Исследование полупроводникового диода

 

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Измерить и построить вольт-амперную характеристику (ВАХ) диода.

2. Определить параметры диода.

3. Исследовать выпрямительные свойства диода.

4. Сделать выводы о свойствах диода и возможностях его применения.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Работа диода основана на свойстве p-n перехода резко изменять свою электропроводность при изменении полярности приложенного напряжения. P-n переход представляет собой два полупроводника с проводимостями p- и n-типа, соединенных каким-либо технологическим способом.

Полупроводник n-типа это полупроводниковый материал, в котором специальным способом создана избыточная концентрация электронов. Такой тип проводимости возникает, если в кристалл 4-х валентного кремния (Si) внести, например, атомы 5-ти валентного фосфора (P).

Полупроводник p-типа это полупроводниковый материал, в котором специальным способом создана избыточная концентрация дырок. Такой тип проводимости возникает, если в кристалл 4-х валентного кремния (Si) внести, например, атомы 3-х валентного бора (B). Такая связь при приложении внешней разности потенциалов, может участвовать в процессе электропроводности в виде положительно заряженной частицы.

При соединении областей p- и n-типа на их границе раздела возникает встречное движение избыточных носителей: электронов из n- в p-область, а дырок из p- в n-область. В результате в области p-n перехода образуется тонкий пограничный слой, в котором отсутсвуют носители заряда, называемый обедненным слоем. Он представляет собой области положительного и отрицательного заряда, разделённые между собой непроводящим слоем, который можно считать диэлектриком.

Если к p-области приложить более высокий потенциал, чем к n-области, то внешняя напряженность Е_ВНЕШ будет направлена противоположно внутренней, поэтому при постепенном повышении разности потенциалов обедненная область исчезнет и в обеих областях появится электропроводность. Такое состояние p-n перехода называется открытым p-n переходом, поскольку сопротивление p-n перехода в этом состоянии становится очень мало.

Если к n-области приложить более высокий потенциал, чем к p-области, то внешняя напряженность Е_ВНЕШ будет направлена в ту же сторону, что и внутренняя, поэтому при повышении внешней разности потенциалов обедненная область станет расти и сопротивление p-n перехода будет только возрастать. Такое состояние p-n перехода называется закрытым p-n переходом, поскольку сопротивление p-n перехода в этом состоянии становится очень большим и ток через него отсутствует.

Прямая ветвь ВАХ диода соответствует прямому напряжению. На ней сопротивление диода быстро снижается, достигая величины, равной 1 – 2 Ом при токах, равных десяткам мА. Обратная ветвь ВАХ диода соответсвует обратному напряжению. На ней сопротивление диода очень велико и составляет приблизительно 1 МОм, так, что, с увеличением приложенного напряжения ток через диод очень мал и не превышает величины 1 мА.

При выпрямлении переменного тока источник переменного синусоидального напряжения подключают к цепи, состоящей из диода и сопротивления нагрузки. При поступлении от источника положительной полуволны напряжения диод открыт, его сопротивление очень мало и вся полуволна напряжения прикладывается к нагрузке. При поступлении от источника отрицательной полуволны напряжения диод закрыт, его сопротивление очень велико и вся полуволна напряжения прикладывается к диоду и не поступает в нагрузку.

В результате форма напряжения на нагрузке такова, что в ней появляется постоянная составляющая напряжения, которой не было изначально при синусоидальной форме сигнала. Это позволяет использовать такое напряжение при создании источников электропитания, на выходе которых присутствует постоянное напряжение.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Для снятия вольт-амперной характеристики следует собрать схему, изображенную на рис. 1.1. Задавая значения силы тока, следует снимать показания вольтметра; результаты полученных измерений следует занести в табл. 1.1.

Рис. 1.1 Схема для измерения ВАХ диода

 

2. Параметрами, определяемыми из ВАХ диода являются:

- напряжение отпирания U_ОТПР – это напряжение, соответствующее появлению некоторого небольшого тока в цепи диода;

- статическое сопротивление диода R_СТ – сопротивление диода в некоторой точке «A» его вольт-амперной характеристики постоянному току, равное

- динамическое сопротивление диода R_Д – сопротивление диода на некотором участке AB его вольт-амперной характеристики переменному току, равное

3. Для исследования работы диода в выпрямительном режиме следует собрать схему, изображенную на рис. 1.2; получить и зарисовать осциллограмму напряжения на нагрузке; измерить значения постоянной U₀ и переменной составляющих напряжения U_≈.

 

Табл. 1.1 Данные для построения ВАХ диода
I, мА	0,5	1	1,5	2	3	5	7	10	15
U, B
I, мА	20	25	30	35	40	50	60	70	80
U, B

 

Рис. 1.2 Схема для исследования выпрямительных свойств диода

 

Рис. 1.3 Осциллограмма выпрямленного напряжения

ВЫВОДЫ

1. ВАХ диода обладает ярко выраженным нелинейным характером, при этом его сопротивление сильно изменяется в зависимости от полярности приложенного напряжения.

2. Для отпирания диода к нему необходимо приложить некоторое напряжение, приблизительно равное 0,6 В; величин статического сопротивления диода зависит от положения точки, в которой оно рассчитывается; аналогичное утверждение можно сделать и для динамического сопротивления диода.

3. Выпрямительный эффект диода проявляется в преобразовании синусоидального напряжения в пульсирующее, обладающее некоторым значением постоянной составляющей напряжения U₀.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. ВАХ диода, построенная по данным табл. 1.1.

2. Осциллограмма пульсирующего напряжения, полученная в результате эксперимента.

3. Значения напряжений U₀ и U_≈, полученные в результате эксперимента.