Лабораторна робота №7

       (STEM – освіта)

    Тема: Дослідження напівпровідникового діода.

Мета: дослідити залежність сили струму від напруги, що прикладена до напівпровідникового діода, розглянути способи включення напівпровідникового діода в електричні кола.

Обладнання: Комп’ютер архітектури ІВМ, Програма Work Bench Multisim 12.

Теоретичні відомості

Напівпровідниками називають речовини, які залежно від зовнішніх впливів (температури, домішок, опромінення та ін.) є або провідниками, або діелектриками. У напівпровідників провідність зростає зі збільшенням температури, а у металів зменшується.

Провідність чистих (без сторонніх домішок) напівпровідників, обумовлену підвищенням температури, називають власною провідністю.

Окрім власної провідності існує домішкова провідність напівпровідників. Вона виникає при введенні в кристалічну гратку чистої речовини атомів інших речовин, а також при порушеннях власної кристалічної гратки. Оскільки електричний струм виникає при дуже маленьких кількостях цих атомів або порушеннях власної гратки, їх в обох випадках для стислості називають домішками.

У свою чергу, домішкова провідність може бути двох видів: донорна (n-типу) і

акцепторна (р-типу).

Донорна провідність виникає у випадку, коли атоми домішки мають валентність вище ніж атоми основної речовини, а енергетичні рівні валентних електронів домішки розташовуються в забороненій зоні напівпровідника близько до вільної зони (нижче неї). Під дією зовнішнього електричного поля електрони з домішкового рівня легко переходять на рівні вільної зони, створюючи електричний струм. Прикладом є чотиривалентний напівпровідник германій, в якому деякі атоми замінені атомами п’ятивалентної сурми.

Акцепторна провідність виникає у випадку, коли атоми домішки мають валентність менше ніж атоми основної речовини, а домішкові рівні розташовані в забороненій зоні дуже близько до валентної зони, яка зайнята електронами, але вище неї. Під впливом зовнішнього електричного поля електрони з валентної зони основної речовини легко переходять  на вільні рівні акцепторної домішки, створюючи у валентній зоні так звані позитивні дірки. Оскільки вони, знаходячись в енергетичному спектрі основної речовини, володіють більшою рухливістю, ніж електрони в акцепторній домішці, така провідність називається дірочною, або р-типу (позитивною). Прикладом є той самий германій з домішкою

тривалентного індію, який намагається приєднати до себе четвертий електрон із гратки германію.

Велике практичне значення мають з’єднання напівпровідників двох типів: n i p. Таке з’єднання називається напівпровідниковим діодом і може використовуватися як випрямляч змінного струму.

Рис. 1

Розглянемо явища, які відбуваються в місці контакту К двох провідників n- i p-типу (рис.1,а). Внаслідок теплового руху через місце контакту відбувається дифузія електронів і дірок. Напівпровідник n-типу втрачає електрони і тому заряджається позитивно. Водночас напівпровідник р-типу заряджається негативно. Поблизу межі поділу К утворюється подвійний електричний шар LL`, який створює контактне електричне поле, що перешкоджає дальшій однобічний дифузії електронів у напрямі n → p і дірок у протилежному напрямі. Концентрація носіїв струму в контактному шарі внаслідок їх рекомбінації набагато менша, ніж в об’ємі напівпровідника, тому цей шар називають запірним.

Прикладемо до контакту p-n напівпровідників зовнішнє електричне поле так, щоб струм проходив від напівпровідника р-типу до напівпровідника n-типу (рис.1,б). Дірки і електрони почнуть переміщуватися в напрямі до контакту. Опір запірного шару внаслідок

збільшення концентрації носіїв струму зменшиться, і через контакт піде більший струм. Цей напрям струму називається прямим.

Прикладемо до контакту p-n напівпровідників зовнішнє електричне поле в напрямі від напівпровідника n-типу до напівпровідника р-типу (рис.1,в). Під дією зовнішнього поля дірки і електрони рухатимуться вглиб відповідних напівпровідників, зона запірного шару збільшиться, а тому зросте і його опір. Сила струму, що проходить через контакт, зменшиться. Такий зворотній напрям струму називається запірним. На цих властивостях p-n переходу ґрунтується дія напівпровідникового діода. Здатність напівпровідникового діода проводити струм в одному напрямку краще, ніж в іншому, обумовлює його застосування для випрямлення змінного струму.

Однією з характеристик напівпровідникового діоду є залежність сили струму через p-n перехід від прикладеної напруги. При U > 0 (прямий напрям) опір  переходу  незначний і струм різко зростає; при U < 0 (зворотній напрям) опір великий і струм практично залишається незмінним до деякого значення U₀ , при якому струм різко зростає. Така напруга називається пробивною.

Порядок виконання роботи

1. Для дослідження залежності сили прямого струму від прикладеної напруги скласти електричне коло за схемою.

     2. Встановити номінали на схемі:

2.1. Напругу на джерелі живлення 12 Вольт.

2.2. Резистор R1 – 200 Ом.

2.3. Резистор R2 – 30 Ом.

2.4. Діод віртуальний.

3. Потенціометром змінювати напругу прикладену до напівпровідникового діода (через 10%

від номінального значення), фіксуючи покази амперметра та вольтметра.

4. Для дослідження залежності сили зворотного струму від прикладеної напруги скласти

електричне коло за схемою.

5. Потенціометром змінювати напругу прикладену до напівпровідникового діода (через 10%

від номінального значення), фіксуючи покази амперметра та вольтметра.

6. Результати вимірів записати до Таблиць:

                                                                                                                                             Таблиця 1

            Таблиця 2

7. За даними таблиць побудувати графіки (в одній системі координат) залежності сили

струму від прикладеної напруги. Вважати, що сила прямого струму і пряма напруга – додатні, а зворотні – від’ємні.

8. За результатами досліджень зробити висновки.

                 Звіт має містити:

1. Номер Лабораторної роботи, дату та номер комп’ютера.
2. Тему та мету лабораторної роботи;
3. Принципові електричні схеми, які використовуються в роботі;
4. Результати досліджень у виді таблиць і графіків.
5. Висновки, що базуються на аналізі отриманих результатів.

               Контрольні запитання

1.В двох однакових коробках містяться: в одній – напівпровідниковий діод, а в іншій

– реостат невеликого розміру. Кінці приладів з кожного ящика виведені назовні. Як визначити, в якій коробці розміщений напівпровідниковий діод?

2.Що таке "пробій" напівпровідникового діода?

3.Чому для отримання вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода використовують дві різні схеми з’єднання приладів (чому в даних схемах необхідно змінювати включення амперметра