Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Лабораторна робота № 1 Дослідження електронно-діркового переходу при різних температурах
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Інші
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Електроніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Дрогобицький механіко-технологічний коледж
Лабораторія основ електроніки і мікроелектроніки
Затверджую:
Заст. директора з навчальної роботи
_______ Ренжин П.М. “___”____2009р.
Лабораторна робота № 1
Дослідження електронно-діркового переходу
при різних температурах
Розглянуто на засіданні ЦК
___________Протокол № __
“___” ____ 2009р. Голова ЦК ______
Дрогобич 2009 р.
Лабораторна робота №1
Дослідження електронно-діркового переходу
при різних температурах
1.Мета: Вивчення властивостей електронно-діркового переходу
шляхом зняття його вольт-амперних характеристик при
різних температурах.
2.Схема макета:
2.1.Вимірювальні прилади:
Вольтметр /V1/ - 30 В., клас точності 1,5;
Вольтметр /V2/ - Ц4200, 15 В., клас точності 2,5;
Міліамперметр /мА/ - М42100, 5 мА., клас точності 1,5;
Мікроамперметр /µА/ - М494, 100 мкА., клас точності 1,5.
3.Теоретичні основи:
3.1. Формування електронно-діркового переходу
Електричний перехід між двома частинами напівпровідника одна з яких має електропровідність типу р, а інша – типу n, називається електронно-дірковими, або p-n переходом. Такий перехідний контакт не можна утворити простим дотиком пластин провідностей p і n. Поверхня напівпровідників навіть при ідеальній технології очищення містить багато домішок, забруднень, порушень кристалічної структури. Електронно-дірковий перехід отримують дифузією або вплавленням відповідних домішок у пластини монокристала напівпровідника.
На рис.1 показано утворення p-n переходу.
Розглянемо явища, які виникають при електричному контакті між напівпровідниковими пластинами р та n типів з однаковою концентрацією домішок.
У напівпровіднику n-типу основними рухомими носіями електричного заряду є електрони, а в напівпровіднику р-типу – дірки.
Р X0 n
а) - електрони
- дірки
- іони донорів
- іони акцепторів
Δl
Евн
Ex
б)
X
Δl
φ
в)
X
φк
XP X0 Xn
Рис.1. Утворення електричного поля і
контактної різниці потенціалів в p-n переході:
а) розпреділення ектричних зарядів;
б) розпреділення напруженості
електричного поля Евн;
в) потенціальна діаграма.
Внаслідок того, що концентрація електронів в n-області більша ніж в р-області, а концентрація дірок в р-області вища ніж в n-області, на границі цих областей виникає градієнт концентрації носіїв заряду. За рахунок градієнту концентрації носіїв виникає взаємна дифузія (дифузійний струм ідиф) електронів із n-області у р-область (вони заповнюють вільні ковалентні зв’язки), а дірок у протилежному напрямі. Внаслідок цього у приконтактній зоні напівпровідника р-типу з'являється не скомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки, а в приконтактній області n-типу виникає нескоскомпенсований додатній заряд іонів донорної домішки. Між цими зарядами виникає внутрішнє електричне поле з напруженістю Евн. Це поле являється гальмівним для основних носіїв заряду і прискорюючим для неосновних носіїв заряду, внаслідок цього виникає дрейфова складова струму ідр (протилежна дифузійній складовій ідиф).
Внаслідок відходу дірок з приконтактної області р-типу та електронів з приконтактної області n-типу на цих ділянках створюється збіднений на рухомі носії заряду шар, який називають запірним шаром. Товщина запірного шару Δl залежить від концентрації носіїв електричного струму і приблизно дорівнює 10-4 - 10-5 см.
Густина повного струму через p-n перехід визначається сумою дифузійних і дрейфових складових густин струмів, які за відсутності зовнішньої напруги однакові. Напрям струмів дрейфу протилежний струмам дифузій. Тому в стані термодинамічної рівноваги при незмінній температурі й відсутності зовнішнього електричного поля густина повного струму через p-n перехід дорівнює нулеві:
Jр диф + Jn диф + Jр др + J = 0 (1)
або ідиф + ідр = 0
Подвійний електричний шар в області p-n переходу зумовлює контактну різницю потенціалів, яку називають потенціальним барєром φк . Величина φк залежить від матеріалу напівпровідника і його температури. Для германію φк = (0,2-0,4) В, для кремнію φк =(0,5-0,75) В
3.2. Зворотнє вмикання р-n переходу
Якщо прикласти до p-n переходу зовнішню напругу Uз так, щоб плюс був пыдключений до областы напывпровыдника n-типу, а мінус – до області р-типу (таке вмикання називається зворотним, рис.2), то збіднений шар роширюється, тому що під дією зовнішньої напруги електрони й дірки як основні носії заряду зміщуються в різні сторони від p-n переходу. Ширина нового збідненого шару збільшується у результаті поле в p-n переході зростає і дорівнює:
Ерез = Евн + Ез (2)
Оскільки електричний опір p-n переходу дуже великий, то практично вся напруга Uз прикладається до нього.
Висота потенціального барˈєру зростає до величини:
φрез = φк + Uзн (3)
де φрез – результуюра різниця потенціалів ізв Δlˈˈ
Рис.2. Зворотне вмикання Рис.3. Пряме вмикання
p-n переходу p-n переходу
При зворотному вмиканні переходу через нього протікає зворотній струм ізв , який визначається неосновними носіями і зі збільшенням Uзн наближається до сталого значення:
ізв = І n др + Із др. = 0 (4)
або ізв = ідр – ідиф ,так як ідиф 0, то
ізв = ідр
І0 – називають тепловим струмом, або зворотним струмом насичення.
3.3. Зворотне вмикання p-n переходу
При прямому вмиканні p-n переходу (рис.3.) зовнішнє електричне поле Езн спрямоване зустрічно внутрішньому Евн і результуюча напруженість зменшується
Ерез = Евн – Езн (5)
При цьому ідиф зростає, а висота потенціального бар'єру знижується:
φрез = φк - Uзн (6)
У цьому випадку через перехід тече прямиу струм
іпр = ідиф – ідр (7)
Аналітичний вираз для визначення величини струму через p-n перехід має такий вигляд
і = І0 ( – 1), (8)
де І0 – зворотній струм насичення p-n переходу;
U – напруга прикладена до p-n переходу;
е = 2,718 – основа натуральних логарифмів;
q – заряд електрона;
R = 1,38 10-23 () – стала Больцмана;
Т – абсолютна температура p-n переходу.
Графічна інтерпретація рівняння (8) має назву вольт-амперної характеристики p-n переходу (рис.4.)
Формула (8) придатна як для прямих, так і для зворотніх напруг
іпр
Т2
Т1
І0
Uзв
Uпр
ізв
Рис.4. Вольт-амперна характеристика p-n переходу
При прямому вмиканні p-n переходу:
іпр = І0 ( - 1) , (9)
де φт = – тепловий потенціал
(при Т = 300 К: φт = 0,025 В)
При зворотному вмиканні р-n переходу:
ізв ͌ І0 (10)
3.4. Температурні властивості р-n переходу
Властивості електронно-діркового переходу (р-n переходу) замітно залежать від температури навколишнього середовища. При підвищенні температури зростає генерація пар носіїв заряду – електронів і дірок, тобто збільшується концентрація неосновних носіїв і власна провідність напівпровідника. Це наглядно показує вольт-амперна характеристика германієвого переходу, знята при різних температурах (рис.5).
Iпр
50˚ 20˚
Uзв
Uпр
20˚
50˚
Iзв
Рис.5. ВАХ р-n переходу
при різних температурах
Як видно з рисунка, при підвищенні температури прямий і зворотній струми зростають, а р-n перехід втрачає свою основну властивість-односторонню провідність.
Залежність від температури зворотної вітки вольамперної характеристики визначається змінами струму насичення. Цей струм пропорційний зрівноваженій концентрації неосновних носіїв заряду, яка при підвищенні температури зростає за експоненційним законом.
Для германієвих і кремнієвих р-н переходів зворотній струм зростає приблизно у 2-2,2 раз при підвищенні температури на кожні 10ºC.
Прямий струм p-n переходу при нагріванні зростає не так сильно, як зворотній струм. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає в основному за рахунок домішкової провідності. Але концентрація домішок від температури практично не залежить.
Для германієвих приладів верхня температурна границя 70…90ºС. У кремнієвих приладів внаслідок великої енергії, необхідної для відриву валентного електрона від ядра, ця границя більш висока: 120…150ºС.
4.Порядок складання схеми:
Подати на макет напругу живлення 9 і 24 В. Вимірювальні прилади з’єднати з відповідними клемами макета, звертаючи увагу на полярність їх ввімкнення. Після перевірки схеми ввімкнути стенд.
5.Знімання вольт-амперних характеристик p-n переходу.
5.1.Зняти вольт-амперну характеристику p-n переходу при кімнатній температурі.
Для знімання залежності Iпр.=f / Uпр / перемикач SA встановити в положення ” I ”. За допомогою потенціометра R2 встановити 5…7 значень прямої напруги /вольтметр V2/ і при цьому провести відліки прямого струму /міліамперметр мА/. Дані експерименту і значення температури записати у табл.1.
Для знімання залежності Iзв= f / Uзв / перемикач SA встановити в положення “2”. За допомогою потенціометра R4 встановити 5…7 значень зворотньої напруги /вольтметр V1/ і при цьому провести відліки зворотнього струму /мікроамперметр µА/. Дані експерименту записати у табл.1.
Таблиця 1.
T=__ºС
Uпр. В.
Iпр. мА.
Uзв. В.
Iзв. мкА.
5.2. Зняти вольт-амперну характеристику p-n переходу при підвищеній температурі. Для цього нагрівальний елемент R5 під’єднати до джерела змінної напруги 5В. Довести температуру у нагрівальній камері приблизно до 40 С, після чого повністю повторити експеримент п. 5.1. Дані експерименту і значення температури записати у табл.2.
Таблиця 2.
T=__ºС
Uпр. В.
Iпр. мА.
Uзв. В.
Iзв. мкА.
5.3. На міліметровому папері побудувати вольт-амперні характеристики, що відповідають кімнатній і підвищеній температурі. Вичислити значення прямих і зворотніх опорів при двох значеннях температури і порівняти їх між собою. Зробити відповідні висновки.
6.Зміст звіту.
Найменування і мета роботи;
Принципова електрична схема;
Таблиці експериментів;
Графіки і результати обчислення;
Висновки з результатів роботи.
7. Контрольні запитання
Поясніть терміни "донор" і "акцептор";
Накресліть кристалічні гратки напівпровідників р-типу і n-типу;
Дайте пояснення напівпровідників р-типу і n-типу;
Аналітичний вираз для побудови ВАХ р-n переходу;
Пряме включення р-n переходу;
Зворотне включення р-n переходу;
Бар'єрна та дифузійна ємності р-n переходу;
Поясніть термін "потенціальний бар'єр" та контактна різниця потенціалів;
Дифузійний та дрейфовий струми через р-n перехід;
Вентильні властивості р-n переходу.
Інструкцію склав викладач: Н.М.Щупляк.
30.05.2013 11:05-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора