Вольт – амперная характеристика p – n перехода

Если подключить к рассмотренной системе внешнее постоянное напряжение – плюсом к p – области, а минусом к n – области, то созданное этим напряжением электрическое поле направлено противоположно полю перехода. Результирующая напряженность поля в области перехода уменьшается, что облегчает перемещение примесных носителей через переход. Поэтому первоначальное равновесие токов нарушается, и через переход начинает протекать ток примесных носителей, называемый прямым током. Он достаточно резко (нелинейно) возрастает с ростом внешнего напряжения. При внешнем напряжении порядка 1 вольта запирающий слой перехода практически исчезает и ток ограничивается только омическим сопротивлением p и n областей.

При подаче внешнего напряжения плюсом к n – области, а минусом – к p – области, ток примесных носителей резко уменьшается, так как суммарная напряженность поля перехода увеличивается, а ток собственных носителей остается неизменным. Через переход протекает обратный ток. Его величина не зависит от внешнего напряжения (вплоть до напряжения пробоя) и определяется только концентрацией собственных носителей и площадью перехода. Так как собственных носителей значительно меньше, чем примесных, то обратный ток значительно меньше прямого (при одинаковых по модулю и достаточно больших обратном и прямом напряжениях). Поэтому можно считать, что p – n переход пропускает ток только в одном направлении – при прямом включении.

График зависимости тока от напряжения для некоторого p – n перехода приведен на рис. 2.

Рис.2

 

Полупроводниковый диод

Как правило, полупроводниковый диод представляет собой монокристалл полупроводника с донорной или акцепторной примесью, в котором различными способами создается область с противоположной проводимостью. В месте контакта областей образуется p – n переход. Кристалл с присоединенными в соответствующих местах контактными проводами выводов помещается в металлический (с изоляторами), керамический, стеклянный или пластмассовый корпус. Вид вольтамперной характеристики обычного диода аналогичен приведенной выше характеристике p – n перехода.

Описание экспериментальной установки

Задачей работы является получение вольтамперных характеристик полупроводникового диода типа Д7Ж при различных температурах (диод помещен в термостат). Кнопочный переключатель позволяет перекоммутировать измерительные приборы при снятии прямой (нажат) и обратной (отжат) характеристик. Тем самым практически устраняется дополнительная погрешность, связанная с величиной собственных сопротивлений амперметра и вольтметра. Пределы измерений приборов также изменяются (указаны на лицевой панели), классы точности указаны на самих приборах.

Выполнение работы

Отключить термостат прибора. Включить прибор в сеть. Получить значения прямого и обратного токов соответственно для 10 – 15 значений прямого и обратного напряжений, начиная с обратной ветви характеристики. Построить график вольтамперной характеристики диода.

Включив термостат, повторить измерения для двух значений температуры, начиная с меньшего. Время установления постоянной температуры в термостате – порядка 7 минут, признак установления – мигание индикатора нагрева. Построить соответствующие графики на том же рисунке.

 

7. Контрольные вопросы

1. Проводимость в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

2. Собственные и примесные полупроводники.

3. p – n переход. Вольт – амперная характеристика p – n перехода.

4. Полупроводниковый диод.

РАБОТА № 7

 

ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ТОКА

 

Основные понятия

Источником напряжения называется устройство, с помощью которого происходит разделение зарядов на концах проводника, т.е. на концах проводника поддерживается постоянная разность потенциалов.

Рассмотрим цепь, содержащую последовательно соединенные источник, имеющий ЭДС e и внутреннее сопротивление r₀, а также нагрузочный резистор R. Эквивалентная схема такой цепи изображена на рис. 1.

Рис.1.

По внешней части цепи – резистору R – и по внутренней части цепи – внутреннему сопротивлению источника – протекает, естественно, один и тот же ток I, который можно определить, используя закон Ома:

(1)

При силе тока I полная мощность, развиваемая источником, будет равна:

W0 = e I

(2)

Это соотношение легко получить, разделив числитель и знаменатель в соотношении (3) из работы № 1 на время t, с учетом того, что, по определениям , q = I × t.

Часть мощности тратится бесполезно внутри элемента на нагревание его внутренних частей. Эту часть мощности называют мощностью внутренних потерь.

Она равна, согласно закону Джоуля – Ленца:

W1 = I 2 r0

(3)

Мощность, развиваемая во внешней цепи, может быть использована для практических целей, поэтому ее называют полезной мощностью.

Если разность потенциалов на зажимах внешней цепи U, то полезная мощность:

W = IU

(4)

Чтобы выяснить зависимость полезной мощности от силы тока, удобно выразить ее как разность между полной и потерянной мощностью:

W =e I - I 2r0 = I× (e - I r0)

(5)

Из уравнения (5) следует, что кривая, выражающая зависимость полезной мощности от силы тока, является параболой. Она касается оси тока в двух точках, т.е. полезная мощность может быть равна нулю в двух случаях:

1) при I = 0, когда цепь разомкнута (внешнее сопротивление R ® ¥),

2) при e - I r₀ = 0.Это достигается при R, стремящемся к нулю (режим короткого замыкания).

Условием максимума функции зависимости полезной мощности от тока является равенство нулю производной

, откуда. e ‑ 2× Imax r0 =0,

(6)

где I _max – сила тока, соответствующая максимальной полезной мощности. Далее следует, что

(7)

Сравнив (7) и (1), получим, что полезная мощность достигает максимального значения при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений R = r₀.

Отношение полезной мощности источника к его полной мощности называется коэффициентом полезного действия (КПД).

(8)

Напряжение во внешней цепи U меньше Э.Д.С. e на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении, поэтому можно написать:

(9)

Из формулы (9) следует, что с увеличением силы тока h линейно убывает.

Для выяснения зависимости h от сопротивления удобно представить его в виде:

(10)

Поделив числитель и знаменатель на R, получим:

(11)

Отсюда следует, что при , h® 1. Однако при этом полезная мощность стремится к нулю, поэтому условие наибольшего значения коэффициента полезного действия с практической точки зрения не представляет интереса.

При R = r₀, когда полезная мощность достигает максимума, , a , т.е. 50 %.