МУ-Ф-6А, Ф-6Б (Изучение свойств p-n перехода), страница 4

При этом условии диод представляет собой обычноеомическое сопротивление z, определяющееся геометрией полупроводников и их удельным сопротивлением. При V>φk ВАХ диода имеет линейный вид V=φk + Jr. Следовательно, прямая линия,являющаяся продолжением практически линейного участка положительной ветви ВАХ, пересекает ось напряжений в точке V=φk (см.рис.4).Совпадение экспериментальной зависимости V=ƒ(V) с теоретической экспоненциальнойзависимостью при еV≥ kT для выпрямительного диода оценивается методом, изложенным в разработке кафедры [4].Электрическая схема цепи для снятия ВАХ выпрямительного диода показана на рис.15.Цепь питается стабилизированным источником напряжения 1.

Для обеспечения плавной регулировки напряжения на диоде 3 используется потенциометр 2. Напряжение на диоде измеряетсявольтметром 7 типа В7-27. Ток через диод определяется, соотношением J=U/r. При замкнутомключе 6 r=r1 r2 /(r1 +r2)=10кОм, где r1(4)=100кОм, r2(5)=10 кОм. При разомкнутом ключеr=r1=100кОм.Рис.16Переключение вольтметра с измерения напряжения на диоде (клемма 9 замкнута на клемму 8) на измерение напряжения на активном сопротивлении (клемма 9 замкнута на клемму 10)осуществляется с помощью кнопочного переключателя. При положении кнопки в отжатом состоянии вольтметр показывает напряжение на диоде, а в нажатом - напряжение на активном со11противлении, пропорциональное току через диод. Экспериментальная схема собрана на плате(рис.16)Гнезда «+» и «-» служат для подключения схемы к источнику питания.

При подключении«+» источника питания к клемме "+» на плате диод включен в прямом направлении, при подключении "+" к "-" на плате - в обратном направлении. Ручка «рег.напр.» служит для регулировки напряжения на диоде. При нажатии кнопки «П» вольтметр, подключенный к гнездам "В", переключается с диода на активное сопротивление.

Переключатель «r» в положении "10 кОм" замыкаетсопротивление r2 (см.рис.15) на сопротивление r1, а в положении "100 кОм" - отключает его.Измерительная схема для снятия ВАХ туннельного диода приведена на рис.17. В качествеисточника питания диода используется источник стабилизированного напряжения Б5-43. Выходное напряжение может меняться в пределах V=0..10 В с шагом ∆V=0,01 В кодовым переключателем (на котором указано значение напряжений). Для измерения тока используется многопредельный прибор В7-27А. Ток диода, измеряемый в работе, меняется в пределах от десятков мкА доединиц мА. При этом внутреннее сопротивление прибора равно нескольким омам, что значительно меньше сопротивления диода для всех измеряемых токов. Это значит, что все выходное напряжение источника падает на диоде, т.е.

V=Vg.Проведение экспериментаА.Снятие ВАХ выпрямительного диода.1.Подключить плату к источнику питания ("+" источника питания к клемме"+" на плате) и к вольтметру.2. Переключатель шкал вольтметра поставить в положение «10 В».3.Включить вольтметр и источник питания в сеть. На источнике питания выставить напряжениеε=1В.4. Переключатель "r" на плате поставить в положение 10 кОм (рис.16).5. Ручкой «Рег.напряжения» выставить на диоде напряжение V=0,15 В.Рис.176. Нажать кнопку П (рис.16) и измерить напряжение на активном сопротивлении. Результаты измерения напряжения на диоде V и активном сопротивлении Vr занести в табл.4Таблица 4V, B0,150,20,250,30,350,40,430,44Vr, BJ=Vr/ r, Ar=10кОм7. Измерения по п.п.5 и 6 провести для напряжений V на диоде, приблизительно равным следующим значениям: 0,5 В; 0,2 В; 0,25 В; 0,3 В; 0,35 В; 0,4 В; 0,43 В; 0,44 В.

Если последние точки неудается снять при напряжении на источнике ε=1 В, то снять их последовательно при значенияхε=2 В; ε=3 В; ε=4 В.8. Ручку "Рег.напр." вернуть в крайнее правое положение.9. Выставить на источнике напряжение 0.10. Сменить полярность напряжения, подаваемого на диод.

Для этого "+" источника питания подсоединить к "−" платы.11. На источнике питания выставить напряжение ε=10 В.12. Переключатель "r" на плате поставить в положение "100 кОм".13. Ручкой "рег.напр." выставить на диоде V=-1 В.14. Нажать кнопку П и измерить напряжение Vr на активном сопротивлении. Результаты занести втабл.5.15. Измерения по п.п.4 и 5 провести для следующих напряжений на диоде: -1 В; -2В; -3 В; -6 В.Результаты занести в табл.5.12V,BVr,BJ=Vr /r, Аr=100кОм-I-2-3-6Таблица 5.-916.

Поставить ручку "Рег.напр." в крайнее правое положение.17. Выставить на источнике ε =0.Б.Снятие прямой ветви ВАХ туннельного диода:1. Собрать схему, приведенную на рис.17. При этом положительную клемму источника подсоединить к положительной клемме диода (р -тип).2. Поставить переключатель измерителя В7-27 А в положение «mA 100».3.Меняя переключателем напряжение от 0 с шагом ∆V=0,01 В до 0,7 В, снять зависимость J=f(V).При указанной полярности внешнего напряжения на ВАХ должен появиться участок, где ток сростом напряжения падает.4. Полученные результаты занести в табл.6.Таблица 60,010,02…0,70,811,3Vд, ВIд, мкАR=dV/dI Ом5.

Выключить из сети источник напряжения В5-43 и измеритель тока В7-27 А.6. Отсоединить диод от источника напряжения и измерителя тока.Обработка экспериментальных данныхЗадание 11. По экспериментальным данным построить зависимость I=f(V) для выпрямительного и туннельного диодов.2. Пользуясь экспериментальной зависимостью I=f(V) и соотношением r=ΔV/ΔI определить дифференциальное, сопротивление диода при следующих значениях напряжения на нем:а) для выпрямительного диода:1) V=0,2 В; 2) V=0,25 В; 3) V=0,36В; 4) V=-2 В; 5) V=-0,4 В.

:б) для туннельного диода:1) V=0,04 В; 2) V=0,08 В; 3) V=0,14 В; 4) V=0,3 В; 5) V=0,5 B; 6) V=0,7 B.При определении взять ΔV=0,01 В.3. По найденным значениям, r построить график зависимости r=f(V).4. Провести касательную к построенной ВАХ диода в точке, соответствующей максимальному напряжению на диоде. Продолжить касательную до пересечения с осью напряжений. Значение V соответствующее точке пересечения, принять равным контактной разности потенциалов φK.Задание IIПроверить линейный характер экспериментальной зависимости ln(J)=f(V) предсказываемый теорией для прямой ветви выпрямительного диода при V≥ 0,05 В.1.

Для каждого значения V вычислить ln(J) и полученный результат занести в табл.7.Для дальнейших вычислений введем обозначения V=x ; ln(J)=φ.13i12...V(B)xlnJyx − xix=NN∑ ( x − x ) ( y − y ) = ∑ (x − x )ii =1SX=…SY=…( y − y i )2(x − x i )( x − x i ) ( y − yi )y − yiТаблица 7.22iii =1=N∑ (y − y )2i=i =1KXY=…r=…2. По результатам измерений вычислить следующие статистические показатели эксперимента:а) среднеквадратические отклонения221 N1 N−=(xx)S, Y∑∑ ( y − yi )iN − 1 i =1N − 1 i =1где N - число измерений, для которых V> 0,05 В,x - среднее арифметическое всех экспериментальных значений напряжения на диоде;y - среднее арифметическое всех значений ln(J), соответствующих напряжениям, удовлетворяющим условию (eV/kT)>2;yi, xi - численные значения ln(J) и V в опыте cномером i;б) коэффициент ковариацииSX =1 NKXY =∑( x − xi )( y − yi )N − 1 i=1в) коэффициент корреляции rK=Kxy/(Sx Sy)Вычисления следует выполнять на ЭКВМ "Искра-124" по приложенной к ней программе.

При необходимости их можно провести на калькуляторе. В этом случае рекомендуется воспользоватьсятабл.3. Учитывая, что величины V и I измеряются с точностью до третьей значащей цифры, величины x и y следует вычислять с такой же точностью. Согласно указанной методике найденнуюэкспериментальную зависимость ln(I)=f(V) можно c вероятностью P=1-α считать линейной, есликоэффициент корреляции rK удовлетворяет неравенствуrKN − rK1 − rK2> tα ( f )где tα(f) – квантили распределения Стьюдента. Их значения для числа степеней свободы f=N-2 иразличных уровней значимости α приведены в таблице, имеющейся в лаборатории.

Проверить линейный характер зависимости J=f(V) при α=0,01, т.е. с вероятностью P=0,99. Полученный результат записать в отчете.Контрольные вопросы1. Что такое полупроводники р- и n- типов?2. Что такое p–n -переход? Каков механизм образования перехода?3. Из каких составляющих складывается суммарный ток через p – n -переход?4. Почему суммарный ток через p – n -переход в отсутствие внешнего напряжения на нем равеннулю?5. Как объяснить появление тока через p – n -переход при приложении к p –n-переходу внешнегонапряжения?6.

Как объяснить выпрямляющие свойства p – n -перехода?147. Как по ВАХ определить контактную разность потенциалов?8. Что такое туннельный эффект?9. Чему равны коэффициенты отражения R и прозрачности D для классических частиц на границепотенциального барьера конечной ширины, если энергия частиц E < U0, где U0 высота потенциального барьера. Объяснить эти значения.10. Чему равны в тех же условиях коэффициенты R и D для квантовых частиц?11. При каких условиях для квантовых частиц туннельный эффект становится заметным?12.

Каков принцип расчета коэффициентов R и D для квантовых частиц?13. Объяснить физически зависимость тока туннельного диода от напряжения при положительныхи отрицательных напряжениях на диоде?14. Каков физический смысл отрицательного знака дифференциального сопротивления диода?15. Назвать примеры практического использования выпрямительных и туннельных диодов.Литература1.

Бушманов Б.М., Хромов Ю.А. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1971.— 224 с.2. Еркович С.П. Методические указания по применению регрессионного и корреляционного анализа для обработки результатов измерений в физическом практикуме. - М.; МВТУ, 1984. - 2 с.3. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1982, т.2. -496 с.4. Смит Р. Полу проводники.

- М.: Мир, 1982. - 560 с.15.