Г.Г. Спирин - Электричество, оптика, атомная физика, физика твёрдого тела, страница 26

12.7полупроводников от температуры,построенный в полулогарифмическом масштабе согласно формуле(12.6), показан на рис.12.7.12.3 Контактные явления в р–n переходеПриведем в контакт р– и n–полупроводники, как показано нарnрис.12.8. Основные носители заряда(дырки в р–полупроводнике иэлектроны в n–полупроводнике)начинают диффундировать черезграницу контакта (см.

сплошныелинии на рис.12.8) и тем самымсоздают ток, который называетсяiдифдиффузионным током iдиф .iпрПри этом часть носителей зарядарекомбинирует (т.е. электрон встаетРис. 12.8на место дырки), а другая часть втонком пограничном слое толщиной 10–6 – 10–4 см образует контактноеэлектрическое поле напряженностью E k . Если контактную разностьпотенциалов обозначить 0, то диффузионный ток равенEki дифС expe0kT.Под действием контактного поля начинает также происходитьобратное перемещение зарядов, которое называют током201проводимости iпр . Ток проводимости осуществляется неосновныминосителями заряда для каждой области, что показано на рис.12.8пунктиром.При отсутствии внешнего поля iдиф iпр и наступает равновесие.Следовательно, ток проводимости также равенiпрС expe0kT.(12.7)Рассмотрим включение р–n перехода во внешнюю цепь.Сразу следует заметить, что ток проводимости (12.7) от величиныконтактной разности потенциалов не зависит (а определяется толькоконцентрацией неосновных носителей заряда, которая обычнонезначительна) и при подключении к внешней цепи не изменяется.Диффузионный ток протекает в направлении, противоположномконтактному полю, и создается только теми основными носителямизаряда, энергия которых достаточна для преодоления контактнойразности потенциалов.

Следовательно, iдиф зависит от величиныразности потенциалов в контактном поле и при подключении р–nпереходаквнешнемуuнапряжениюбудетiдифизменяться.ЕkрnПриложимкр–nпереходу внешнее прямоенапряжение u (рис.12.9).Величинаконтактнойразностипотенциаловiдифуменьшится и станет равнойiпр( 0 – u).ПриэтомРис. 12.9диффузионныйтоквозрастет и станет равным:i дифC expe(0u)kTC expe0kTexpeu.

(12.8)kTС учетом формулы (12.7) имеемi дифiпр expeu.kT(12.9)Следовательно, результирующий ток i через р–n переход припрямом включении запишется202i i дифi прi пр expuЕkрeukT1i пр expeukTi диф .(12.10)Приложим теперь к р–nпереходувнешнеенапряжение u в обратномнаправлении (рис.12.10).Так как внешнее полетеперьсовпадаетпонаправлению с собственнымконтактнымполем,токонтактнаяразностьпотенциаловвозрастетистанет равной ( 0 + u).

ПриэтомдиффузионныйтокniдифiпрРис. 12.10уменьшится:i дифiпр expeu.kT(12.11)В результате полный ток i через р-n переход будет практическиравен току проводимостиii прi дифi пр 1 expeukTiпр ,(12.12)который является током неосновных носителей заряда и поэтому оченьмал (на несколько порядков меньше тока при прямом включении р–nперехода).Описанные явления лежат в основе работы полупроводниковыхдиодов, которые используются в качестве выпрямителей тока, втехнике СВЧ, импульсной технике и имеют различное устройство ипараметры в зависимости от своего назначения.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 132Исследование параметровполупроводникового кристаллического диодаЦель работы: снятие вольт–амперной характеристики при прямоми обратном включении диода; определение сопротивления диода припрямом включении.203Методика измеренийПолупроводниковые диоды изготавливаются обычно из германияили кремния и могут быть точечными или плоскостными взависимости от того, в точке или плоскости происходит контакт двухобластей с разным типом проводимости.

В данной работе исследуютсяхарактеристики точечного германиевого диода.Вольт–ампернаяхарактеристикадиодаi(мА)(зависимостьтокаотнапряжения)показананарис.12.11. Она состоит из двухuiветвей: при прямом включении(u > 0) и обратном (u < 0). Длянаглядности прямая и обратная0u(В)uветви вычерчены в разноммасштабе, поскольку прямой токi (мкА)измеряется в миллиамперах, аРис.

12.11обратный – в микроамперах.Выпрямляющиесвойствакристаллическогодиодахарактеризуютсякоэффициентомвыпрямления, равному отношению токов для прямого и обратноговключения при одной и той же величине напряжения:iпри u const(12.13)iгде i – прямой, i – обратный токи.Другой параметр кристаллического диода – величина внутреннегосопротивления Ri при прямом включении, т.е. в направлениипропускания тока:uRi.(12.14)iВеличина Ri может быть определена методом графическогодифференцирования по вольт–амперной характеристике (см.рис.12.11).Экспериментальная установкаДля исследования характеристик полупроводникового диодапредназначена экспериментальная установка, общий вид которойприведен на рис.12.12.204312Ввкл.24прямойобратныйA5обратн.

ток1RmA6Vпрямой токРис. 12.12Напряжение на германиевом диоде 3 изменяют с помощьюпеременного сопротивления 6. Значения прямого тока определяют помиллиамперметру 1, поставив переключатель 4 в соответствующееположение. Значения обратного тока определяют по микроамперметру2, предварительно изменив положение переключателя 4.Вольтметр 5 имеет различные пределы измерения: umax = 3 В припрямом включении и umax = 15 В при обратном.

Вся шкала вольтметрасоответствует N = 75 делениям. Цена 1 деления вольтметра припрямом включении:u max 3u00,04 B ,N75а при обратном:(12.15)15u00,2 B75Порядок выполнения работы1. Подключить установку к сети 12 В. Включить установкутумблером.2. Снять вольт–амперную характеристику диода в прямомнаправлении. Для этого поставить переключатель 4 (рис.12.12) внужное положение и с помощью регулируемого сопротивления 6увеличивать напряжение u от 0 до 2 В через 0,2 В.

При этом205необходимо учесть цену деления вольтметра 5 согласно формуле(12.15). Для каждого значения напряжения измерить помиллиамперметру 1 величину прямого тока i. Результаты измеренийзанести в табл.12.1.Таблица 12.1Прямоенапряжениеu В0,20,40,60,81,01,21,41,61,82,0Прямойтокi мАОбратноенапряжениеu В12345678910Обратныйтокi мкА3. Снять вольт–амперную характеристику диода при обратномвключении. Для этого установить переключатель 4 в положение―обратный‖ и с помощью регулируемого сопротивления 6 увеличиватьнапряжение на диоде от 0 до 10 В через 1 В (цена деления вольтметрапри обратном включении изменяется, см формулу (12.15)). Длякаждого значения напряжения фиксировать обратный ток i помикроамперметру 2.

Записать измерения в табл.12.1.4. Отключить установку от сети.5. Построить вольт–амперную характеристику диода в разноммасштабе для прямого и обратного тока, чтобы ее вид соответствовалрис.12.11.6. По формуле (12.13) найти коэффициент выпрямления , взявзначения прямого i и обратного i токов при величине напряжения u =1 В.7.

По вольт–амперной характеристике диода определить внутреннеесопротивление диода Ri (12.14) при различных значениях прямогонапряжения. Для этого разбить ось напряжений на 5 - 7 одинаковыхинтерваловu (см. рис.12.11), для каждого интервала найтисоответствующие приращения тока i, и по формуле (12.14) рассчитатьзначение Ri. Это значение Ri соответствует среднему значениюнапряжения u в интервале. Полученные данные записать в табл.12.2.206Таблица 12.2№п.п.123456uВuВRiОмiмАlnRi–8. Построить график зависимости сопротивления от напряжения вполулогарифмическом масштабе: lnRi = f( u ).Контрольные вопросы1. Что называется коэффициентом выпрямления полупроводниковогокристаллического диода?2. В чем заключается метод графического дифференцирования длянахождения сопротивления Ri диода при прямом включении?3. Объясните вид вольт–амперной характеристики диода дляпрямого и обратного напряжения.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 133Исследование параметров кристаллическоготриода (транзистора), включенного по схеме собщей базойЦель работы: снятие вольт–амперных характеристик триода в схемес общей базой и определение коэффициента усиления по току.Методика измеренийПолупроводниковые триоды (транзисторы) представляют собойсовокупность двух p–n переходов, полученных тем или иным способомв одном полупроводящем кристалле.рnрnРис.

12.13рn207На рис.12.13 показано схематическое изображение транзисторовтипа p–n–p и n–p–n.Транзисторы имеют три области. Одна из крайних областей,являющаяся источником электронов или дырок, называется эмиттером(Э), средняя область – базой (Б), область, собирающая заряды, –коллектором (К).В работе исследуется германиевый транзистор p–n–p типа,включенный по схеме с общей базой, как показано на рис.12.14.iэрnрЭБКikmAR1mAVэEkEkiБu1VkR2u2Рис. 12.14На схеме u1 и u2 – источники внешнего напряжения в цепяхэмиттера и коллектора (u1 = 3 В, u2 = 12 В), R1 и R2 регулируемыесопротивления в цепях эмиттера и коллектора.Как видно из схемы, переход эмиттер–база включен в прямомнаправлении (т.е. внешнее напряжение u1 уменьшает контактнуюразность потенциалов р–n перехода эмиттер–база); а переход база–коллектор включен в обратном (запирающем) направлении.Следовательно, из эмиттера в базу течет достаточно большой повеличине диффузионный ток, созданный основными носителямизаряда (дырками).

Так как толщина базы обычно весьма мала (порядканескольких микрометров), то только очень малая часть прибывающихиз эмиттера дырок рекомбинирует с основными носителями базы(электронами). В основном эти дырки подхватываются контактнымполем перехода база–коллектор и переходят в цепь коллектора.Таким образом, ток через коллектор значительно увеличивается истановится почти равным току через эмиттер. Ясно, что всякоеизменение тока в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока в цепиколлектора.Коэффициентом усиления по току называется отношение приращениятока коллектора к соответствующему приращению тока эмиттера208ikпри uк = constiэ(12.16)Значениянесколько меньше единицы, что объясняется двумяпричинами: а) частичной рекомбинацией диффундировавших изэмиттера в базу дырок с основными носителями базы – электронами;б) незначительным ответвлением тока эмиттера в цепь базы iэ ik iз ,где iБ мал. Поскольку < 1, то при включении транзистора по схеме собщей базой усиление по току получить нельзя.Данная схема включения транзистора позволяет получить усилениевходного сигнала по напряжению и мощности.

Так как переход база–коллектор включен в запирающем (обратном) направлении, то егосопротивление велико, поэтому последовательно с ним можноподключить сопротивление R2, значительно большее сопротивления R1.Следовательно, выходное напряжение u k ik R 2 iэR 2 будетзначительно больше входного напряжения u э iэR1 .Коэффициент усиления по напряжениюuk1.uэВид зависимости тока отнапряжения в цепи коллектораikiэ = 6мАпри различных значениях тока вцепи эмиттера iэ (вольтамперныехарактеристикиiэ = 2мАтранзистора) показан на рис.12.15.Зависимости имеют очень малыйнаклон, что обусловлено большимвыходнымсопротивлением.ukВеличина тока в цепи коллектораРис.