8. Снятие ВАХ полупроводникового диода

Лабораторная работа № 8
Снятие ВАХ полупроводникового диода
Цель работы (задание): Изучение свойств полупроводникового диода и снятие его вольтамперной характеристики
Оборудование: полупроводниковый диод, источник питания ВС – 4-12, потенциометр на 30 Ом,
мультиметр, микроамперметр, соединительные провода.
Теоретическое введение
Полупроводниковый диод - составная часть современных
электронных схем. Работа полупроводникового диода основана на
свойствах p-n перехода.
Когда кристалл полупроводника легирован (снабжен примесями)
так, что одна его часть имеет проводимость p-типа (акцепторная
примесь), а другая – проводимость n-типа (донорная примесь), то на
границе между этими частями возникает слой с особыми свойствами,
который и называется p-n переходом или электронно-дырочным переходом.
Существует много способов получения p-n переходов, но для всех способов характерен один
общий прием. Берется кристалл полупроводника p- или n-типа. Затем каким-либо способом в кристалл
вводятся примеси, проникающие на определенную глубину в данном полупроводнике, и создающие
примесь противоположного характера. Если исходно кристалл был n-типа, вводится акцепторная
примесь, если p-типа – то донорная. Примесь вводится в кристалл в концентрации большей, чем в
исходном полупроводнике. Поэтому в той части кристалла, куда попала примесь, тип проводимости
изменяется. На границе между областью, где тип проводимости в кристалле изменился, и областью,
где он остался исходным, возникает p-n переход.
Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости,
происходит диффузия электронов и дырок.
Диффузия электронов из n-полупроводника в р-полупроводник приводит к появлению в
электронном полупроводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси. В
дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению
нескомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси. Между двумя слоями
объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда
напряженность поля возрастает и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов
из n-полупроводника в р-полупроводник и дырок из р-полупроводника в n-полупроводник.
Электронно-дырочный переход, или сокращенно р – n - переход, является границей, разделяющей
области с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями в одном и
том же монокристалле.
Пограничная область раздела полупроводников с различным
типом проводимости (она называется запирающим слоем) в связи с
уходом свободных электронов и дырок практически превращается в
диэлектрик.
Возникновение двойного
электрического слоя на
Между областями с различным типом проводимости объемные
границе между р- и n- заряды ионов создают запирающее напряжение Uз и его значение для
областями
германиевых р–n-переходов равно примерно 0,35 В, для кремниевых 0,6 В.
Если р - п - переход соединить с источником
тока так, чтобы с его положительным полюсом
была
соединена
область
с
электронной
проводимостью, то электроны в· п-полупроводнике
и дырки в р-полупроводнике будут удаляться
внешним полем от запирающего слоя в разные
стороны, увеличивая его толщину и удельное
Обратное включение
сопротивление.
Сопротивление
р–п-перехода
полупроводникового диода
велико, сила тока мала и практически не зависит от
во внешнюю цепь
напряжения. Это способ включения р–п- перехода называется включением в запирающем, или
обратном, направлении. Обратный ток в этом случае обусловлен собственной проводимостью
полупроводниковых материалов, образующих р–n-переход, т. е. наличием небольшой концентрации
свободных электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике, освобожденных тепловым
движением от собственных атомов.
Eсли р–п - переход соединить с источником тока
так, чтобы положительный полюс был соединен с
областью с дырочной проводимостью, а отрицательный с областью с электронной проводимостью, то переходы
основных носителей через – р–п - переход облегчаются.
двигаясь навстречу друг другу, основные носители
входят в запирающий слой, уменьшая его толщину и
сопротивление. Сила тока через р–п-переход в этом
Прямое включение
случае
при
напряжениях,
превышающих
Uз,
полупроводникового диода
ограничивается
лишь
сопротивлением
внешней
во внешнюю цепь
электрической цепи. Этот способ включения называется
включением в пропускном, или в прямом, направлении.
Способность р–п -перехода пропускать ток практически только в одном направлении и не
пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых
полупроводниковыми диодами, для преобразования переменною тока в постоянный.
На приведенных ниже рисунках представлена вольт-амперная характеристика германиевого
диода при прямом и обратном включении.
Для различных диодов значения токов и напряжений на вольтамперной характеристике могут
различаться, но для любого из них сохраняется важная особенность: сопротивление диода,
включенного в прямом направлении, принимает значения ~ 1 Ом, в то время, как при обратном
включении его сопротивление превышает значения ~ 1 МОм. Такое свойство диода позволяет
использовать его при выпрямлении переменного тока.
Отношение значения прямого тока к значению обратного при напряжении 1 В называется
коэффициентом выпрямления. В хороших диодах коэффициент выпрямления достигает значений
порядка 106.
Область рабочих напряжений полупроводникового диода ограничена со стороны малых
напряжений из-за повышения сопротивления р–n-перехода с уменьшением прямого напряжения.
Максимальное значение рабочего напряжения диода определяется напряжением пробоя р–n-перехода
при обратном напряжении.
В данной работе экспериментально определяется зависимость силы тока, протекающего через
полупроводниковый диод, от приложенного к диоду напряжения (вольт-амперная характеристика).
Порядок выполнения работы:
1. Для снятия прямой ветви вольт-амперной характеристики диода соберите схему,
изображённую на рис. 1. Обратите внимание на знаки «+» и «–» на панели диода, на измерительных
приборах и на источнике тока.
2. Включите источник постоянного напряжения. Изменяя входное напряжение, снимите
вольтамперную характеристику по значениям тока от 10 mA до 300 mA примерно в 8 -10 точках.
Предупреждение: Сила прямого тока через диод не должна превышать 300 mA.
3. Для снятия обратной ветви вольтамперной характеристики соберите схему по рис.2.
Обратите внимание на различие со схемой на рис.1 в подключении измерительных приборов.
Рис.1. Схема для получения прямой ветви ВАХ
Рис. 2.
4. Снимите вольтамперную характеристику, изменяя напряжение в пределах от 1 В до 30 В.
5. Результаты измерений занесите в отчетную таблицу.
Отчетная таблица
Напряжение 0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
U, В
Прямой ток
Iпр, мA
Обратный
ток Iобр,
мкA
5. По результатам измерений постройте графики зависимости I(U) для прямого и обратного
включения диода.
6. Пользуясь графиком (рис. 3), определяют сопротивление диода в
U
пропускном направлении по формуле Rä 
.
I
Для определения величины r используют тот участок графика, где
он мало отличается от прямой линии.
Контрольные вопросы:
- Что такое р-n-переход?
- Почему при отсутствии внешнего электрического поля переход
электронов через р - n - переход из n - полупроводника в р полупроводник затруднен?
- Почему р - n-переход обладает односторонней проводимостью?
- В чем заключаются преимущества полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными
диодами?
- Какими недостатками обладают полупроводниковые диоды?
- Почему полупроводниковый диод нельзя использовать для выпрямления тока при очень
малых переменных напряжениях?