СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Лабораторная работа № 54

ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ

Цель работы:

1. Изучить физические основы работы полупроводникового диода.

2. Снять вольт-амперную характеристику диода.

3. Провести осциллографическое наблюдение вольт-амперной характеристики диода и процесса выпрямления переменного тока.

Теоретическое введение

Полупроводниковый диод - это прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. В качестве выпрямляющего перехода в полупроводниковых диодах может служить электронно-дырочный (p-n) переход, гетеропереход (контакт двух различных по химическому составу полупроводников, обладающих различной шириной запрещенной зоны) или контакт металл-полупроводник (диод Шоттки).

В настоящее время разработан большой класс полупроводниковых диодов, использующих то или иное свойство выпрямляющего перехода (выпрямительные диоды, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды, лазеры и т. д.).

В данной работе изучается одно из основных свойств диода - выпрямляющее. Это - способность диода пропускать ток только в одном направлении (односторонняя проводимость диода). Исследуется диод с электронно-дырочным (p-n) переходом.

Электронно-дырочный переход образуется на металлургической границе раздела (то есть без нарушения периодичности кристаллической решетки) полупроводников с донорной примесью (для кремния и германия ею являются элементы V группы таблицы Менделеева) и акцепторной примесью (элементы III группы).

В равновесных условиях в p-n переходе на границе раздела существуют двойной электрический слой, внутреннее электрическое поле и контактная разность потенциалов j (рисунок 1 а, б, в, г соответственно).

Положительный заряд двойного электрического слоя, образованный ионами донорной примеси, всегда находится в полупроводнике n-типа, отрицательный, образованный ионами акцепторной примеси - в полупроводнике р-типа (рисунок 1а, б). Следовательно, внутреннее электрическое поле E_вн направлено из n-области в р-область (рисунок 1а). Напряжённость электрического поля максимальна на границе раздела p- и n-областей и уменьшается до нуля за пределами двойного электрического слоя (рисунок 1в). Ширина области пространственного заряда (ОПЗ), а также величина контактной разности потенциалов определяются физическими свойствами полупроводника по обе стороны p-n перехода; величина обычно составляет доли вольта (рисунок 1г). Квазистационарное состояние в p-n переходе обусловлено двумя встречными процессами - диффузией но
сителей заряда за счёт градиента их концентрации и дрейфом встречного потока носителей заряда под действием электрического поля p-n перехода.

При приложении к р-n переходу внешнего напряжения U происходит уменьшение высоты потенциального барьера ( j = j_к - U),если внешнее и внутреннее поля направлены в противоположные стороны; при этом через р-n переход протекает большой ток (от единиц миллиампер в маломощных диодах до сотен и тысяч ампер - в мощных). Вначале прямой ток растёт медленно; когда внешнее напряжение U скомпенсирует контактную разность потенциалов j_к, ток через диод начинает быстро возрастать. Такое включение диода называется прямым или пропускным (плюс приложен к р-области, минус - к n-области).

Если изменить полярность приложенного напряжения, то внешнее и внутреннее поля складываются, и высота потенциального барьера возрастает ( j = _k + U). При этом через диод протекает незначительный ток (доли микроампер у маломощных и единицы миллиампер - у мощных диодов), слабо зависящий от приложенного напряжения. Резкий рост обратного тока при значительных обратных напряжениях связан с явлениями пробоя и ограничивает рабочие напряжения выпрямляющих диодов. Напряжение пробоя у различных типов диодов лежит от десятков вольт до тысяч вольт. Такое включение диода называется об
ратным, или запорным (минус приложен к р-области, плюс - к n-области). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода представлена на рисунке 2.

Выпрямительные диоды широко используются для выпрямления переменного напряжения (блоки питания радиоэлектронной аппаратуры, детекторы в радио- и телеприемниках). Простейшая схема выпрямителя и форма переменного и выпрямленного (пульсирующего) напряжения приведены на рисунке 3а и 3б соответственно.

Описание установки

Измерительная установка содержит исследуемый диод VD, схемы постоянного тока для снятия прямой (рисунок 4а) и обратной (рисунок 4б) ветвей вольт-амперной характеристики диода, схемы переменного тока для наблюдения ВАХ (рисунок 4в) и процесса выпрямления (рисунок 4г). На стенде размещены измерительные приборы, электронный осциллограф и все необходимые органы управления.