link1200 link1201 link1202 link1203 link1204 link1205 link1206 link1207 link1208 link1209 link1210 link1211 link1212 link1213 link1214 link1215 link1216 link1217 link1218 link1219 link1220 link1221 link1222 link1223 link1224 link1225 link1226 link1227 link1228 link1229 link1230 link1231 link1232 link1233 link1234 link1235 link1236 link1237 link1238 link1239 link1240 link1241 link1242 link1243 link1244 link1245 link1246 link1247 link1248 link1249 link1250 link1251 link1252 link1253 link1254 link1255 link1256 link1257 link1258 link1259 link1260 link1261 link1262 link1263 link1264 link1265 link1266 link1267 link1268 link1269 link1270 link1271 link1272 link1273 link1274 link1275 link1276 link1277 link1278 link1279 link1280 link1281 link1282 link1283 link1284 link1285 link1286 link1287 link1288 link1289 link1290 link1291 link1292 link1293 link1294 link1295 link1296 link1297 link1298 link1299 link1300 link1301 link1302 link1303 link1304 link1305 link1306 link1307 link1308 link1309 link1310 link1311 link1312 link1313 link1314 link1315 link1316 link1317 link1318 link1319
Кривоносенко Геннадий Владимирович
Должность:преподаватель общепрофессиональных дисциплин
Группа:Посетители
Страна:Россия
Регион:Воронежская область г. Семилуки
ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ №14 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ №14

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель занятия: ознакомление с основными свойствами выпрямительных диодов и стабилитронов по вольтамперным характеристикам (ВАХ).

Перечень приборов.

1. Лабораторный стенд.

  1. Блок №1.
  2. Соединительные провода.

Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (1) стр. 457-489; 3) стр. 21- 43.

Контрольные вопросы.

1. В чем заключается основное свойство выпрямительного диода?

2. По каким параметрам выбираются диоды в схемах?

3. Объясните выпрямляющее действие диода.

4. Приведите основные параметры выпрямительного диода.
5. Как влияет температура на диод?

Краткие теоретические сведения.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенностью металлических проводников является наличие сво­бодных электронов, являющихся носителями электрических заря­дов. В диэлектриках свободных электронов нет и поэтому они не проводят тока.

В отличие от проводников полупроводники имеют не только электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электри­ческого поля и других факторов.



Химическую связь двух соседних атомов с образованием на
однрй орбите общей пары электронов (рис.1,а) называют ковалентной или парноэлектронной и условно изображают двумя линиями, соединяющими электроны ,(рис.1,6). Например, гер­маний принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева и имеет на высшей орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами (рис.1,в). При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсо­лютному нулю, все валентные электроны атомов в кристалле гер­мания взаимно связаны и свободных электронов нет, так что герма­ний не обладает проводимостью. При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению сво­бодных электронов. Уже при комнатной температуре под действи­ем внешнего электрического поля свободные электроны переме­щаются и в кристалле возникает электрический ток. Электропровод­ность, обусловленная перемещением свободных электронов, называ­ется электронной проводимостью полупроводника или п-проводимостью. При появлении свободных электронов, в ковалентных связях образуется свободное не заполненное электроном (вакантное) место — «электронная дырка». Так как дыр­ка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возника­ет избыточный положительный заряд. При наличии дырки какой-либо из электронов со­седних связей может занять место дырки и нормальная ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон и т. д. Схема образования и заполнения дырки условно показана на рис.2. В уста­новленной наклонно подставке имеется че­тыре отверстия (дырки), в которых расположено четыре шара (электрона). Если шар / сместится вправо, то он освободит отверстие (дырку) иупадет с подставки, а в от­верстие, которое занимал этот шар, переместится шар 2. Свободное отверстие (дырку) шара 2 займет шар 3, а отверстие последнего — шар 4.

Перемещение дырок подобно перемещению положительных зарядов и называется дырочной электропроводностью. Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению элек­тронов. Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной проводимостью, или р-проводимостью.

Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной прово­димости большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.

В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалент­ных связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Одновременно с этим происходит обратный процесс — рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя нормальные ковалентные связи. При определенной температуре число свободных электронов и дырок в единице объема
полупроводника в среднем. остается постоянным. При повышении
температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается, т. е.
полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Электропроводность полупроводника при отсут­ствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью.


Свойства полупроводника в сильной степени изменяются при
наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в, кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кри­сталле преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами. На­пример, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом пятивалентного вещества (мышьяка, сурьмы, фосфора) четыре электрона этого вещества образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон окажется сво­бодным (рис3.,а), а поэтому такая примесь увеличивает элек­тронную проводимость (п-проводимость) и называется донорной. При замещении атома германия атомом трехвалентного вещества (индий, галлий, алюминий) его электроны вступают в ковалентную связь с тремя соседними атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия нет четвертого электрона (рис.3,6).


Восстановление всех ковалентных связей возможно, если недо­
стающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Последовательное за­полнение свободной связи эквивалентно движению дырок. Примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника вызывают преобладание дыроч­ной проводимости и называются акцепторными.

Носители заряда, определяющие собой вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (дырки в р-полупроводнике и электроны в п-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой кон­тактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (n-типа), а другой — с дырочной (р-типа, рис.4,а). В результате большой концентрации элект­ронов в полупроводнике п они будут диффундировать из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диф­фузия дырок из второго р-типа полупроводника в первый п-типа. В тонком пограничном слое полупроводника п-типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р- типа — отрицательный заряд. Между этими слоями возникает раз­ность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еп , которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и облада­ющий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим или р-п-переходом.


Вследствие теплового дви­
жения в элсктрическое по­ле р-п-перехода попадают не­основные носители зарядов (элек­троны из р-области и дырки из п-области). Движениенеоснов­ных носителей зарядов под действием сил поля р-п-перехода направлено встречно диф­фузионному току основных но­сителей и называется дрейфовым или тепловым током, зависящим в сильной степени от температуры. При отсутствии внешнего электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через р-п-переход равен нулю.

Соединив положительный зажим источника питания с металли­ческим электродом полупроводника n-типа, а отрицательный за­жим — с электродом полупроводника р-типа, получим внешнее электрическое поле Ев направленное согласно с полем Еп р-п-перехода, усиливающее его (рис.4,6.). Такое поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой, и через диод пройдет малый обратный токIобр, обусловленный неосновными носителями заряда. Обратный ток диода в значительной мере зависит от температуры, увеличи­ваясь с ее повышением.


При изменении полярности источника питания (рис.4,в)
внешнее электрическое поле Евокажется направленным встреч­ному полю р-п-перехода Еп и под действием этого поля электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу и число основных носителей заряда в переходном слое возрастет, уменьшая потен­циальный барьер и сопротивление переходного слоя. Таким обра­зом, в цепи устанавливается прямой ток Iпр который будет значи­тельным даже при относительно небольшом напряжении источника питания U.

На рис.5 показана вольт-амперная характеристика герма­ниевого диода и его условное обозначение. Для большей нагляд­ности прямая ветвь (правая часть графика) и обратная ветвь (левая часть графика) характеристики изображены в различных масштабах. Характеристика показывает, что при небольшом пря­мом напряжении Uпр= 1В на зажимах диода в его цепи проходит относительно большой ток, а при значительных обратных напря­жениях Uобрток Iобр ничтожно мал.



Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, т. е. яв­
ляется электрическим венти­лем.

Промышленность произ­водит электрические венти­ли: германиевые, кремние­вые, селеновые и медно-закисные. Германиевые и крем­ниевые вентили изготовляют двух типов: точечные и плос­костные. У точечного герма­ниевого диода (рис.6, а) помещен кристалл герма­ния 5 с электронной прово­димостью, в который остри­ем входит контактный пру­жинящий вывод анода 3. Под контактным острием в результате специальной термической обработки создается область с дырочной проводимостью. В плоскостном германиевом диоде (рис.6 б) на пластину германия 5 с электронной проводимостью накладывается таблетка из индия, которая в процессе изготовления диода нагревается до 500°С и плавится так, что ее атомы диффун­дируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью. На границе двух областей (с электронной и дырочной проводи­мостью) появляется запирающий р-п-переход. Как в точечном, так и в плоскостном диоде германий 5 припоем 4 укреплен на кристаллодержателе 6, к которому приварен вывод катода (нижний) 7. Вывод анода 3 также припоем 4 укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Метал­лический корпус 2 сварен с кристаллодержателем 6 и стеклянным изолятором /.

Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только мате­риалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а имен­но: более высокой предельной температурой, значительно меньшим обратным током, более высоким пробивным напряжением. Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значи­тельно больше, чем германиевого.

Селеновый вентиль состоит из алюминиевого диска, с одной стороны покрытого слоем кристаллического селена, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом. Другим электродом является нанесенный на селен слой сплава кадмия и олова, при диффузии из которого атомов кадмия в селен образуется слой, обладающий электронной проводимостью. Селено­вые вентили имеют значительно меньшие обратные напряжения (до 60В) и плотности тока (0,1—0,2 А/см2), чем германиевые и кремниевые, так что их габариты и масса значительно больше. Однако характеристики селеновых вентилей более стабильны, что позволяет соединять их последовательно и параллельно для увеличения обратных напряжений и прямыхтоков. Кроме того, селеновые вентили обладают свойством самовосстановления, ко­торое сводится к следующему: если через пробитую шайбу про­пустить большой ток, то селен нагревается и плавится, закрывая место пробоя и восстанавливая вентильное свойство диода.

Медно-закисный вентиль состоит из медного диска со слоем оксида меди (I), к которому прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск с латунным радиатором большого диа­метра. Слой оксида меди (I) образуется при термической обра­ботке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой оксида ме­ди (I), полученный при избытке кислорода, обладает дырочной проводимостью, а слой оксида, полученного при недостатке кислорода, — электронной проводимостью. Между этими двумя слоями возникает р-п-переход.

Медно-закисные вентили имеют низкие обратные напряжения (10В) и плотности тока (0,1 А/см2) и в преобразовательных устрой­ствах не используются. Их применение ограничено измеритель­ными приборами, имеющими стабильную характеристику.

Проверка знаний.

1.Каковы свободные носители зарядов в кристаллах крем­ния с донорной и акцепторной примесями?

1.В обоих кристаллах кремния — электроны.

2. В кристаллах кремния с донорной примесью — дырки, с ак­цепторной — электроны.

3. В кристаллах кремния с донорной примесью — электроны; с акцепторной — дырки.


2.
Чем объясняется нелинейность вольт-амперной характеристики р-п-перехода (рис.7.)
1.
Дефектами кристалличес­кой структуры.

2 Вентильными свойствами.

3.Собственным сопротивле­нием полупроводника.

3. На диоде марки Д312 при изменении прямого напряже­ния от 0,2 до 0,4 В прямой ток увеличивается от 3 до 16 мА. Каково дифференциальное сопротивление этого диода?

1. 15,4 Ом. 2. 12,3 Ом. 3. 1,54 Ом.

4. Каково соотношение между прямым Rnpи обратным сопротивлением Rобр полупроводникового диода?

1. Rnp> Rобр.. 2. Rnp< Rобр.. 3. RnpRобр.. 4. Rnp<< Rобр

5. Каково основное достоинство точечного диода?

1.Малые размеры.

2.

Наши услуги



Мир учителя © 2014–. Политика конфиденциальности