Электрический ток в полупроводниках

Форма занятия: урок (лабораторная работа).

Актуальность использования модели: тема «Электрический ток в полупроводниках» требует большого количества опытов, чтобы продемонстрировать эффекты прохождения электрического тока через материал. Эффективнее работать в малых группах, когда каждый студент может более подробно рассмотреть механизм протекания электрического тока.

Виды деятельности, которую осуществляют обучающиеся (информационно-аналитическая, учебно-исследовательская, экспериментальная и т.п.)

Прогнозируемые результаты:

Предметные:

• давать определения изученным понятиям;
• называть основные положения изученных теорий и гипотез;
• описывать и демонстрационные и самостоятельно проведенные эксперименты, используя для этого русский язык и язык физики;
• классифицировать изученные объекты и явления;
• делать выводы и умозаключения из наблюдений, изученных физических закономерностей, прогнозировать возможные результаты;
• структурировать изученный материал;

Личностные:

• умение управлять своей познавательной деятельностью.

Метапредметные:

• Использование основных интеллектуальных операций: формулирование гипотез, анализ и синтез, сравнение, обобщение, систематизация, выявление причинно-следственных связей, поиск аналогов;
• Умение определять цели и задачи деятельности, выбирать средства реализации целей и применять их на практике.

Используемые средства и сервисы ИКТ, ресурсы сети Интернет:

• https://moeobrazovanie.ru/viktoriny/test_po_fizike_10_klass_1.html - Онлайн тестирование.
• http://ikit.edu.sfu-kras.ru/CP_Electronics/pages/soft/multisim/manual.pdf - Описание работы программы Кирина М., Фомина К.
• https://urok.1sept.ru/articles/659182/ - Фестиваль «Открытый урок»,  статья Шипшиной О.В. «Электрический ток в различных средах. Электрический ток в газах»

Описание рабочих зон:

Лабораторная работа

Тема  работы: Построение вольтамперной характеристики диода.

Цель работы: научиться строить ВАХ полупроводниковых диодов различных типов в программе компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств Multisim 7.

Оборудование: Персональный компьютер с виртуальным пакетом программ Electronic Workbench Multisim 7.

Методическое обеспечение:

Диод - полупроводниковый или электровакуумный прибор, который пропускает электрический ток в одном направлении и имеет два контакта для подключения в электрическую цепь. В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

Он представляет собой небольшую пластинку германия или кремния, одна область (часть объема) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть «дырочной», другая — электропроводимостью n-типа, то есть электронной. Границу между ними называют p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах positiv — «положительный», и negativ — «отрицательный». Область p-типа исходного полупроводника такого прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Схематическое устройство и условное графическое обозначение полупроводникового диода показаны на рисунке.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носителями являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

Односторонняя проводимость диода является его основным свойством.Это свойство и определяет назначение диода:

• Преобразование высокочастотных модулированных колебаний в токи звуковой частоты (детектирование).
• Выпрямление переменного тока в постоянный. Именно с детектора-прибора, указателя электромагнитных волн в пространстве и начинается радиотехника.

Диод в идеале проводит ток в прямом направлении и не проводит в обратном. На самом деле все, конечно, сложнее. Есть предельное обратное напряжение, которое может выдержать p-n переход диода. Если его превысить - диод выйдет из строя. Также диод обладает собственным сопротивлением, поэтому при прохождении через него тока выделяется тепло. Чем больше ток, тем больше выделяется тепла. Поэтому одна из важнейших характеристик диода - предельное значение прямого тока. Мощные диоды могут устанавливаться на радиаторы, чтобы организовать отвод образующегося тепла и повысить способность диода проводить ток, не разрушаясь.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Порядок выполнения работы:

1. С помощью анализа Spiсe определим вольтамперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода. Создадим следующую схему:

Верхний узел называется Vd, не используем нумерацию (чтобы обозначить провод, дважды щелкаем по нему. Нажатие правой кнопкой мыши позволяет переименовать узел). Чтобы добавить диод 1N4001GP, нажмем кнопку DIODE:

2. После создания схемы настраиваем функцию DC Sweep. Выбираем пункты меню Simulate → Analyses → DC Sweep и вводим данные в аналоговом окне.

Ток диода был добавлен в список выходных переменных, он автоматически будет отображаться на графике во время моделирования.

3. Нажмем кнопку Simulate, чтобы выполнить моделирование. Откроется окно Analyses Graphs, в котором отразится вольтамперная характеристика.

Чтобы изменить настройки графика, щелкнем по нему правой кнопкой мыши. Выбираем пункт Properties:

4. Получите вольтамперную характеристику виртуального диода, с помощью DC Sweep проведите вариацию напряжения от 0 до 1 вольта.

Отчетный материал:

1. Номер, название и цель лабораторной работы.
2. Схема исследования диода.
3. Вольтамперная характеристика заданного диода.
4. Вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы:

1. Поясните процессы происходящие в p-n-переходе.
2. Что такое собственная проводимость полупроводника?
3. Назовите типы примесей.
4. Поясните механизм работы примеси в полупроводнике.
5. Дайте определение диода.
6. Постройте идеальную вольтамперную характеристику полупроводникового диода.
7. Чем реальная ВАХ полупроводниковых диодов отличается от реальной ВАХ?
8. Какие параметры Вы можете назвать по полученной ВАХ полупроводникового диода.
9. Что такое обратная ветвь ВАХ?

Использованная литература:

1. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов. – М.: ДМК Пресс, 2010. – 448 с.:ил.
2. Multisim 7: Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. (Пер. с анл.) / Пер. с англ. Осипов А.И. – М.: Издательский дом ДМК-пресс, 2006. – 488 с.: ил.