Работа 68. Изучение p-n перехода

Цель работы

Исследование работы полупроводникового диодика. Исследование зависимости тока и ёмкости через p-n-переход от напряжения в прямом и запорном направлениях.

2. Приборы и принадлежности:

1. Диодик.

2. Установка для исследования p-n перехода ФПК – 06.

3. Источник напряжения.

Короткая теория

Характеристики и проводимость примесных полупроводников определяются имеющимися в их искусственно вводимыми примесями. Как понятно, атомы германия либо Работа 68. Изучение p-n перехода кремния, являющиеся полупроводниками, в узлах кристаллической решетки связаны 4-мя ковалентными связями с примыкающими атомами. Если часть атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки поменять атомами другого вещества, имеющими иную валентность, то полупроводник приобретет примесную проводимость. К примеру, если при выращивании кристалла германия в расплав добавить, маленькое количество Работа 68. Изучение p-n перехода пятивалентного мышьяка (либо фосфора), то последний внедрится в решетку кристалла, и четыре из его 5 валентных электронов образуют четыре ковалентные связи с атомами германия. 5-ый электрон оказывается “излишним”, просто отщепляется от атома за счет энергии термического движения и может участвовать в переносе заряда, т.е. разработке тока в полупроводнике.

Таким Работа 68. Изучение p-n перехода макаром, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности главных атомов, излишний электрон является электроном проводимости. Число таких электронов будет равно числу атомов примеси. Таковой полупроводник обладает электрической проводимостью либо является полупроводником n-типа (от слова negative - отрицательный). Атомы примеси, поставляющие свободные электроны, именуются донорами.

5-ый электрон примеси занимает состояние Работа 68. Изучение p-n перехода чуток ниже края зоны проводимости, т.е. находится в нелегальной зоне (рис.1.а). Этот энергетический уровень именуется донорным. Его положение поблизости зоны проводимости обусловливает легкость перехода электрона с донорного уровня в зону проводимости за счет термических колебаний решетки.

Набросок 1

Обычно в полупроводнике n-типа число электронов проводимости превосходит Работа 68. Изучение p-n перехода число атомов примеси, потому что в зону проводимости дополнительно попадают электроны за счет разрыва ковалентных связей благодаря термическим колебаниям решетки. Сразу в полупроводнике появляется маленькое количество дырок. Потому в полупроводнике n-типа вместе с основными носителями заряда - электронами проводимости - имеется маленькое количество неосновных носителей заряда - дырок.

Германий Работа 68. Изучение p-n перехода либо кремний можно легировать трехвалентными атомами, к примеру, галлием, бором либо индием. Три валентных электрона атома бора не могут образовать ковалентные связи со всеми 4-мя примыкающими атомами германия. Потому одна из связей оказывается неукомплектованной и представляет собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из примыкающих Работа 68. Изучение p-n перехода пар появляется дырка, которая будет скитаться по кристаллу.

Таким макаром, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности главных атомов, носителями заряда являются дырки. Число дырок определяется в главном числом атомов примеси. Проводимость такового полупроводника именуется дырочной, а полупроводники именуются полупроводниками р- типа (от слова positive - положительный ). Примеси Работа 68. Изучение p-n перехода, вызывающие возникновение дырок, именуются акцепторными, а энерго уровни, на которые перебегают электроны для восполнения недостающей связи атома примеси, именуются акцепторными уровнями. Акцепторные уровни размещаются в нелегальной зоне поблизости валентной зоны (см. рис. 1.б). Образованию дырки отвечает переход электронов из валентной зоны на один из акцепторных уровней.

Количество дырок Работа 68. Изучение p-n перехода в полупроводнике р- типа обычно превосходит число атомов доноров. Некое количество дырок появляется за счет перехода электронов в зону проводимости. Благодаря этому полупроводник р- типа вместе с основными носителями тока – дырками - обладает неким количеством неосновных носителей тока- электронами проводимости.

Если в пластинку из монокристалла германия, к примеру, с Работа 68. Изучение p-n перехода электрическим механизмом проводимости ( п- типа ) вплавить кусок индия, то атомы индия диффундируют в германий на некую глубину и выходит пластинка германия, в разных частях которой проводимость различная.

Узкий слой на границе меж 2-мя областями 1-го и такого же кристалла, отличающийся типам примесной проводимости, именуют р-n-переходом. Во всех полупроводниковых Работа 68. Изучение p-n перехода устройствах находятся р-п-переходы, которые обусловливают их работу.

Набросок 2

Свободные электроны в полупроводнике n-типа владеют большой энергией, чем дырки в валентной зоне полупроводника р-типа, потому электроны из полупроводника n-типа перебегают в полупроводник р- типа. В итоге этого перехода уровень Ферми у первого полупроводника снижается Работа 68. Изучение p-n перехода, а у второго- увеличивается. Переход завершается, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках уравниваются ( рис.2).

Нижняя граница зоны проводимости определяет конфигурации возможной энергии электронов в направление, перпендикулярно к р-n- переходу. Заряд дырок противоположен заряду электрона, потому их возможная энергия больше там, где меньше возможная энергия электрона.

Набросок 3

Благодаря переходу электронов в Работа 68. Изучение p-n перехода р- полупроводник в близи границы создаются излишек отрицательных зарядов, а в n-полупроводнике, напротив, излишек положительных зарядов. Потому на границе появляется электронное поле, вектор напряженности которого ориентирован от полупроводника n-типа к полупроводнику р-типа ( рис. 3).

В итоге этого появляется запорный слой, обедненный основными носителями заряда (количество Работа 68. Изучение p-n перехода главных носителей заряда поблизости контакта каждой области миниатюризируется).

Сразу появляется возможный барьер, препятствующий движению главных носителей заряда. Неосновные носители могут свободно диффундировать из одной области в другую под действием этого поля.

Устройство, состоящее из 2-ух материалов различной проводимости, именуется полупроводниковым диодиком. Если его подключить к источнику напряжения так, чтоб положительный Работа 68. Изучение p-n перехода потенциал был подан на р-область, а отрицательный на n-область, то в диодике появится электронное поле E, сделанное источником напряжения и направленное навстречу полю р-n- перехода E1 (рис.4). Оно ослабляет действие поля р-n- перехода и понижает возможный барьер. Область контакта обогащается основными носителями зарядов. Сопротивление контакта миниатюризируется. Под Работа 68. Изучение p-n перехода действием посторониих сил источника в цепи пойдет ток, направленный в диодике от р- к n- области. Такое включение источника именуется прямым. р-n- переход при всем этом обладает сопротивлением R+, которое можно подсчитать из формулы:

,

где U+ и I+ - соответственно напряжение и ток в контакте в проходном направлении.

Набросок 4
Набросок 5

Если Работа 68. Изучение p-n перехода же источник включить, как показано на рис. 5, электронное поле источника, складываясь с полем запорного слоя, увеличивает запорное поле. При всем этом возможный барьер растет, а запорный слой возрастает. Через контакт могут перебегать только неосновные носители заряда. Потому что их концентрация мала, то ток, идущий через контакт Работа 68. Изучение p-n перехода, мал. Такое включение источника именуется запорным.

Сопротивление р-n-перехода в данном случае определяется по формуле:

,

где U– и I– соответственно напряжение и токи в контакте в запорном направлении.

Зависимость I(U) тока, протекающего по диодику, от приложенного к нему напряжения именуется вольт-амперной чертой (ВАХ) диодика. Эта зависимость показана на Работа 68. Изучение p-n перехода рис. 6.

Количественно выпрямляющее действие диодика оценивается коэффициентом выпрямления К. Коэффициент выпрямления равен отношению прямого тока к току в запорном направлении при схожих напряжениях:

.

Коэффициент выпрямления К не остается неизменным в различных режимах работы диодика. С повышением напряжения U он растет, достигая при неком наибольшего значения, а потом убывает Работа 68. Изучение p-n перехода.

Односторонняя проводимость полупроводникового диодика позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Набросок 6

Изменение наружного напряжения U, приложенного к р—n-переходу, на значение dU приводит к изменению заряда q, создаваемого положительными и отрицательными ионами в переходе, также переносимого через переход электронами и дырками на значение dq. Потому ЭДП ведет Работа 68. Изучение p-n перехода себя подобно конденсатору, емкость которого При всем этом различают зарядную (барьерную) и диффузную емкости.

Зарядная емкость ЭДП обоснована конфигурацией зарядов положительных и отрицательно заряженных ионов примесных атомов в p-n-переходе при изменении оборотного напряжения. С этой точки зрения ЭДП можно рассматривать как тонкий конденсатор, обкладками которого служат нейтральные p Работа 68. Изучение p-n перехода- и n-области, а диэлектриком – запирающий слой p-n-перехода шириной d Емкость такового конденсатора равна .

Таким макаром при подаче на р—n-переход оборотного смещения, не превосходящего U*обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость Св находится в зависимости от величины приложенного напряжения Работа 68. Изучение p-n перехода. Это свойство употребляют в варикапах, используемых в большей степени для электрической перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодиках, служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакторах и умножительных диодиках, служащих для умножения частоты колебаний в спектре СВЧ. В этих полупроводниковых диодиках стремятся уменьшить величину сопротивления rб (основной источник активных Работа 68. Изучение p-n перехода утрат энергии) и усилить зависимость ёмкости Св от напряжения Uo6p. Пример вольт – фарадной свойства (ВФХ) приве

Набросок 7

дён на рис.7

Описание установки

Набросок 8

Установка состоит из объектов исследования и устройства измерительного, выполненных в виде конструктивно законченных изделий (рис. 8).

Объекты исследования (диоды) поочерёдно подключаются к гнезду, установленному на фронтальной панели Работа 68. Изучение p-n перехода устройства измерительного. В измерительном устройстве использована однокристальная микро-ЭВМ с надлежащими дополнительными устройствами, позволяющими создавать установку величины и полярности напряжения, подаваемого на р-п переход, измерение ёмкости р-п перехода и тока через него зависимо от приложенного напряжения, также производить функции управления установкой (регулирование напряжения, установка режимов работы при снятии вольт Работа 68. Изучение p-n перехода-амперной свойства (в предстоящем ВАХ) прямой, ВАХ оборотной либо вольт-фарадной свойства (ВФХ). В состав измерительного устройства входят также источники питания как для самого устройства, так и диодов.

На фронтальной панели устройства измерительного расположены последующие органы управления и индикации:

- кнопки +, - и СБРОС – созданы для регулирования напряжения Работа 68. Изучение p-n перехода и установки его в 0 (при всем этом при краткосрочном нажатии происходит установка единиц, а при продолжительном – 10-ов, переключение диапазонов происходит автоматом);

- кнопка ВАХ – ВФХ – создана для установки соответственного режима работы (снятие ВАХ либо ВФХ);

- кнопка Ровная – Оборотная – создана для установки режима работы при снятии ВАХ (снятие ВАХ прямой либо Работа 68. Изучение p-n перехода ВАХ оборотной);

- индикатор В – преднахзначен для индикации значения величины регулируемого напряжения;

- индикатор мА, мкА, пФ – предназначен для индикации единиц измерения и величины измеряемых значений тока и ёмкости;

- индикаторы ВАХ – ВФХ – созданы для индикации соответственного режима работы;

- индикаторы Ровная – Оборотная – созданы для индикации режима работы при снятии ВАХ.

Примечание: При работе переключение диапазонов Работа 68. Изучение p-n перехода измерения происходит автоматом.


rabochej-uchebnoj-programmi-po-discipline-patologicheskaya-anatomiya-060103-pediatriya.html
rabochie-chertezhi-zdanij-sooruzhenij.html
rabochie-dvuhkletevogo-reversivnogo-stana.html