Дослідження вольт-амперної характеристики селенового і германієвого випрямлячів.

Прилади та приладдя: селеновий стовпчик, германієвий діод, міліамперметр, вольтметр на15В, потенціометр на 500 Ом, джерело напруги на 24В, двополюсний перемикач, однополюсний перемикач.

Мета роботи: засвоїти використання напівпровідникових випрямлячів.

 

Коротка теорія і метод вимірювань

 

При контакті електронного (n-типу) і діркового (р-типу) напівпровідників у відсутність зовнішнього електричного поля між ними виникає контактна різниця потенціалів (рис.). В результаті дифузії в зустрічних напрямках через граничний шар дірки і електрони рекомбінують один з одним. В зв’язку з цим р- n–перехід виявляється збідненим на носії струму і набуває великого опору. Збіднення р-напівпровідника на дірки і n-напівпровідника на електрони призводить до того, що перший (р-типу) в пограничному шарі набуває негативного заряду і перешкоджає зустрічному рухові електронів, а другий (n-типу) в такому ж шарі набуває позитивного заряду і в свою чергу перешкоджає зустрічному рухові дірок. Контактна різниця потенціалів, що утворилася, зв’язана з результуючим полем, що спрямоване так, як це показано на рис.1, а. При певному значенні запираючого поля Ез встановляється рівновага, дифузійний струм припиняється.

Подано на р- n-перехід зовнішнє електричне поле Е. Якщо поле Е співпадає за напрямком з власним запираючим полем Е_з (рис.1,б), то величина загального запираючого поля зростає, електрони і дірки ще більше віддаляються від області р-n-переходу, тим самим збільшуючи товщину шару. Різке зростання опору р-n-переходу призводить до того, що через перехід йтиме малий струм, котрий називається зворотнім струмом.

У другому випадку зовнішнє поле Е спрямоване протилежно власному запираючому полю Ез (рис. 1, в). Під дією цього поля електрони в n -напівпровідникові і дірки в р-напівпровідникові будуть підштовхуватись до області контакту. Ширина запираючого шару зменьшується, опір р-n-переходу різко падає, через перехід іде великий струм, що називється прямим струмом.

E₃ E₃ E E₃ E

Рис.1а Рис.1б Рис.1в

В залежності від прикладеної напруги сила прямого та зворотного струму через перехід змінюється. Залежність сили струму від прикладеної напруги називається вольт-амперною характеристикою. Типова вольт-амперна характеристика р-n-переходу подана на рис. 2.

Як бачимо, р-n-перехід має випрямляючу дію, що застосовується у випрямлячах змінного струму: селенових, германієвих, кремнієвих та ін. Пропускним напрямком є напрямок від діркового напівпровідника до електронного. Зворотній струм значно менший за прямий.

В даній роботі вивчається вольт-амперна характеристика селенового і германієвого випрямлячів. Для знімання вольт-амперної характеристики збирають схему, подану на рис.3. В коло по черзі вмикають або селеновий, або германієвий випрямляч В. Двополюсний перемикач П дає можливість змінювати напрямок струму через напівпровідник.

Вимірювати струм в цьому випадку треба за допомогою міліамперметра. При перемиканні П на клеми 3-4 через випрямляч іде зворотній струм. Він значно менший, за прямий, а виміряти його можна за допомогою мікроамперметра. Напругу U на випрямлячі змінюють за допомогою потенціометра R і вимірюють вольтметром V.

Рис.2

 

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть схему, подану на рис.3 з селеновим випрямлячем. В схему ввімкніть міліамперметр з границею 100 мА і вольтметр на 15 В.

2. Установіть рухомий контакт потенціометра в положення, що відповідає найменшій напрузі.

3. Після перевірки схеми викладачем замкніть перемикачі К і П (останній - в положення 1-2). Підвищуючи напругу за допомогою потенціометра, зніміть відліки струму при напругах: для селенового випрямляча – від 0 через 1 В і вище, для германієвого – від 0 через 0,1 В і вище. Величина верхньої границі визначається максимальним струмом 100 мА.

4. Перемкніть П в положення 3-4 і впевніться, що зворотній струм міліамперметром неможливо виміряти.

5. Розімкніть К і П, замініть випрямляч селеновий на германієвий. Вольтметр включіть на границю 1,5-3 В, перемикач П – в положення 1 – 2. Зніміть прямий струм для означених вище значень напруги.

6. Впевніться, що міліамперметром неможливо виміряти зворотній струм.

7. За даними вимірювань побудуйте графіки вольт-амперних характеристик. При цьому по осі абсцис відкладайте напругу, а по осі ординат – струми.

 

U(В)
Селеновий випрямляч
I
Германієвий випрямляч
I

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому на контакті р- і n-напівпровідників виникає контактна різниця потенціалів?

2. Які переваги напівпровідникових діодів перед ламповими?

3. В яких пристроях застосовуються випрямлячі змінного струму?

 

 

Лабораторна робота №30.