Файл: Исследование полупроводникового кремниевого диода Выполнили Паршаков Андрей, Майер Артур, ученики9 б класса.docx

Муниципальное автономное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 2
Исследование полупроводникового кремниевого диода

Выполнили:

Паршаков Андрей, Майер Артур, ученики9 Б класса

Научный руководитель:

Перевалова Наталья Васильевна,

учитель физики МАОУ СОШ № 2

г.Березники, 2023 г

Оглавление

1.Введение

1.1.Актуальность

В нашей школе в этом учебном году был открыт Кванториум — детский технопарк. Мы занимаемся в Кванте — физика. На занятиях мы работаем с новым оборудованием — физической цифровой лабораторией.На одном из занятий мы выполняли работу по теме «Исследование полупроводникового диода» и столкнулись с проблемой. При некотором режиме работы диода, его свойства (зависимость силы тока от напряжения - вольтамперная характеристика) изменяются. Мы решили более глубоко исследовать эту проблему.

Цель: изучение особенностей протекания электрического тока через p-n-переход и построение вольт-амперной характеристики кремниевогодиода

Задачи:

1. 
   Проанализировать теоретический материал по теме «Полупроводниковый диод».
   
2. 
   Провести эксперимент с полупроводниковым диодом.
   
3. 
   Создать рекомендации для лабораторной работы.
   

Объект: Полупроводниковый кремниевый диод

Предмет:

---

Свойства полупроводникового кремниевого диода.

1.6.Методы:

1.6.1 Эксперимент

1.6.2 Наблюдение

1.6.3 Анализ

1.7. Этапы работы:

1.Исследовать основные свойства полупроводникового диода – зависимость электрического сопротивления от температуры, одностороннюю проводимость

2.Проанализировать алгоритм лабораторной работы, собрать экспериментальную установку.

3.Провести эксперимент с диодом при прямом и обратном подключении, выявить проблемы, объяснить их возникновение.

4.Проанализировать результаты эксперимента.

5.Создать рекомендации для выполнения работы.

2.Основная часть проекта

2.1. Анализ теоретического материала

А) Дио́д (от др.-греч. δις^[1] — два и -од^[2] означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь^[2].

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, имеющий два вывода (анод и катод), и предназначенный для выпрямления, детектирования, стабилизации, модуляции, ограничения и преобразования электрических сигналов.

По своему функциональному назначению диоды подразделяются на выпрямительные, универсальные, импульсные, СВЧ-диоды, стабилитроны, варикапы, переключающие, туннельные диоды и т.д.

Теоретически мы знаем, что диод в одну сторону пропускает ток, а в другую нет. Но как, и каким образом он это делает, знают и понимают не многие.

Схематично диод можно представить в виде кристалла состоящего из двух полупроводников (областей). Одна область кристалла обладает проводимостью p-типа, а другая — проводимостью n-типа.


На рисунке дырки, преобладающие в области p-типа, условно изображены красными кружками, а электроны, преобладающие в области 

---

n-типа — синими. Эти две области являются электродами диода анодом и катодом:

Анод – положительный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются дырки.

Катод – отрицательный электрод диода, в котором основными носителями заряда являются электроны.

На внешние поверхности областей нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов диода. Такой прибор может находиться только в одном из двух состояний:

1. 
   Открытое – когда он хорошо проводит ток;
   2. Закрытое – когда он плохо проводит ток.
   

Б) Прямое включение диода. Прямой ток.

Если к электродам диода подключить источник постоянного напряжения: на вывод анода «плюс» а на вывод катода «минус», то диод окажется в открытом состоянии и через него потечет ток, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения и свойств диода.



При такой полярности подключения электроны из области n-типа устремятся навстречу дыркам в область p-типа, а дырки из области p-типа двинутся навстречу электронам в область n-типа. На границе раздела областей, называемой электронно-дырочным или p-n переходом, они встретятся, где происходит их взаимное поглощение или рекомбинация.

Например. Oсновные носители заряда в области n-типа электроны, преодолевая p-n переход попадают в дырочную область p-типа, в которой они становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны будут поглощаться основными носителями в дырочной области – дырками. Таким же образом дырки, попадая в электронную область n-типа становятся неосновными носителями заряда в этой области, и будут также поглощаться основными носителями – электронами.

Контакт диода, соединенный с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения будет отдавать области n-типа практически неограниченное количество электронов, пополняя убывание электронов в этой области. А контакт, соединенный с положительным полюсом источника напряжения, способен принять из области p-типа такое же количество электронов, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в области 

---

p-типа. Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через диод будет течь ток, называемый прямым током диода Iпр.
В) Обратное включение диода. Обратный ток.

Поменяем полярность источника постоянного напряжения – диод окажется в закрытом состоянии.



В этом случае электроны в области n-типа станут перемещаться к положительному полюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода, и дырки, в области p-типа, также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится, отчего образуется зона, обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей диода присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через диод будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и такой ток называют обратным током диода (Iобр). Как правило, на практике, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается вывод, что p-n переход обладает только односторонней проводимостью.
Г) Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольтамперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольтамперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

---

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.
Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратной ветви, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольтамперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Д) Применение полупроводниковых диодов

1. Использование полупроводниковых диодов в качестве термометра.


Если прямой ток остается постоянным, прямое напряжение линейно уменьшается по мере увеличения температуры. Даже если прямой ток немного изменится, вы все равно можете сделать довольно точный термометр, но соотношение между напряжением и температурой будет менее линейно. Еще одна примечательная деталь заключается в том, что величина наклона увеличивается по мере уменьшения прямого тока; другими словами, прямое напряжение более чувствительно к изменениям температуры при более низких прямых токах.

2. 
   Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.
   
3. 
   Диоды также применяются в радиотехнике, в работе детекторного приёмника.
   
4. 
   Применяются для выпрямления переменного тока.
   

2.2. Практическая часть

1. Опыт №1 (зависимость сопротивление диода от температуры).

Цель: Выявить зависимость сопротивления диода от температуры.

Оборудование: мультиметр, диод (из набора «НауЛаб»)

Ход работы:

1. Соединили мультиметр и диод, и измерили сопротивление диода (147,7кОм.).

2. Нагрели диод стаканом с кипятком и измерили значение сопротивления (99,1кОм.).

Вывод: При нагревании диода его сопротивление уменьшается.

---