Лабораторная работа "Построение вольт - амперной характеристики полупроводникового диода"

Лабораторная работа

Раздел 3 Электродинамика

Тема 3.2 Электрический ток в полупроводниках

Название практической работы: Построение вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Учебная цель: исследовать зависимость прямого тока от величины прямого напряжения, приложенного к диоду. Выяснить зависимость обратного тока от величины обратного напряжения

Учебные задачи: устройство и принцип действия полупроводникового диода, строить по числовым данным вольт-амперную кривую – характеристику диода.

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: пользоваться измерительными приборами, собирать по схеме установку для снятия вольт-амперной характеристики диода

знать: устройство и принцип действия полупроводникового диода, параметры, характеризующие полупроводниковый диод, промышленное применение

Обеспеченность занятия (средства обучения):

- методические указания по выполнению практического занятия

- тетрадь для лабораторно-практических работ, карандаш, линейка, ластик.

Полупроводниковый диод смонтированный на панели, источник питания, миллиамперметр, вольтметр, реостат 50-70 вольт, провода с наконечниками

Порядок проведения занятия:

Для выполнения практической работы учебная группа выполняет один вариант
Теоретическое обоснование основная деталь плоского полупроводникового диода Д7Ж монокристаллическая пластинка германия. Выводы диода подведены на панели к двум зажимам «+», «-»

Из набора

а - пластинка германия

б – капля индия

в – олово

г -основание металлического корпуса

д – контактный вывод

е – второй контактный вывод

(проходит в металлической трубочке)

ж – стеклянный изолятор

Рисунок 1

Принцип действия диода

В германии с электронной проводимостью, кроме электронов имеются неосновные носители электрического тока – дырки. В германии с дырочной проводимостью, кроме основных носителей – дырок, имеются неосновные – электроны. При отсутствии внешнего электрического поля через границу двух полупроводников диода взаимно диффундируют основные и неосновные носители тока; электроны и дырки из n –германия диффундируют в p- германий, а дырки и электроны переходят из p- германия в n –германий. В результате на границе двух полупроводников возникает двойной слой электрических зарядов и электрическое поле Е, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей тока.

Двойной электронно –дырочный переход

Рисунок 2

Одновременно образуется запирающий слой – главная часть сопротивления диода, обеднённая носителями тока. По обе стороны от границы полупроводников происходит рекомбинация электронов и дырок

Внешнее электрическое поле отсутствует

Рисунок 3

Рисунок 4

При действии на диод внешнего электрического поля, направленного от дырочного полупроводника к электронному, основные носители тока в каждом полупроводнике движутся к границе раздела полупроводников, рисунок 3. Толщина слоя уменьшается, а сопротивление резко снижается.

Ток называется прямым током диода. Это ток образованный основными носителями электронами направлен от дырочного полупроводника к электронному. С изменением полярности, изменяется положение основных носителей, рисунок 4.Толщина запирающего слоя увеличивается, а сопротивление резко возрастает. Небольшой ток течёт через диод; он создаёт движение неосновных носителей. Этот ток направлен от электронного полупроводника к дырочному и называется обратным током диода. В зависимости от направления тока в диоде. Напряжение и сопротивление в диоде называют прямым и обратным.

Параметры полупроводникового диода Д7Ж для температуры окружающей среды 20℃

Вопросы для закрепления теоретического материала к практическому занятию:

1. Какие вещества называют полупроводниками?

2. Что такое «дырки»?

3. Какие носители тока обеспечивают собственную проводимость полупроводника?

4. Что такое электронно-дырочный переход?

5. Что такое запирающий слой?

6. Что такое полупроводниковый диод?

7. Что такое вольт-амперная характеристика, какие параметры необходимо снимать для её построения?

8. Что такое прямой ток диода, прямое напряжение на диоде?

9. Что такое обратный ток диода, обратное напряжение диода?

10. Примеры применения полупроводниковых приборов

Содержание и Последовательность выполнения практической работы:

1. Произвести измерения для выяснения зависимости прямого тока от величины прямого напряжения, приложенного к диоду.

2. Произвести измерения для выяснения зависимости обратного тока от величины обратного напряжения.

3. По числовым данным первой и второй таблиц построить кривую, представляющую собой вольт-амперную характеристику диода.

4. По оси ординат отложить ток в мА. По оси абсцисс – напряжение в вольтах.

5. Прямой ток и прямое напряжение считают положительными, обратный ток и обратное напряжение – отрицательными.

Задачи практической работы:

Задание 1

Составить электрическую цепь по схеме, рисунок 5. Прямое напряжение создаётся реостатом R, (как потенциометр). Прямой ток диода измеряем миллиамперметром. Вольтметр включаем в цепь со шкалой 3 вольта.

Замкнув цепь, снимаем показания

меняя реостатом напряжение, записываем в таблицу 1.

Схема для снятия

ВАХ диода обратного тока

Рисунок 6

Схема для снятия

ВАХ диода прямого тока

Рисунок 5

Таблица №1

Таблица № 2

Задание 2 Для изучения зависимости обратного тока от величины обратного напряжения, приборы включаем в цепь по схеме, рисунок 6.Напряжение на диод подаём потенциометром R . Напряжение измеряем вольтметром по шкале 15 в. Величину тока миллиамперметром со шкалой 1,5ма. Результат измерений записать в таблицу №2. По числовым данным первой и второй таблиц построить вольт – амперную характеристику диода, рисунок 7.

Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода Д7Ж

Рисунок 7

Вывод

Полученная кривая имеет нелинейный характер: она показывает резкое возрастание прямого тока, начиная с напряжения 0,2 в. Поэтому номинальное значение прямого тока для изучаемого диода достигается уже при напряжении около 0,3 в.

Величина обратного тока составляет лишь сотые доли миллиампера и мало зависит от величины обратного напряжения. Это указывает на то, что диод в обратном (не пропускаемом) направлении имеет очень большое сопротивление, которое увеличивается с возрастанием обратного напряжения. Благодаря односторонней проводимости диод широко применяется для выпрямления переменного тока

По окончанию практической работы студент должен представить:- Выполненную в лабораторно – практической тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.
Список литературы: 

1. Физика для профессий и специальностей технического профиля В. Ф. Дмитриева М.: ИД Академия – 2015

2. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями Тарасов О.М М.: ФОРУМ-ИНФА-М, 2015