Зняти вольт-амперну характеристику напівпровідникового терморезистора

 

1. Тумблер “Рід роботи” перевести в положення “V-A”.

2. Плавно обертаючи ручку потенціометра “Рег. струму” за годинниковою стрілкою, збільшувати струм і через кожні 0,2 мА вимірювати величину напруги на термісторі. Результати вимірювань занести до таблиці 1.

3. Побудувати вольт-амперну характеристику НТР як залеж-ність (див. рис.9).

 

Таблиця 1

 

№ з/п						…
I (мА)
U (В)

 

4. Зробити висновок щодо поведінки вольт-амперної характе-ристики НТР.

 

Завдання 2

Дослідити залежність опору металевого провідника і напів-провідникового терморезистора від температури

 

1. Тумблер “Рід роботи” перевести в положення “R”.

2. Виміряти опір напівпровідникового терморезитора.

Для цього:

а) тримаючи натиснутою ручку “Грубо” на вбудованому в установку мості постійного струму, повернути ручку рео-хорда таким чином, щоб стрілка гальванометра встанови-лась на нулі;

б) відпустити кнопку “Грубо”, тримаючи тепер натиснутою кнопку “Точно”, обертанням ручки реохорда підрегулювати положення стрілки гальванометра на нулі;

в) відпустити кнопку “Точно” і провести відлік величини опору за шкалою реохорда в кОм.

Результат вимірювання, а також температуру, при якій про-водилось вимірювання, занести до таблиці 2.

3. За допомогою окремого моста постійного струму ММВ вимі-рятим при тій же температурі опір металевого провідника. Для цього:

 

а) натиснути кнопку “Грубо” і обертанням ручки реохорда

моста встановити стрілку на його гальванометрі на нуль;

б) відпустити кнопку “Грубо”, відтак натиснути кнопку

“Точно” і підрегулювати положення стрілки гальванометра

на нулі;

в) відпустити кнопку “Точно і провести відлік величини

опору за шкалою ручки реохорда моста ММВ в Ом.

Результат вимірювання занести до таблиці 2.

Таблиця 2

 

№ з/п	t (°C)	T (К)	1/T (К )	Напівпровідник	Провідник
R (Ом)	ln R	(К )	R (Ом)	(К )
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
В =... (К)	… (еВ)

 

4. За допомогою тумблера “Нагрів” ввімкнути лампочку, що нагріває термостат, і стежити за зростанням температури.

5. При досягненні температури 30°С вимкнути тумблер “Нагрів”.

6. Згідно з п.п. 2 і 3 завдання 2 провести вимірювання опорів напівпровідника та провідника. Результати вимірювань за-нести до таблиці 2.

 

ЗАУВАЖЕННЯ. Якщо температура стала більше потрібної, не-гайно вимкнути підігрів і дочекатись зниження температури до потрібного значення. У подальшому вимикати нагрів за 1..2° до досягнення потрібного значення температури. Температура на-гріву не повинна перевищувати 80°С.

 

7. Провести вимірювання опорів провідника та напівпровідника при температурах, що вказані в таблиці 2.

8. За результатами вимірювань побудувати графіки залежності опорів провідника та напівпровідника від температури і подібно до того, як зображено на рис.5.

9. Зробити висновки щодо характеру температурної залежності опорів провідників та напівпровідників.

 

Завдання 3

Визначити температурний коефіцієнт опору для провідника та напівпровідника, а також ширину забороненої зони

 

1. Обчислити температурний коефіцієнт для провідника за формулою (36-6), взявши за початкову, а за Т – кінцеву температуру, при якій вимірювався опір.

2. Для напівпровідника побудувати графік залежності подібно до того, як зображено на рис.8.

3. Обчислити величину В, що є тангенсом кута нахилу лінії графіку, за формулою (36-13), взявши за точки 1 і 2 крайні точки на графіку.

4. За формулою (36-14) підрахувати ширину забороненої зони напівпровідника в електронвольтах (еВ).

5. Відповідно до формули (36-15) обчислити для напівпровід-ника температурні коефіцієнти опору при всіх температу-рах вимірювань.

 

 

6. Побудувати графік залежності = для терморезистора.

7. Всі результати обчислень занести до таблиці 2.

8. Зробити висновки за результатами виконаної роботи.

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

 

1. Що таке питома електропровідність речовини? Як вона зв’язана з питомим опором?

2. Що називається рухливістю носіїв заряду? В яких одиницях вона вимірюється в системі СІ?

3. Якою є будова енергетичних зон провідника, напівпровід-ника, діелектрика?

4. Пояснити утворення вільних носіїв заряду в чистих та доміш-кових (n – типу та р – типу) напівпровідниках з точки зору зонної теорії та ковалентного зв’язку.

5. Пояснити хід температурної залежності опору для металевих провідників.

6. Як залежить від температури питома електропровідність на-півпровідників. Нарисувати та проаналізувати хід графіка для власних і домішкових напівпровідників.

7. Що таке терморезистор? Пояснити його вольт-амперну характеристику.

8. Що таке температурний коефіцієнт опору.

 

ЛІТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.- М.: Наука,1978.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3.- М.: Наука,1979.

3. Кучерук І.М., Горбачук І.Т. Загальна фізика. Електрика і

магнетизм.- К.: Вища школа, 1995.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. ІІІ. Электричество.-М.:

Наука,1977.

5. Черников В.И. Электрические, магнитные и оптические

свойства твердых тел. – Житомир: ЖВУРЭ, 1987.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 37

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

p – n -ПЕРЕХОДІВ

Мета роботи:

дослідити електричні властивості контакту двох напівпровід-ників n - та р - типу.

 

Перед виконанням роботи необхідно ознайомитись з такими питаннями курсу фізики.

1. Домішкові напівпровідники n – та р – типу.

2. Контакт двох напівпровідників n – та р – типу. Утворення p – n -переходу.

3. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.

 

ЗАВДАННЯ

 

1. Зняти вольт-амперні характеристики напівпровідникових діодів.

2. Дослідити випрямляючі властивості p – n -переходу.

 

ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП

 

Основним елементом напівпровідникових приладів (діодів та тріодів) є так званий p – n -перехід. Він являє собою тонкий шар на границі контакту напівпровідників з різним типом провід-ності.

Чисті напівпровідники (наприклад, Ge або Si) з домішками 5-валентного елемента (наприклад, Р або As) є напівпровід-никами n – типу. Механізм утворення вільних носіїв заряду в таких напівпровідниках з точки зору зонної теорії показаний на рис.11,а. Донорні рівні домішок розташовані в забороненій зоні (ЗЗ) поблизу зони провідності (ЗП). При температурах ви-

 

никають переходи електронів з донорних рівнів у ЗП, а також невелика кількість переходів з валентної зони (ВЗ) в ЗП з утворенням дірок у ВЗ. Таким чином, концентрація електронів набагато переважає концентрацію дірок, тобто . Електрони є основними носіями, концентрація яких , а дірки – неосновними носіями, концентрація яких , причому >> .

Рівень Фермі в напівпровідниках n – типу лежить у верхній частині ЗЗ.

 

 

а) б)

Рис.11

Якщо в Ge або Si внести домішки 3-валентного елемента (наприклад, In), то утворюється напівпровідник р – типу. На рис.11,б показаний механізм виникнення вільних носіїв заряду в таких напівпровідниках. Акцепторні рівні домішок розташовані в ЗЗ поблизу ВЗ, вони є своєрідними ловушками для електронів. При відбувається в основному перехід електронів з ВЗ на акцепторні рівні з утворенням дірок у ВЗ, а також незначна кількість переходів з ВЗ у ЗП з утворенням невеликої кількості вільних електронів у ЗП. Отже, концентрація дірок значно пере-важає концентрацію електронів, тобто . У напівпровідниках р – типу дірки є основними носіями, а електрони – неосновними, причому . Рівень Фермі в напів-провідниках р – типу лежить у ЗЗ ближче до ВЗ.

При створенні фізичного контакту між напівпровідниками з

 

електронною і дірковою провідностями утворюється p – n -пере-хід (рис.12). На рис.12,б зображено хід концентрації вільних носіїв заряду – електронів і дірок – у контактуючих напівпровід-

 

 

 

Рис.12

никах. Через великий градієнт концентрацій відбувається дифу-зія електронів з n – області в р – область, а дірок – у протилеж-ному напрямку. В пограничному шарі (рис.12,а) електрони (по-значені крапочками) і дірки (позначені кружечками) рекомбіну-

 

ють між собою, тому область завширшки d виявляється дуже збідненою на вільні носії заряду, а отже, набуває великого опору. Одночасно на границі між областями виникає подвійний електричний шар з іонів донорної та акцепторної домішок. При цьому n – область матиме додатний заряд, а р – область – від’ємний. Хід потенціалу j контактуючих областей представ-лений на рис.12,в. В області контакту виникає електричне поле напруженістю , напрямлене з n – області в р – область. Воно протидіятиме подальшому переходу основних носіїв і буде спри-яти переходу неосновних носіїв у протилежному напрямку. Рівновага, тобто рівність зустрічних струмів , настає тоді, коли рівні Фермі контактуючих областей зрівняються. При цьому в області контакту виникає потенціальний бар’єр висотою , де е – заряд електрона, а - внутрішня контактна різни-ця потенціалів між областями, яка може бути знайдена за фор-мулою

. (37-1)

На рис.12,г показана енергетична діаграма p – n -переходу в стані рівноваги.

Випрямляюча дія p – n -переходу використовується в напів-провідникових діодах і полягає в наступному. Якщо на діод подати пряму напругу U (на n – область “ – “, а на р – область “ + “), то енергетичні рівні n – області піднімуться, а р– області – опустяться, висота потенціального бар’єра і його ширина d зменшаться (рис.13,а). При цьому основні носії заряду будуть підштовхуватись до області контакту, що й призведе до різкого збільшення струму основних носіїв . Струм неосновних носіїв практично не зміниться і буде дуже малим через незначну їх концентрацію.

Якщо прикласти до p – n -переходу зворотну напругу U, то висота потенціального бар’єра і його ширина d зростають, ос-

 

 

а) б)

Рис.13

новні носії заряду відтягуються від області контакту, струм основних носіїв різко зменшується практично до нуля, і крізь p – n -перехід тече дуже незначний струм неосновних носіїв (див. рис.13,б).

На рис.14 зображена вольт-амперна характеристика напівпро-

відникового діода. Пряма на-

пруга вважається позитив-

ною величиною, а зворотна –

негативною. У пропускному

ввімкненні струм різко зрос-

тає при збільшенні напруги.

У непропускному ввімкнен-

ні тече невеликий струм не-

основних носіїв. При досить

великій зворотній напрузі

може статися пробій

Рис.14 p – n -переходу, коли струм

сильно зростає.

Залежність сили струму від прикладеної напруги для напів- провідникових діодів добре описується формулою

 

, (37-2)

де U – зовнішня напруга, прикладена до p – n -переходу з ураху-ванням знаку, - струм насичення неосновних носіїв, - заряд електрона.

Велика різниця між величинами струмів крізь p – n -перехід у прямому і зворотному ввімкнені свідчить про те, що його опір у цих випадках сильно відрізняється, тобто . На рис.15

представлений графік струму,

що тече крізь p – n -перехід,

ввімкнений в коло, де напруга

змінюється за гармонічним

законом. У ті півперіоди, коли

на діоді напруга є зворотною,

Рис.15 тече невеликий зворотний

струм. Ця обставина дозволяє використовувати p – n -перехід для випрямлення змінного струму.

 

ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

 

Лабораторна установка складається з таких основних елемен-тів: блока живлення, генератора низькочастотних сигналів, осци-лографа, вольтметра, амперметра, блока комутації з гніздами для ввімкнення діодів. Електрична схема лабораторної установки зображена на рис.16. На схемі позначені:

Д – напівпровідниковий діод;

КД – кнопка закорочування діода;

К – перемикач полярності ввімкнення напруги на діоді;

№ завд. – перемикач роду роботи;

БЖ – блок живлення постійного струму;

ГНЧ – генератор електричних сигналів низької частоти;

В – вольтметр;

А – амперметр;

 

R - навантажувальний опір;

R - потенціометр;

R - реостат.

 

 

Рис.16

Перемикач роду робіт “№ завд.” дозволяє знімати вольтам-перну характеристику (положення 1) або досліджувати випрям-ляючі властивості діода (положення 2) на екрані осцилографа. Потенціометр R і реостат R використовуються для зміни вели-чини напруги на діоді. За допомогою перемикача К можна змі-нювати полярність ввімкнення діода.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

Завдання 1

Зняти вольт-амперні характеристики напівпровідникових діодів

 

1. Поставити перемикач К в нейтральне положення, а тумблер “№ завд.” В положення 1.

2. Ручки потенціометра R і реостата вивести на позначки “min”, що відповідає найменшому опору.

3. Встановити досліджуваний діод Д1 в гнізда комутаційного блока лабораторної установки відповідно до вказаної поляр-

 

ності.

4. Перемикач К поставити в положення 1, що відповідає зворотному ввімкненню діода..

5. Ввімкнути блок живлення і виставити на ньому напругу 30В.

6. Ручкою потенціометра R встановити напругу 30 В за вольт-метром і виміряти силу струму за допомогою амперметра. Результати вимірювань занести до таблиці.

 

 

	№ з/п	(В)	І (мА)	R (кОм)	(В)	(В)	(В)	I (мА)	R (кОм)
Діод Д1	1.				0,2
2.				0,4
3.				0,6
4.				0,8
5.				1,0
6.				1,2
7.	0,2			1,4
Діод Д2	1.				0,2
2.				0,4
3.				0,6
4.				0,8
5.				1,0
6.				1,2
7.	0,2			1,4
………. Ом

 

7. Аналогічно п.6 провести вимірювання сили струму, встановлюючи напруги, які вказані в таблиці. При встанов-
ленні напруги 0,2 В перейти на більш точний діапазон вольт-

 

 

метра і користуватись реостатом R .

8. Поставити перемикач К в положення 2, що відповідає прямому ввімкненню діода.

9. Поступово переміщувати ручку реостата R в напрямку до положення “min”, встановити напругу 0,2 В і виміряти силу струму в колі. Результат вимірювань занести до таблиці.

10. Оскільки вольтметр показує напругу на діоді й амперметрі (див. схему на рис.16), то пряму напругу на самому p – n -переході знайдемо за формулою

, (37-3)

де - внутрішній опір амперметра. Результати обчислень

занести до таблиці.

11. Відповідно до п.п. 9 і 10 провести вимірювання струму і зробити обчислення, встановлюючи напруги, що вказані в таблиці.

12. Замінити діод Д1, вставивши в гнізда замість нього діод Д2.

13. Зняти вольт-амперну характеристику для другого діода відповідно до п.п. 2…11.

14. На підставі закону Ома обчислити опір p – n -переходу при зворотних і прямих напругах за формулою

. (37-4)

Результати обчислень занести до таблиці.

15. На підставі експериментальних досліджень побудувати вольт-амперні характеристики для обох діодів в одних координатних осях. Доцільно обирати різні масштаби на осі напруг для прямого і зворотного ввімкнення.

16. Для одного з діодів побудувати графік залежності опору від напруги, тобто .Доцільно обирати різні масштаби на осях R та U для прямого і зворотного ввімкнення діода.

17. Зробити висновки за результатами проведених досліджень.

 

 

Завдання 2

Дослідити випрямляючі властивості p – n -переходу

 

1. Вимкнути блок живлення і вольтметр, від’єднавши його від мережі живлення.

2. Поставити перемикач К у нейтральне положення, а тумблер “№ завд.” в положення 2.

3. Подати сигнал на діод від ГНЧ. Для цього вийняти штекери з гнізд на лицьовій панелі блока живлення і вставити їх в гнізда “Генератор” на блоці комутації, дотримуючись указаної полярності.

4. Ввімкнути кнопку КД закорочування діода.

5. Ввімкнути генератор ГНЧ та осцилограф.

6. Поставити перемикач К спочатку в положення 1, а потім в положення 2. Переконатись, що на екрані осцилографа в обох випадках буде однакове зображення зміни напруги на навантажувальному опорі R за синусоїдним законом.

7. Зарисувати осцилограму вхідної синусоїдної напруги , вказати масштаби на осях і t на підставі положень ручок осцилографа УСИЛЕНИЕ та ДЛИТЕЛЬ-НОСТЬ.

8. Поставити перемикач К в положення 1, потім відпустити кнопку КД, що відповідає введенню в коло діода. Зарисувати отриману осцилограму, вказавши масштаби на осях на-пруги і часу.

9. Поставити перемикач К в положення 2 і знов зарисувати одержану осцилограму.

10. На підставі синусоїдної осцилограми знайти період Т сигналу від ГНЧ, а відтак, частоту коливань за формулою

. (37-5)

11. Зробити висновки за результатами виконаної роботи.

 

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

 

1. Пояснити виникнення вільних носіїв заряду в напівпро-відниках n – та р – типу з точки зору ковалентного зв’язку та зонної теорії.

2. Що таке основні та неосновні носії заряду в домішкових на-півпровідниках?

3. Які фізичні процеси відбуваються при контакті двох напів-провідників n – та р – типу?

4. Нарисувати енергетичну діаграму p – n -переходу в стані рівноваги.

5. Як змінюється енергетична діаграма p – n -переходу при подачі на нього прямої та зворотної напруги?

6. Як визначається контактна різниця потенціалів в області p – n -переходу

7. Нарисувати графік вольт-амперної характеристики діода.

8. Записати математичний вираз залежності струму крізь p – n -перехід від прикладеної зовнішньої напруги.

9. Нарисувати графіки залежності струму від часу при однопів-періодному та двопівперіодному випрямленні змінного струму.

 

ЛІТЕРАТУРА

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3.- М.: Наука,1979.

2. Кучерук І.М., Горбачук І.Т. Загальна фізика. Електрика і магнетизм.- К.: Вища школа, 1995.

3. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупровод-

ников.- М.: Наука, 1977.

4. Черников В.И. Электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел. – Житомир: ЖВУРЭ, 1987.