Лабораторный практикум к спецкурсу «Методы исследования свойств твердых тел» Методические указания (стр. 6 )

  рис.5.1

  В результате ширина перехода станет значительно меньше, чем раньше, или даже сведется к нулю, величина контактного поля уменьшится, что приведет к значительному уменьшению сопротивления. Сила  тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения.

  рис.5.2

  Иное будет происходить, если знак приложенной разности потенциалов поменять на противоположный (рис.5.2б). Электроны и дырки направятся соответственно к положительному и отрицательному электродам. В результате ширина перехода значительно увеличится, так как внешнее поле складывается с контактным. В связи с этим возрастет сопротивление и через контакт пойдет малый ток, создаваемый лишь неосновными носителями (электронами р-области и дырками n-области), концентрация которых на несколько порядков меньше, чем основных. Это направление называют запорным.

  В силу изложенного, вольтамперная характеристика (р-n)-перехода имеет вид, изображенный на рис.5.3. (р-n)-переход обладает односторонней проводимостью, или вентильным свойством, и имеет нелинейную вольтамперную характеристику. При включении в цепь переменного тока такие контакты действуют как выпрямители.

  рис.5.3

(р-n)-переход при малом переменном напряжении эквивалентен активному сопротивлению R (называемое иногда «диффузионным» сопротивлением) и включенной параллельно ему емкости С («диффузионная» емкость)

Физическая причина возникновения емкости С заключается в том, что при инжекции в n-области содержатся дополнительные (по сравнению с равновесием) дырки, а в р-области – дополнительные электроны, количество которых зависит от приложенного напряжения. Поэтому для всякого изменения напряжения ∆U необходим переход определенного заряда ∆q, что и обозначает наличие емкости.

  В данной работе исследуются вольтамперные характеристики (p-n)-переходов, для чего измеряется сила тока, протекающего через образцы, содержащие (р-n)-переходы, в зависимости от величины и полярности напряжения. При обратном токе через (р-n)-переход измеряется зависимость его емкости от величины напряжения.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему  рис.5.1  и  включить  питание  макета  и  приборов. Переключатель SА2 должен быть выключен.

рис.5.1

2. Снять вольтамперные характеристики (ВАХ) трех заданных образцов VD при различной величине и полярности напряжения. Данные оформить в виде таблицы I(U).

  Величина тока, протекающего через переход, может изменяться в значительных пределах, поэтому должна измеряться цифровым амперметром РА с малым внутренним сопротивлением. Резисторы R2 и R3 служат для ограничения тока в цепи.

  Величина напряжения, приложенного к одному из (р-n)-переходов, изменяется при помощи потенциометров RР1 или RР2 и измеряется вольтметрами V1 и V2. Полярность напряжения, приложенного к переходу, определяется включением амперметра РА между клеммами X1, Х2 или Х2, Х4. Переключатель SА1 позволяет производить включение различных переходов VD в схему 1.

Построить ВАХ для диодов  на одном графике.  По характеристикам сделать заключение о материалах, из которых изготовлены переходы. Собрать схему рис.2.

Рис.5.2

Включить переключатель SА2.Снять зависимость напряжения Uд  (клеммы ХЗ, Х4) от величины постоянного напряжения U подаваемого на диод VD

5.Данные занести в таблицу.

U, B

Uд, В

С, пф

Величина емкости (р-п)-перехода С определяется по формуле:

  С= С1(U/Uд), где С1 - емкость образцового конденсатора.

Зависимость емкости (р-n)-перехода DЗ от величины обратного напряжения необходимо измерять при отключенном от схемы амперметре А. Тумблером А2 на (р-n)-переход DЗ подаются постоянное напряжение с потенциометра Р2 и высокочастотное от генератора G. Емкость перехода С вместе с емкостью образцового конденсатора С1 образует делитель высокочастотного напряжения. По полученной зависимости построить зависимость С=С(U).

Контрольные вопросы

1.Чем отличаются полупроводники р - и n-типа?

2.Что такое (р-n)-переход и для каких целей он применяется в электронных приборах?

3.Что  такое  контактная  разность  потенциалов,  чем  определяется  её величина и направление?

4.Какие физические процессы происходят в (р-n)-переходе при различных полярностях и величинах приложенного напряжения?

5.Как  зависит  ширина  (р-n)-перехода  от  величины  приложенного напряжения?

Лабораторная работа 6

Изучение полупроводникового диода и выпрямителей переменного тока

Диоды - полупроводниковые (р-n)-переходы, которые пропускают ток в одном направлении. Обратный ток через диод всегда на несколько порядков меньше, чем прямой. Режим работы диода определяется его вольтамперной характеристикой I=I(U). Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U. Однако он не должен превышать определенного максимального значения Iмакс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Обратный ток при напряжениях U>Uобр. макс возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу их из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода.

Выпрямителями называют устройства, использующие диоды для преобразования переменных токов (меняющих свою величину и направление) в токи, текущие в одном направлении. Полупроводниковые выпрямители отличаются от других выпрямительных устройств целым рядом преимуществ: простотой и надежностью в работе, малыми габаритами, отсутствием движущихся частей или накальных цепей, возможностью использования в широкой области токов и напряжений, высоким коэффициентом полезного действия.

В полупроводниковых выпрямителях односторонней проводимостью обладает приконтактный слой, образующийся на границе двух полу­проводников с разными типами проводимости - (р-n)-переход.

(р-n)-переход нельзя получить простым соприкосновением двух кристаллов с р - и n-проводимостями, так как поверхности их всегда загрязнены атомами адсорбированных газов, пленками окислов, а также искажениями кристаллической структуры. Обычно (р-n)-переход является внутренней границей, разделяющей в одном монокристалле две области с разными типами проводимости, созданными путем введения в него соответствующих примесей. (р-n)-переходы, обладающие необходимыми свойствами, формируются в результате достаточно сложных технологических процессов.

Германиевый выпрямитель представляет собой пластинку, вырезанную из монокристалла германия, обладающего электронной проводимостью. С одной стороны к ней приваривают шарик олова, с другой - индия. Оба металла являются электродами, с помощью которых выпрямитель можно включить в электрическую цепь. При нагревании часть атомов индия проникает на некоторую глубину в германий, сообщая ему дырочную проводимость. Таким образом, вблизи индиевого электрода в кристалле германия образуется (р-n)-переход (рис.6.1)Исследование электрических характеристик выпрямителя основано на снятии его вольтамперной характеристики, т. е. зависимости тока от величины приложенного напряжения.

  рис. 6.1 

Для этого используют схему рис.6.3 Вольтамперная характеристика может быть получена также непосред­ственно на экране осциллографа, где она вычерчивается электронным лучом. Для этого последовательно соединенные выпрямитель и нагрузочное сопротивление R включают в сеть переменного тока (рис.6.4). На горизонтально отклоняющие пластины осциллографа (вход У-пластин) подают напряжение с сопротивления, которое пропорционально току текущему через R, а значит, и через выпрямитель. Электронный луч под действием двух взаимно перпендикулярных напряжений U и Ur вычертит кривую I(U). Генератор развертки при этом должен быть выключен.

  Нагрузка, через которую протекает выпрямленный ток включается последовательно с выпрямителем в сеть переменного тока (рис.6.4). Ток в такой цепи идет в те половины периода, которые соответствуют пропускному направлению выпрямителя. Через нагрузку течет ток только одною направления, однако величина его меняется. Такой ток называют пульсирующим. Форму тока, т. е. зависимость его от времени, можно также исследовать с помощью осциллографа. Для этого напряжение с сопротивления нагрузки подают на вход Y осциллографа, на горизонтально отклоняющие пластины подают напряжение от генератора развертки осциллографа. При соответствующем подборе частоты напряжения развертки на экране осциллографа можно получить неподвижную кривую, показывающую зависимость выпрямленного тока (напряжения) от времени.

В этом случае через нагрузку идет пульсирующий ток с потерей полупериода (однополупериодный выпрямитель) (рис.6.2б).

Чтобы использовать оба полупериода переменного напряжения, собирают схему двухполупериодного выпрямителя. Она состоит из четырех полупроводниковых диодов, включенных так, как показано на рис.6.5,  где R - нагрузочное сопротивление. Переменное напряжение от сети подается на точки А и В. Потенциалы в этих точках меняют знак с частотой переменного напряжения.

В ту половину периода, когда в точке А положительный потенциал, а в В - отрицательный, пропускать ток будут выпрямители, включенные в ветви

АС и BD. Во вторую половину периода положительный потенциал имеет точка В, ток пропускают выпрямители находящиеся в ветвях ВD и АD. Ток через нагрузку в обе половины периода идет в одном направлении. И в этом случае ток остается пульсирующим  (рис.6.2в)