электроника1
.docГУАП
КАФЕДРА № 53
ОТЧЕТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
проф., д.т.н. |
|
|
|
Зиатдинов С.И. |
должность, уч. степень, звание |
|
подпись, дата |
|
инициалы, фамилия |
ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ |
Практическое исследование вольт - амперной характеристики полупроводникового диода |
по курсу: Электроника |
|
РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ
СТУДЕНТ ГР. |
5031 |
|
|
|
Шпиронок А.Г. |
|
|
|
подпись, дата |
|
инициалы, фамилия |
Санкт-Петербург 2012
-
Цель работы:
Изучение и практическое исследование работы и характеристики полупроводникового диода.
Общие сведения о полупроводниковых диодах.
При разработке и построении разнообразных электронных устройств полупроводниковые диоды находят самое широкое применение. Полупроводниковые диоды изготавливаются из полупроводниковых материалов – германия и кремния. Соответственно, полупроводниковые диоды делятся на германиевые и кремниевые.
На рис. 1 показана структура атома чистого полупроводника.
В валентной зоне по определённым орбитам вокруг ядра вращаются электроны. Общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. В результате атом полупроводника является электрически нейтральным.
Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона, в пределах которой не могут длительное время находиться электроны, покинувшие по какой-либо причине валентную зону.
При t = 0 К зона проводимости полупроводника пуста. В этом случае полупроводник является диэлектриком. С ростом температуры электроны валентной зоны могут преодолеть запретную зону и попасть в зону проводимости. При этом полупроводник начинает проводить электрический ток это собственная проводимость полупроводников.
Удельная электрическая проводимость чистых полупроводниковых материалов колеблется в пределах 10-10 – 104 См/см. Природа собственной проводимости заключается в следующем. Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома полупроводника, могут находиться на различных орбитах (оболочках). В атоме германия всего 32 электрона, из них 28 находятся на внутренних орбитах и прочно удерживаются. У кремния всего 14 электронов, из них 10 находятся на внутренних орбитах. Во внешних оболочках атомы германия и кремния имеют по четыре электрона, слабо удерживаемых на орбитах. Именно эти четыре электрона атома германия и кремния могут покинуть свои орбиты и стать свободными.
Если электрон покидает атом и попадает в зону проводимости, то атом становится положительно заряженным, и говорят, что образовалась дырка, положительно заряженная. Ее может заместить другой электрон. Таким образом, в материале идет процесс образования дырок и хаотическое движение электронов. При этом средний ток равен нулю. При t > 0 К свободные электроны и дырки образуются попарно. Этот процесс называется генерацией пары. Процесс захвата дыркой свободного электрона называется рекомбинацией. Промежуток времени с момента генерации зарядов до их рекомбинации называется временем жизни.
Под действием внешнего электрического поля заряды в полупроводнике начинают двигаться, т. е. появляется собственная проводимость или дрейф. Созданный дрейфом зарядов ток называется дрейфовым.
Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей. Примеси делятся на донорные и акцепторные.
Донорные примеси. В качестве донорной примеси для германия и кремния используется сурьма, у каждого атома которой на внешних орбитах имеется по пять электронов, слабо связанных с ядром. При малом содержании примесей атомы примеси взаимодействуют с атомами полупроводника только четырьмя своими электронами, отдавая пятый в зону проводимости. Чем больше примесей, тем больше свободных электронов. В таком полупроводнике ток создается движением электронов. Это полупроводники n-типа («негатив» – отрицательный) с электронной проводимостью.
Акцепторные примеси. Примеси, атомы которых отбирают электроны у полупроводника и создают примесную дырочную проводимость, называются акцепторными.
В качестве акцепторных примесей обычно используют индий, у которого каждый атом имеет три электрона на внешних орбитах. Если в чистый полупроводник ввести атомы индия, то для полной связи с атомами полупроводника нужны четыре электрона, т. е. одного электрона не хватает, и в этом месте образуется дырка, которая может быть заполнена электроном. Чем больше будет примеси индия, тем больше будет не хватать электронов, и электроны могут двигаться от дырки к дырке. Это полупроводники с дырочной проводимостью p-типа («позитив» – положительный).
Основные свойства р-n-перехода. Если соединить полупроводники различной проводимости, то граничный слой между двумя областями называется p-n-переходом (электронно-дырочный переход, рис. 2).
Если на полупроводники подать от источника электроэнергии постоянное напряжение таким образом, что положительный потенциал будет приложен к полупроводнику n-типа, а отрицательный потенциал к полупроводнику p-типа (рис. 3), то электроны в полупроводнике n-типа оттянутся к положительному полюсу, а дырки в полупроводнике p-типа к отрицательному полюсу.
При этом p-n-переход расширяется и превращается в область, практически лишенную свободных зарядов. В результате ток в полупроводнике отсутствует. В этом случае говорят, что p-n-переход закрыт и обладает большим сопротивлением (обратное смещение p-n-перехода).
При смене полярности источника электроэнергии (рис. 4) дырки и электроны начнут встречно двигаться, рекомбинируя в зоне p-n-перехода.
Таким образом, в замкнутой цепи появится прямой ток IПР, величина которого зависит от ЭДС источника электроэнергии E (p-n-переход смещен в прямом направлении). На рис. 5 дано обозначение диода на электрических принципиальных схемах.
На рис. 6 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода.
При малых значениях E зависимость величины тока IПР от E носит нелинейный характер.
-
Схема:
Рис. 7 Схема цепи.
-
Таблицы:
Uист, В |
0 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1 |
1,2 |
1,4 |
Iд, мА |
0 |
0,15 |
5,56 |
15,579 |
31,157 |
45,252 |
60,274 |
76,039 |
106,825 |
139,095 |
Uд, В |
0 |
0 |
0,399 |
0,59 |
0,67 |
0,76 |
0,84 |
0,93 |
1,1 |
1,3 |
Uист, В |
-1 |
-2 |
-3 |
-4 |
-5 |
-6 |
-7 |
-8 |
-9 |
-10 |
-11 |
-12 |
Iд, мА |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-115,7 |
-272 |
-447 |
-614 |
-777 |
-943 |
-1104 |
Uд, В |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
-5,9 |
-6,7 |
-7,8 |
-8,4 |
-10,1 |
-10,2 |
-11 |
-
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:
Рис 8. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода(Прямая ветвь)
Рис 9. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода(Обратная ветвь)
-
Вывод:
Проделав лабораторную работу, было выяснено, что p-n-переход как область, обеднённая основными носителями, следовательно, имеющая большое сопротивление, исчезает. В результате резко увеличивается ток основных носителей через переход и начинает протекать прямой ток, величина которого определяется законом Ома.