Описание экспериментальной установки.

Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки изображена на рис.7. Полупроводниковый диод Д из стенда с объектами исследования С3-ЭТ1 подключен к источнику регулируемого напряжения ГН2-01. Напряжение на диоде измеряется вольтметром V АВ1-07. Сила тока через диод при прямом включении измеряется амперметром АВ1-07.

Порядок выполнения работы.

1. Собрать измерительную схему прямого включения.

2. Увеличивая ток в цепи от минимального до максимального значения, снять 8 – 10 значений прямого тока и прямого напряжения. Результаты измерений занести в таблицу результатов.

3. Собрать измерительную схему обратного включения.

4. Увеличивая напряжение в цепи от минимального до максимального значения, снять 8 – 10 значений обратного тока и обратного напряжения. Результаты измерений занести в таблицу результатов.

Таблица результатов измерений.

№	Прямое включение			Обратное включение
	U, В	I, мА	rпр., Ом	U, В	I, мкА	rобр., Ом
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Обработка результатов измерений.

1. Для обоих способов включения рассчитать и занести в таблицу значения дифференциальных сопротивлений:

2. По экспериментальным точкам построить ВАХ диода (рис.6).

Контрольные вопросы.

1. Свойства собственных полупроводников.

А) Значение удельного электрического сопротивления может изменяться в широком интервале от 10^-5 до 10⁸ Ом·м.

Б) С повышением температуры электрическое сопротивление таких веществ уменьшается.

В) При контакте с металлом или другим полупроводником наблюдается выпрямляющий эффект.

2. Примесные полупроводники.

Чаще всего на практике используют не собственные полупроводники, а полупроводники, в которых контролируемо созданы дефекты кристаллической структуры за счет введения малых количеств примесей (один атом примеси на миллион – миллиард атомов кремния).

Если в собственный полупроводник внедрены атомы пятивалентной примеси (фосфор), то атомы примеси, заместив атомы кремния в кристаллической решетке, также образуют связи с соседними четырьмя атомами кремния, но, при этом, один валентный электрон атома примеси оказывается свободным. Электроны в таком примесном полупроводнике становятся основными носителями заряда. Дырки также участвуют в процессе проводимости, но в гораздо меньшей степени, и являются неосновными носителями. Полупроводник, в который введена пятивалентная или донорная примесь, называется полупроводником n–типа.

Если в собственный полупроводник внедрены атомы трехвалентной примеси (индий), то атомы примеси, заместив атомы кремния в кристаллической решетке, также образуют связи с соседними четырьмя атомами кремния, но, при этом, одна связь атома примеси оказывается свободной. Появление дополнительной связи эквивалентно появлению вакансии для электрона, т.е. возникновению положительно заряженной дырки. Дырки в таком примесном полупроводнике становятся основными носителями заряда. Электроны также участвуют в процессе проводимости, но в гораздо меньшей степени, и являются неосновными носителями. Полупроводник, в который введена трехвалентная или акцепторная примесь, называется полупроводником р–типа.

3. Детекторные (выпрямляющие) свойства р – п перехода.

Рассмотрим кристалл полупроводника, в некотором месте которого проводимость практически мгновенно изменяется с электронной на дырочную. Такой контакт называется р – п переходом. В момент образования контакта начинается процесс, похожий на диффузию:

э лектроны из п – области (основные носители), где концентрация их выше, чем в р – области, диффундируют в р – область;

дырки из р – области (основные носители), где концентрация их выше, чем в п – области, диффундируют в п – область.

Процесс продолжается до тех пор, пока за счет перемещения основных носителей из области в область не возникнет запирающее электрическое поле с напряженностью , препятствующее дальнейшему переходу о сновных носителей (рис.3). Поле существует только в очень тонком слое вблизи контакта.

Е сли к кристаллу приложить внешнее прямое напряжение ((-) к п - области, (+) к р – области), то за счет внешнего напряжения возникнет внешнее электрическое поле, направленное навстречу запирающему полю (рис.4). Напряженность суммарного поля при прямом включении в соответствии с принципом суперпозиции:

Уменьшение запирающего поля приводит к увеличению количества основных носителей заряда, способных к переходу из области в область, тогда как количество переносимых неосновных носителей (дырки в п – области и электроны в р – области) остается практически неизменным.

Если к кристаллу приложить внешнее обратное напряжение ((+) к п - области, (-) к р – области), то за счет внешнего напряжения возникнет внешнее электрическое поле, направленное параллельно запирающему полю (рис.5). Напряженность суммарного поля при прямом включении в соответствии с принципом суперпозиции:

Усиление запирающего поля приводит к уменьшению количества основных носителей заряда, способных пересечь область контакта. Поэтому ток через переход при обратном включении определяется перемещением через контакт только неосновных носителей, концентрация которых очень мала.

Свойство односторонней проводимости р – п перехода используется при создании полупроводниковых диодов, используемых чаще всего в качестве выпрямительных (детекторных) устройств.

4. Уравнение Шокли.

Вольтамперная характеристика р – п перехода и полупроводникового диода описывается уравнением Шокли:

q = 1,6·10^-19 Кл – заряд электрона;

U – напряжение на переходе (положительное при прямом включении и отрицательное при обратном);

k = 1,38·10^-34 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

I₀ – постоянная, имеющая размерность силы тока (А).

5. Дифференциальное электрическое сопротивление р – п перехода.

Поскольку вольтамперная характеристика р – п перехода нелинейна, постольку электрическое сопротивление диода не является постоянным и имеет дифференциальный характер:

Дифференциальное сопротивление равно отношению приращения напряжения на диоде к приращению силы тока вблизи данного значения напряжения.

На электрических схемах полупроводниковые диоды обозначаются стрелкой, которая указывает направление прямого тока через диод.