Экспериментальная установка и методика измерений

 

Установка для изучения p-n –перехода представлена на рис.18.3 и состоит из объектов исследования и измерительного устройства. Объект исследования выполнен в виде единого устройства 1, в котором установлены три диода и переключатель исследуемых образцов. Кнопка КН1 на измерительном устройстве предназначена для установки полярности напряжения, подаваемого на диод. Полярность фиксируется светодиодом – «прямая» или «обратная» характеристика. Кнопка КН2 переключает режим работы – снятие вольтамперной (ВАХ) или вольтфарадной (BAХ) характеристик. Кнопками «+» и «–» устанавливается величина необходимого напряжения. Кнопка КН3 предназначена для установки напряжения на нулевое значение.

Индикация величины регулируемого напряжения осуществляется измерителем напряжения (рис.18.3), а измерение силы тока – измерителем тока. Выбор режима измерения тока (мА, мкА) осуществляется автоматически.

Установка позволяет измерить электрическую ёмкость p-n –перехода. Воспользуемся формулой ёмкости плоского конденсатора:

, (18.3)

где – электрическая постоянная, – диэлектрическая проницаемость полупроводника, l – толщина слоя объемного заряда p-n –перехода, S – площадь контакта p – и n –областей. Толщина слоя объёмного заряда равна:

, (18.4)

где – контактная разность потенциалов в p-n –переходе, – приложенное к p-n –переходу внешнее напряжение, а и – концентрации основных носителей заряда в n – и p –областях соответственно. Измерив ёмкость p-n –перехода при прямом и обратном внешнем напряжении, найдём их отношение из (18.3) и (18.4):

, (18.5)

откуда можно найти величину контактной разности потенциалов

. (18.6)

 

Порядок выполнения работы

Задание 1. Снятие вольтамперной характеристики (ВАХ) p-n –перехода.

1. Ознакомиться с установкой.

2. Включить установку в сеть. Сетевой тумблер находится на задней панели.

3. Переключателем на устройстве 1 (рис.18.3) установить исследуемый диод (по заданию преподавателя).

4. Переключателем КН2 выбрать режим работы «ВАХ».

5. Переключателем КН1 выбрать режим снятия прямой характеристики.

6. Кнопками «+» и «–» установить требуемую величину напряжения (см. табл.18.1).

7. Записать в табл.18.1 соответствующую силу тока.

 

Таблица 18.1

Прямая характеристика
КД521	КД226	Д9К
U, В	I, мкА	U, В	I, мкА	U, В	I, мкА
0.30		0.29		0.02
0.31		0.30		0.04
0.32		0.31		0.06
0.33		0.32		0.08
0.34		0.33		0.10
0.36		0.34		0.12
0.38		0.35		0.14
0.40		0.36		0.15
0.42		0.37		0.16
0.43		0.38		0.17
0.44		0.39		0.18
0.45		0.40		0.19
0.46		0.41		0.20
0.47		0.42		0.21
0.48		0.43		0.22

 

8. Устанавливая требуемые значения напряжения кнопками «+» и «–», записывать соответствующие значения силы тока.

9. Нажатием кнопки КН3 установить нулевое напряжение.

10. Переключателем КН1 выбрать режим снятия обратной характеристики.

11. Повторить измерения по пунктам 6÷9, данные записывать в табл.18.2.

12. Построить график зависимости I = f (U) – ВАХ исследуемого диода; при этом прямые напряжение и ток считать положительными, обратные – отрицательными.

Внимание! Следите за индикацией размерности на измерителе тока.

 

Таблица 18.2

 

Обратная характеристика
– U, В	– I, мкА
КД521	КД226	Д9К

 

Задание 2. Снятие вольтфарадной характеристики (ВФХ) и определение контактной разности потенциалов в p-n –переходе.

1. Переключателем на устройстве 1 (рис.18.3) установить диод КД226.

2. Переключателем КН2 выбрать режим работы «ВФХ».

3. Переключателем КН1 выбрать режим снятия прямой характеристики.

4. Кнопками «+» и «–» установить требуемую величину напряжения (см.табл.18.3).

5. Записать в табл.18.3 соответствующую ёмкость.

 

Таблица 18.3

 

Прямая	Обратная
U, В	С, пФ	– U, В	С, пФ
0.10		0.1
0.20		0.3
0.30		1.0
0.40		1.3
0.50		1.6
0.60		2.0
0.70		3.0
0.80		4.0
0.90		5.0
1.0		7.0
1.1		10.0
1.2		15.0

 

6. Устанавливая требуемые значения напряжения (см. табл.18.3) кнопками «+» и «–», записывать соответствующие значения ёмкости.

7. Нажатием кнопки КН3 установить нулевое напряжение.

8. Переключателем КН1 выбрать режим снятия обратной характеристики.

9. Повторить измерения по пунктам 4÷7 задания 2, данные записывать в табл.18.3.

12. Построить график зависимости С = f (U) – ВФХ исследуемого диода; при этом прямое напряжение считать положительным, обратное – отрицательным.

 

Таблица 18.4

 

№	U пр., В	С пр., пФ	U обр., В	С обр, пФ	U к., В	U к. ср. , В	Δ U к., В	Δ U к. ср., В

 

13. Выбрав любую пару значений ёмкости при прямом и при обратном включении С _пр. и С _обр, по формуле (18.6) вычислите контактную разность потенциалов U _к. При подстановке соответствующих значений U _пр. и U _обр. помните, что в формуле (18.6) используется модуль обратного напряжения.

14. Повторите вычисления U _к ещё с четырьмя парами значений ёмкостей С _пр. и С _обр.

15. Определите среднее значение U _к и оцените его погрешность Δ U _к.

16. Все данные запишите в табл.18.4.

17. Сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1. Объясните формирование энергетических зон в полупроводнике.

2. Объясните различие между металлами, диэлектриками и полупроводниками с точки зрения структуры энергетических зон.

3. Что такое собственный полупроводник? Как возникает проводимость в собственном полупроводнике? Почему с ростом температуры проводимость полупроводника возрастает?

4. Что такое примесный полупроводник? Объясните механизм проводимости в донорном (n –типа) и акцепторном (р –типа) полупроводнике.

5. Что такое p-n –переход? Объясните природу образования объёмного заряда.

6. Объясните физические процессы, происходящие в p-n –переходе. Что происходит при прямом и обратном включении?

7. Запишите и объясните формулу ВАХ для прямого направления тока.

8. Как Вы понимаете «прямое» и «обратное» направление тока?

9. Применение p-n –перехода в технике.

 

Используемая литература

[1] §§ 44.3, 44.4;

[2] § 40.6;

[3] § 4.54;

[6] §§ 42, 43, 45;

[7] §§ 249, 250.

 

Библиографический список

 

1. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.: Высш. шк., 1989. – 500 с.

2. Калашников, Н.П. Основы физики: учебник для вузов: в 2-х т. / Н.П. Ка‑
лашников, М.А. Смондырев. – 2-е изд., перераб. – М.: Дрофа, 2003. Т. 1. –
400 с.; Т. 2. – 432 с.

3. Лозовский, В.Н. Курс физики: учебник для вузов: в 2-х т. / под ред. В.Н. Лозовского. – СПб.: Лань, 2000. – Т. 1-676 с.; Т. 2. – 592 с.

4. Савельев, И.В. Курс физики: учеб.: в 3-х т. / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1989. – Т. 1. – 352 с.

5. Савельев, И.В., Курс физики: учеб.: в 3-х т. / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1989. – Т. 2. – 480 с.

6. Савельев, И.В., Курс физики: учеб.: в 3-х т. / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1989. – Т. 3. – 304 с.

7. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. школа, 1999. – 542 с.

 

Учебное издание