочной. Если тот же самый образец отжечь в течение нескольких часов при 450оС, то он приобретает электронную проводимость. Пропускным направлением тока является направление от дырочного (р) слоя Германия к электронному (n).
Вольтамперной характеристикой называется зависимость силы тока, протекающего через полупроводник, от приложенного к полупроводнику напряжения I=f (U)
Свойства выпрямителей характеризуются коэффициентом выпрямления k, который равен отношению прямого тока Iпр в обратному Iобр, измеренным при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях.
(1)
Для снятия вольтамперной характеристики германиевого и селенового выпрямителей собирают схему (рис. 5).
Рис. 5
Напряжение на выпрямитель подают через потенциометр R и измеряют вольтметром V.
Порядок выполнения работы
1. Собрать электрическую схему (рис. 5). При соединении электроизмерительных приборов соблюдать полярность.
2. Установить подвижный контакт потенциометра R в положение, соответствующее наименьшему напряжению.
3. Включить селеновый выпрямитель, для чего переключатель ПК замкнуть на клеммы 1-2, а ключ К на клемму 5.
4. Увеличивать напряжение на вольтметре и при различных напряжениях делать измерения прямого тока Iпр, протекающего через селеновый выпрямитель.
5. Перекинуть ключ К на клемму 6, сделать отсчеты прямого тока Iпр, протекающего через германиевый выпрямитель (диод), при тех же значениях напряжения на вольтметре V.
6. Для снятия обратного тока включить переключатель ПК на клеммы 3-4, а ключ – на клемму 5; движок потенциометра R устанавливают в положение наименьшего напряжения.
7. Передвигая движок потенциометра, снять по миллиамперметру mA ( или по микроамперметру μА) силу обратного тока Iобр, протекающего через селеновый выпрямитель.
8. Перекинуть ключ К на клемму 6, проделать те же измерения и для германиевого выпрямителя. Напряжение, снимаемое с потенциометра, соответствует тем же значениям, что и при снятии прямого тока.
9. Результаты занести в таблицу 1.
Таблица 1
№ измерения | Селен ( Se ) | Германий ( Ge ) | ||||||||
Uпр | Iпр | Uобр | Iобр | k Se | Uпр | Iпр | Uобр | Iобр | kGe | |
1 2 3 : |
10. По формуле (1) вычислить коэффициент выпрямления для селенового и германиевого выпрямителей при соответствующих напряжениях.
11. Построить вольтамперные характеристики для селенового и германиевого выпрямителей, откладывая по оси абсцисс значения напряжения, а по оси ординат – значения величины тока.
Прямые напряжения и токи откладывают на положительных полуосях, а обратные напряжения и токи - на отрицательных осях.
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков?
2. Объясните механизм электрической проводимости полупроводников.
3. От чего зависит проводимость полупроводников?
4. Объясните механизм выпрямления тока на границе полупроводников р - и n-типа.
