Изучение свойств P-N-перехода различными методами - Физика и энергетика реферат

Главная

Физика и энергетика
Изучение свойств P-N-перехода различными методами

Физика полупроводников. Примесная проводимость. Устройство и принцип действия полупроводниковых приборов. Способы экспериментального определения основных характеристик полупроводниковых приборов. Выпрямление тока. Стабилизация тока.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ p - n -ПЕРЕХОДА РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ
Полупроводники представляют собой группу веществ, по своим свойствам занимающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При температурах, не сильно отличающихся от абсолютного нуля, полупроводники проявляют свойства хороших диэлектриков. Однако даже при незначительном повышении температуры, сопротивление полупроводника быстро уменьшается и он начинает проводить электрический ток - становится проводящим. Это - основное отличие полупроводников от проводников и диэлектриков. Типичными представителями полупроводников являются германий, кремний, сурьма, индий, закись меди и др.. Однако, на практике наибольшее признание нашли германий и кремний, на примере которых мы и рассмотри подробнее свойства полупроводников.
На рис. 1 (а) показаны два уединённых атома полупроводника. Кружок со знаком «+» символиз ирует ядро с двадцатью семью электронами, а кружок со знаком «-» - самый удалённый от ядра, двадцать восьмой, электрон (один из четырёх валентных). На рис. 1 (б) показаны те же два атома, но расположенные очень близко друг от друга. Теперь эти самые удалённые от ядер электроны стали принадлежать сразу двум атомам. Если же атом окажется окружён четырьмя соседями (рис. 1 (в)), как это имеет место внутри кристаллической решётки, то задействованными оказываются все четыре валентных электрона. Такая связь атомов называется ковален т ной и является весьма прочной.
Схематично траектории электронов, участвующих в образовании ковалентной связи, принято изображать параллельными линиями. Та на рис. 2 показана ковалентная связь атомов одного слоя кристаллической решётки полупроводника. При температурах кристалла, близких к абсолютному нулю, энергия валентных электронов довольно невелика, и поэтому все они остаются в пределах электронных оболочек и принимают участие в осуществлении ковалентной связи атомов. Однако с ростом температуры кристалл полупроводника получает некоторую долю энергии в виде тепла, которая перераспределяется между всеми частицами кристаллической решётки. Если энергия, полученная при этом электроном, окажется равной или превысит определённую величину, называемую энерг и ей активации , то электрон покинет свои атомы, нарушая при этом ковалентную связь, и перейдёт в межатомное пространство. Такие электроны называются свободными , поскольку они в своём тепловом движении могут свободно перемещаться по всему кристаллу полупроводника. Нарушение в том месте, откуда вырвался электрон, ковалентной связи, приводит к появлению в этой области не скомпенсированного положительного заряда ядра одного из атомов кристаллической решётки (см. рис. 2). Такой заряд называется ды р кой .
Таким образом, при температурах порядка комнатных и выше в кристалле чистого полупроводника содержится некоторое количество заряда обоих знаков - свободные электроны и дырки. Если кристалл не содержит примесей, то в любой момент времени число свободных электронов равно числу имеющихся в кристалле дырок. При постоянной температуре это число в среднем остаётся постоянным и быстро возрастает с ростом температуры. В отсутствие внешнего электрического поля и свободные электроны и дырки беспорядочно блуждают по всему куску полупроводника. При этом следует отметить, что движение свободных электронов в кристалле полупроводника совершенно аналогично беспорядочному движению свободных электронов в металле. Движение же дырок не похоже ни на один из других механизмов переноса заряда. Дырка - это не частица, обладающая п о ложительным зарядом, а лишь нарушенная ковалентная связь атомов . Или, иными словами, дырка представляет собой не скомпенсированную часть заряда ядра атома, т. е. нечто вроде иона (в полном смысле ионом её назвать нельзя, т. к. заряд иона обусловлен зарядом ядра только одного атома, а в случае дырок речь идёт о заряде ядра одного из двух соседних атомов).
Но ковалентная связь (даже нарушенная) иона со своими сос едями не позволяет ему даже при очень высоких температурах полупроводника покинуть место своего пребывания в узле кристаллической решётки. Однако, в процессе беспорядочного движения свободных электронов, те из них, которые проходят слишком близко от какой-либо дырки, под действием электростатической силы притяжения как бы «ныряют» в неё. В результате ковалентная связь восстанавливается и дырка исчезает. Исчезает, разумеется, и свободный электрон (теперь он становится валентным). Такое событие называется актом рекомбинации . Исчезновение дырки и свободного электрона не приводит к истощению полупроводника зарядами, т. к. наряду с этим событием где-то в других местах кристалла происходит образование новой пары дырка - свободный электрон. Поскольку вероятность образования новой такой пары равна вероятности акта рекомбинации, то в среднем число актов рекомбинации в единицу времени равно числу вновь образовавшихся пар «свободный электрон-дырка». Поэтому среднее число электронов и дырок при постоянной температуре полупроводника остаётся неизменным.
Если же к концам кристалла полупроводника приложить некоторую разность потенциалов, то и свободные электроны и дырки придут в направленное движение. При этом механизм перемещения зарядов совершенно аналогичен описанному выше за тем лишь исключением, что дрейф зарядов происходит в определённом направлении: электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению электрического поля, а дырки - по ходу действия поля.
Итак, в кристалле полупроводника в дали от температур абсолютного нуля имеется два рода заряда - свободные электроны и дырки, которые под действием внешнего электрического поля способны создавать в кристалле полупроводника электрический ток. Величина этого тока зависит от величины электрического поля и температуры кристалла (концентрации зарядов). Поскольку в создании тока в равной степени принимают участие и электроны и дырки, то такой механизм проводимости называется электронно-дырочной проводим о стью или собственной проводимостью .
Как было сказано выше, транзистор может быть использован в качестве усилителя напряжения, тока или мощности. При этом усиливаемый сигнал подаётся на два электрода транзистора (вход), а усиленный сигнал снимается тоже с двух электродов (выход). Таким образом, один электрод является общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из электродов является общим, различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ).
При включении транзистора по схеме ОЭ (рис. 8. а .) напряжение питания прикладывается между эмиттером и коллектором, в цепь которого включается сопротивление , служащее нагрузкой усилителя. Усиливаемый сигнал прикладывается между заземлённым эмиттеров и базой через конденсатор связи , препятствующий проникновению на базу транзистора постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Усиленный сигнал снимается с эмиттера и коллектора транзистора. Схема ОЭ позволяет достигать 10-200-кратного усиления сигнала по напряжению и 20-100-кратного усиления по току (зависит от усилительных свойств транзистора).
Существенным недостатком такого включения транзистора является его малое входное сопротивление (всего 500-1000 Ом ), что значительно затрудняет согласование каскадов, собранных по схеме ОЭ. Объясняется это тем, что эмиттерный переход в этом случае оказывается включённым в прямом направлении, в результате чего сопротивление перехода, зависящее от величины прикладываемого напряжения, очень мало. Выходное же сопротивление схемы ОЭ велико (2-20 кОм ) и зависит не только от усилительных свойств транзистора, но и от сопротивления нагрузки .
При включении транзистора по схеме ОК (рис. 8. б .) усиливаемый сигнал прикладывается между базой и эмиттером через резистор , выполняющий функции нагрузки транзистора. Именно с него и снимается усиленный сигнал. Такая схема включения транзистора даёт усиление по напряжению меньше единицы, а по току коэффициент усиления может достигать той же величины, что и при включении по схеме ОЭ. Поскольку транзистор в этом случае не даёт усиления по напряжению, а только как бы повторяет его на выходе (эмиттере), транзистор, включаемый по схеме ОК, также называют эмиттерным п о вторителем . Важным достоинством такой схемы включения транзистора является большая величина его входного сопротивления (10-500 кОм ), что хорошо согласуется с высоким выходным сопротивлением схемы ОЭ.
Чтобы разобраться в причинах, по которым транзистор, включаемый по схеме ОК, не усиливает напряжения, вновь обратимся к рисунку 8. б . Резистор , показанный пунктиром (в состав схемы ОК он не входит) представляет собой эквивалент внутреннего сопротивления источника усиливаемого сигнала (например, микрофона). Через это сопротивление усиленный сигнал с нагрузки через сопротивление подаётся на базу в противофазе. В результате между эмиттерной и базовой цепями возникает сильная отрицательная обратная связь, сводящая усиление каскада по напряжению на нет.
При включении транзистора по схеме ОБ (рис. 8. в .) база через конденсатор соединена с эмиттерной цепью, то есть с общим, заземлённым проводом. Усиливаемы сигнал через конденсатор связи подаётся одновременно и на базу и на эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с коллектора и заземлённой базы, которая, таким образом, служит общим электродом входной и выходной цепей каскада. Схема ОК даёт усиление по току меньше единицы, а по напряжению примерно такое же, как и при включении транзистора по схеме ОЭ (10-200 раз). Поскольку входное сопротивление схемы ОК очень невелико (30-100 Ом), её обычно используют в генераторах электрических колебаний, в аппаратуре радиоуправления моделями и пр..
Оптимальный режим работы транзистора, включённого в ту или иную цепь, во многом определяется его, так называемыми, входными и выходными статическими характеристиками. Входной характеристикой транзистора называется функциональная зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером :
Графически эта зависимость для транзистора p-n-p типа, включённого по схеме ОЭ, показана на рисунке 9. При малых значениях между базой и эмиттером ток базы растёт медленно, но по мере возрастания напряжения крутизна кривой увеличивается и характеристика выходит на линейный участок. Как видно из рисунка, угол наклона линейных участков характеристики зависит от величины выходного напряжения .
Выходная характеристика транзистора представляет собой функциональную зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированной величине тока базы :
Графически выходные характеристики для транзистора p-n-p типа, включённого по схеме ОЭ, представлены на рисунке 9.
СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Снятие ВАХ диода при помощи вольтметра и амперметра
На рисунке 4 изображена принципиальная схема, позволяющая исследовать ВАХ p - n -перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод Д . Показанное на схеме включение реостатов и позволяет осуществлять плавную регулировку напряжения на электродах диода в большом диапазоне значений. Двухполюсной ключ К предназначен для изменения полярности питающего цепь напряжения. Так как диод представляет собой последовательное соединение полупроводника и запирающего слоя, а вольтметр фиксирует полное падение напряжения (не только на запирающем слое), то выражение (2), вообще говоря, следует записывать так:
где - напряжение на электродах диода, - падение напряжения на слое полупроводника сопротивлением R . Согласно (2) и (3) при (в прямом направлении) и при больших значениях величина , и формулы могут быть переписаны в виде:
то есть с ростом напряжения ток возрастает экспоненциально.
При ещё большем напряжении, когда падение напряжения на слое полупроводника становится соизмеримым с падением напряжения на электродах диода, следует писать:
Дифференцируя выражение (3) по и исключая из производной напряжение , можно убедиться, что при большом прямом токе характеристика становится линейной и дифференциальное сопротивление диода устремляется к постоянной величине:
Если сопротивление запирающего слоя много больше сопротивления полупроводника, то, пренебрегая величиной и логарифмируя выражение (2), получаем линеаризованную ВАХ диода:
которая позволяет экспериментально определить величину коэффициента (ток насыщения при этом определяется по ВАХ, показанной на рисунке 3).
Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 4. Реостаты и предназначены для плавной регулировки напряжения на электродах диода Д в широких пределах. Ключ К предназначен для изменения полярности напряжения. Снятие ВАХ рекомендуется начинать с максимальной величины обратного тока (правое по схеме положение ключа К ) в сторону уменьшения. По достижении =0 следует при помощи переключателя К изменить полярность напряжения и продолжать снимать зависимость вплоть до величины .
В ходе работы при пользовании ключом следует помнить о соблюдении полярности измерительных приборов.
Снятие ВАХ диода при помощи осциллографа
Схема экспериментальной установки показана на рисунке 5. Питание цепи осуществляется от ЛАТРа через понижающий трансформатор Тр . На электродах диода действует переменное напряжение, которое подаётся на горизонтально отклоняющие пластины электронного осциллографа ЭО . На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подаётся напряжение с резистора R . Поскольку это напряжение пропорционально силе тока в цепи, то вертикальное отклонение электронного луча осциллографа позволяет измерять силу тока, соответствующую разности потенциалов на электродах диода (см. лабораторную работу «Изучение электронного осциллографа»).
Снятие ВАХ диода при помощи операционного усилителя
При измерении силы тока посредством амперметра последний вносит в цепь некоторое дополнительное сопротивление (внутреннее сопротивление амперметра), что приводит к изменению режима работы цепи и, следовательно, к возникновению систематической погрешности измерений. Избежать этого можно, используя при измерении силы тока операционный усилитель с бесконечно малым внутренним сопротивлением.
Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока с большим (более ) коэффициентам усиления, который схемах с обратной связью может выполнять математические операции (сложение, умножение, интегрирование и пр.) над напряжением, подаваемым на его вход. На рисунке 6 показан традиционный способ включения операционного усилителя DA для измерения тока. Поскольку потенциалы точек a и b практически одинаковы, то падения напряжения на участке ab не возникает и режим работы цепи не нарушается. Измеряемый ток равен току I через резистор R обратной связи, что позволяет, зная величину этого сопротивления и измерив напряжение на выходе операционного усилителя, можно определить ток в изучаемой цепи:
Схема экспериментальной установки по изучению ВАХ p - n -перехода показана на рисунке 7. В качестве сопротивления обратной связи здесь используется сопротивление p - n -перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод VD . При снятии прямой ветви ВАХ в цепь при помощи ключа К включается резистор , а при снятии обратной ветви - резистор ( и полярность диода меняется на обратную).
Поскольку потенциалы точек a и b равны нулю, то напряжение U на диоде VD равно напряжению на выходе операционного усилителя. Ток через диод равен току через последовательно включённый резистор или , так как входная цепь операционного усилителя тока не потребляет. Согласно сказанному выше, ток I через диод VD можно определить, измерив напряжение U , подаваемое на резисторы или с потенциометра R по формуле:
где при снятии прямой ветви ВАХ и - при снятии обратной ветви.
Снятие ВАХ стабилитрона может быть осуществлено аналогично описанному для диода с учётом иной полярности включения и крутизной ветвей характеристики. Однако на практике обычно оказывается достаточным точно знать величину напряжения стабилизации стабилитрона . Остальные его предельные параметры (минимальный и максимальный токи стабилизации, максимально допустимые прямое и обратное напряжения) берутся из справочников. Определить величину напряжения стабилизации конкретного стабилитрона можно при помощи схемы, показанной на рисунке …. Работает она аналогично рассмотренной выше. Плавно изменяя напряжение на электродах стабилитрона, следят за показаниями вольтметра, которые сначала возрастают, а затем остаются неизменными. Это напряжение и есть напряжение стабилизации.
Снятие статических характеристик транзистора
Принципиальная схема простейшего устройства для снятия входных и выходных характеристик транзистора показана на рисунке …. Резисторы и предназначены для плавной регулировки напряжения на базе транзистора, а резисторы и обеспечивают возможность грубой и точной регулировки напряжения между коллектором и эмиттером. Порядок работы со схемой следующий:
При разомкнутой входной цепи устанавливают напряжение на коллекторе = -8 В и измеряют начальный обратный ток коллектора .
Устанавливают значение = 0 В и, изменяя напряжение между базой и эмиттером от нуля до 250 мВ с шагом 50 мВ , измеряют ток базы .
Повторяют измерения при напряжениях = -5 В и = -10 В .
По полученным данным строят три входные статические характеристики транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Результаты измерений удобно заносить в следующую таблицу:
Устанавливают ток базы = 50 мкА и, изменяя напряжение на коллекторе от нуля до -12 В с шагом 1 В , измеряют ток коллектора.
Повторяют измерения при токах базы = 100 мкА и = 150 мкА .
Результаты измерений заносят в нижеприводимую таблицу, по которой строят три выходные характеристики транзистора .
Способность диода проводить электрический ток только в одном направлении может быть использована при выпрямлении переменного тока. Наибольшее распространение на практике получили две схемы выпрямления переменного тока: однополупериодная и двухполупериодная (или мостовая).
На рисунке 6 а показана схема однополупериодного выпрямителя, который представляет собой всего один диод, включённый последовательно с нагрузкой . В течение второй половины периода на аноде диода действует положительный полупериод напряжения, а на катоде - отрицательный. При этом диод открывается и через него, а значит и через нагрузку , протекает ток. В течение второй половины периода, когда на аноде диода действует отрицательный полупериод напряжения, а на катоде - положительный, диод закрыт и ток через нагрузку практически не течёт (при этом через нагрузку протекает обратный ток диода, значительно меньший прямого). Таким образом диод, отсекая отрицательные полупериоды переменного тока, пропускает через нагрузку пульсирующий ток одного направления (в течение положительных полупериодов переменного напряжения). На рисунке 7 показаны графики временной зависимости переменного тока и выпрямленного (пульсирующего) тока, протекающего через нагрузку. Однополупериодный выпрямитель обеспечивает частоту пульсаций тока, равной частоте переменного тока.
Мостовая схема выпрямления тока представляет собой четыре диода, соединённых по схеме, показанной на рисунке 6 б . Принцип действия мостового выпрямителя состоит в следующем. В течение первой половины периода переменного напряжения открытыми оказываются только диоды Д1 и Д3. При этом ток протекает через диод Д1, нагрузку и диод Д3 (сплошные стрелки на рисунке). В течение второй половины периода открытыми оказываются диоды Д2 и Д4, а диоды Д1 и Д3 - закрыты. Теперь ток протекает через диод Д2, нагрузку и диод Д4 (пунктирные стрелки на рисунке). В результате через нагрузку протекает ток в течение обоих полупериодов переменного напряжения. При этом направление тока не меняется. Следовательно через нагрузку течёт постоянный ток, который так же является пульсирующим, но частота пульсаций в этом случае вдвое больше частоты переменного тока. На рисунке 7 графически показан результат работы мостового выпрямителя в сравнении с работой однополупериодного выпрямителя.
Напряжение на выходе любого из рассмотренных выпрямителей изменяется со временем аналогичным образом (в соответствии с законом Ома). Но таким (пульсирующим) напряжением можно питать далеко не любую нагрузки. Например, лампочку накаливания можно, а радиоприёмник - нет, т. к. в этом случае в динамике будет прослушиваться низкочастотный гул частотой 50 Гц. Сгладить пульсации выпрямленного напряжения можно при помощи сглаживающего фильтра, роль которого обычно выполняет электролитический конденсатор достаточно большой ёмкости (порядка 1000 мкФ).
Для этого необходимо параллельно нагрузке подключить электролитический конденсатор как показано на рисунке 8. Когда напряжение на нагрузке возрастает (первая четверть полупериода), конденсатор заряжается, а когда напряжение начинает убывать, конденсатор разряжается на нагрузку по экспоненциальному закону, тем самым, поддерживая в нагрузке ток. Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше его постоянная времени и тем, следовательно, медленнее конденсатор разряжается, что приводит к уменьшению глубины пульсаций выпрямленного тока. При достаточно большой ёмкости конденсатора пульсации практически исчезают. В этом случае на выходе выпрямителя действует сглаженное напряжение, равное амплитуде пульсирующего напряжения. При измерении пульсирующего напряжения следует помнить, что вольтметр фиксирует действующее значение напряжения , которое связано с амплитудным напряжением соотношением:
Электрофизические свойства полупроводников. Структура полупроводниковых кристаллов. Элементы зонной теории твердого тела. Микроструктурные исследования влияния электронного облучения на электрофизические характеристики полупроводниковых приборов. курсовая работа [1,0 M], добавлен 18.09.2015
Особая точность электродинамических приборов, их разновидности и применение для определения тока и напряжения в цепях переменного и постоянного тока. Принцип действия ваттметра, устройство магнитоэлектрического логометра, их распространение и применение. реферат [511,9 K], добавлен 25.11.2010
Определение тока утечки, мощности потери, удельных диэлектрических потерь при включении образца на переменное напряжение. Классификация и основные свойства полупроводниковых материалов. Физический смысл и область использования магнитных материалов. контрольная работа [93,7 K], добавлен 28.10.2014
Системы условных обозначений при использовании полупроводниковых приборов в электронных устройствах для унификации их обозначения и стандартизации параметров. Графические обозначения и стандарты. Биполярные транзисторы, принципы и правила их обозначения. презентация [338,7 K], добавлен 09.11.2014
Классификация полупроводников по различным признакам, их разновидности и характеристика, отличительные черты. Порядок и схемы включения и применения фотоэлектронных приборов. Динамические свойства аналоговых интегральных микросхем, порядок составления. реферат [108,9 K], добавлен 03.04.2009
Теоретические сведения о свойствах полупроводников. Предоставление энергетических диаграмм p-n перехода в условиях равновесия. Получение вольтамперной и вольтфарадной характеристик по заданным значениям напряжения и тока. Расчет концентрации примеси. лабораторная работа [141,4 K], добавлен 21.01.2011
Разработка системы стабилизации скорости электропривода на основе двигателя постоянного тока. Расчёт силового согласующего трансформатора, полупроводниковых приборов, фильтров, регуляторов скорости и тока. Рассмотрена методика наладки электрооборудования. курсовая работа [614,7 K], добавлен 27.02.2012
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Изучение свойств P-N-перехода различными методами реферат. Физика и энергетика.
Характеристика О Прохождения Практики Педагогической
Дипломная работа по теме Суть потребительского кредита, основные перспективы его развития
Реферат по теме Законы и модели организационного поведения
Реферат: Управление ассортиментом. Наиболее типичные ошибки. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат по теме Дендритные клетки и их роль в иммунной защите
Денежное Довольствие Сотрудников Овд Реферат
Сочинение Чем Обладает Человек С 14 Лет
Реферат: Анализ ассортимента продукции, вырабатываемой мясокомбинатом "Останкино". Скачать бесплатно и без регистрации
Уроки Столыпинской Реформы Реферат
Курсовая Работа На Тему Требования К Качеству Мяса И Сроки Хранения. Особенности Приготовления Жареной Рыбы
Реферат: ЭВМ в управлении производством. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат: Маргарита Французская королева Венгрии
Эссе Безопасный Интернет
Реферат Теория И Методика Физической Культуры
Реферат На Тему Автомобиль: Вчера, Сегодня, Завтра
Реферат по теме Социально-психологический климат
Социология Банк Аргументов Эссе
Реферат: Айвенго
Курсовая работа по теме Закономерности в расположении городов и влияние городских систем на рельеф
Сочинение Любимый Герой Романа Евгений Онегин
Роль семьи и карьеры в жизни женщины - Социология и обществознание курсовая работа
Моніторинг соціально-трудових відносин - Менеджмент и трудовые отношения реферат
Профессиональное самоопределение современной молодежи - Психология реферат