Лабораторная работа №2
Исследование ВАХ идеального p-n - перехода
Цель работы: научиться правильно подключать приборы и снимать ВАХ
Приборы и материалы: амперметр, вольтметр, диод (вентиль).
Теоретическая часть.
Р-n переход нашел широкое применение в полупроводниковых приборах. Поэтому для правильного понимения устройства и принципа работы диодов, стабилитронов, транзисторов и других полупроводниковых приборов необходимо хорошо представлять работу p-n - перехода.
Структура p-n - перехода показана на рис. 1. Вывод от n-области называется катодом, а вывод от p-области – анодом. В месте контакта этих материалов образуется p-n переход. Ширина p-n перехода очень мала, от 1 до 50 мкм.
Так как концентрация электронов в n-области больше, чем в p-области, электроны диффундируют из n-области в р-область. Аналогичным образом дырки диффундируют из р-области в n-область. По мере диффузии пограничный слой р-области обедняется дырками и в нем возникает отрицательный объемный заряд ионизированных атомов акцепторной примеси. Пограничный слой n-области обедняется электронами, и в нем возникает положительный объемный заряд за счет ионизированных атомов доноров.
Рис.1. Структура p-n - перехода
Область p-n перехода, имеющую пониженную концентрацию основных носителей заряда, называют запирающим слоем или обедненным слоем. За счет положительного объемного заряда в пограничном слое n-области электрический потенциал этой области становится выше, чем потенциал р-области.
Между n - и р-областями возникает разность потенциалов, которая называется контактной. Поскольку электрическое поле p-n перехода препятствует диффузии основных носителей в соседнюю область, то считают, что между р - и n - областями установился потенциальный барьер.
Потенциальный барьер довольно мал, его величина составляет несколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального барьера – 0,3 вольта для p-n перехода в германии, и 0,7 вольта для p-n перехода в кремнии. Потенциальный барьер проявляется, когда к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение.
При прямом включении p-n перехода (рис. 2 а), когда «+» источника питания подается на область р, а «−» − на область n, потенциальный барьер уменьшается. Вследствие этого диффузия основных носителей через p-n переход значительно облегчается и во внешней цепи возникает ток. Такой ток называют током прямого направления или прямым током, а переход считают смещенным в прямом направлении.
Рис.2
Способы подачи напряжения на p-n - переход
а - прямое включение б - обратное включение
При обратном включении p-n перехода (рис. 2 б), когда «+» источника питания подается на область n, а «−» − на область р, потенциальный барьер возрастает. В этом случае переход основных носителей из одной области в другую затрудняется и уменьшается ток во внешней цепи. Такой ток называют обратным, а переход считают смещенным в обратном направлении.
Таким образом, в зависимости от полярности приложенного напряжения p-n переход может находиться в одном из двух состояний: открытом либо закрытом. Такое свойство p-n перехода называют вентильным эффектом.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ)
Зависимость тока, протекающего через p-n переход, от приложенного к нему напряжения называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ) p-n перехода. ВАХ снимают экспериментально. График ВАХ p-n перехода представлен на рис. 1
Рис.3. Вольт-амперная характеристика идеального р—п-перехода
Из графика следует, что при положительном смещении, когда ток через переход растет с ростом напряжения, переход обладает высокой проводимостью. При отрицательном смещении, когда обратный ток быстро достигает значения тока насыщения, переход обладает очень низкой проводимостью. При напряжении внешнего источника, равном нулю, ток, протекающий через переход, также равен нулю. Вследствие резко выраженной нелинейности ВАХ р-n-переходы широко используют в качестве ключевых элементов в вентилях различного типа, т. е. в полупроводниковых приборах, имеющих практически два состояния — проводящее (вентиль открыт) и непроводящее (вентиль закрыт).
Основное использование p-n - перехода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный p-n - переход должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс - к аноду, минус - к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.
Вот так это должно выглядеть на графике:
Однако в реальных p-n - переходах ВАХ отличаются от что объясняется тем, что, во-первых, для разных типов материалов полупроводникового кристалла обратный ток насыщения сильно зависит от температуры; во-вторых, при большом обратном напряжении, при котором измеряется ток насыщения, наблюдается термогенерация носителей непосредственно в области перехода; в-третьих, в реальных p-n - переходах наблюдаются поверхностные утечки тока (дополнительные проводимости); в-четвертых, при анализе процессов в p-n - переходе не учитываются ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу.
В реальных p-n - переходах необходимо оценивать все эти явления и учитывать, что обратный ток p-n - перехода складывается из теплового тока, тока термогенерации и тока утечки. Большую роль играет тепловой ток, который растет при увеличении температуры окружающей среды на каждые 7…10оС. Соизмерим с ним и ток утечки, но последний мало зависит от температуры, но зависит от величины обратного напряжения.
Ход работы:
Экспериментальное исследование выпрямительного диода
Собрать схему для исследования выпрямительного диода на постоянном токе в соответствии с принципиальной схемой рис.1. Для измерения анодного тока включить миллиамперметр постоянного тока с пределом 100 мА. Для измерения анодного напряжения использовать мультиметр. Последовательно с диодом включить токоограничивающий резистор Rн.
Рис.4. Схема для снятия ВАХ диода (прямое включение)
Снять вольтамперную характеристику выпрямительного диода на постоянном токе для прямой ветви (рис.1); для снятия характеристик регулировать напряжение на выходе потенциометра; результаты измерений занести в таблицу, по которой построить прямую ветвь ВАХ;
Собрать схему для снятия обратной ветви ВАХ VD1, подключив к RP2 источник -12 В и заменив миллиамперметр, поменяв так же его полярность подключения (рис.2); снять обратную ветвь ВАХ диода;
Рис 5. Схема для снятия ВАХ диода (обратное включение)
Дополнительное задание:
Собрать схему для получения ВАХ диода на экране осциллографа. Исследование выпрямительного диода выполняется на переменном токе в соответствии с принципиальной схемой рис.6. Вход Y(CH2) осциллографа подключить к шунту RS2, а корпус осциллографа 
соединить с общим проводом (┴). Вход Х (CH1) осциллографа подключить к аноду диода. При этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение X/Y. Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат. Подать питание. Зарисовать ВАХ диода, определить масштабы по току и напряжению;
Рис 6. Схема для снятия ВАХ диода на переменном токе.
Контрольные вопросы
1. Каковы свойства p-nперехода?
2. Объясните вид ВАХ p-n перехода?
3. Как влияет температура на различные участки ВАХ диода?
4. Как снять по точкам ВАХ диода?
5. Что такое потенциальный барьер p-n перехода?
6. Почему не существует идеального p-n перехода?
