Вольтамперные характеристики полупроводников

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего через сопротивление, от напряжения на этом сопротивлении, выраженная графически. ВАХ могут быть линейными и нелинейными, и в зависимости от этого сопротивления и цепи, содержащие данные сопротивления, разделяются на линейные и нелинейные.

Итак, вольтамперная характеристика — зависимость электрического напряжения от силы тока в электрической цепи или её отдельных элементах (реостате, конденсаторе и др.). У линейных элементов электрической цепи вольтамперная характеристика — прямая линия.

В полупроводниковых выпрямительных диодах подбором полупроводников с разного типа электропроводностью (n-типа и р-типа) добиваются несимметричной вольтамперной характеристики (рис. 2).

В результате этого при одной полуволне переменного напряжения полупроводниковый выпрямитель будет пропускать ток. Это ток, протекающий в прямом направлении Iпр, который быстро возрастает с повышением первой полуволны переменного напряжения.

При воздействии же второй полуволны напряжения система двух полупроводников (в плоскостном выпрямителе) не пропускает тока в обратном направлении Iобр. Очень незначительная величина тока Iобр протекает через р-n-переход вследствие наличия в полупроводниках неосновных носителей тока (электронов в полупроводнике р-типа и дырок в полупроводнике n-типа). Причиной этого является большое сопротивление переходного слоя (р-n-переход), возникающего между полупроводником р-типа и полупроводником n-типа.

С дальнейшим повышением второй полуволны переменного напряжения обратный ток Iобр начнет медленно возрастать и может достигнуть значений, при которых наступит пробой запорного слоя (р-n-перехода).

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика полупроводника

Рис. 2. Несимметричная вольтамперная характеристика полупроводникового выпрямителя (плоскостной диод)

Чем больше отношение величины прямого тока к величине обратного тока (измеренных при одинаковых значениях напряжения), тем лучше свойства выпрямителя. Это оценивается величиной коэффициента выпрямления, представляющего собой отношение прямого тока I’пр к обратному I’обр при одной и той же величине напряжения:

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Линейные и нелинейные элементы электрической цепи

Те элементы электрической цепи, для которых зависимость тока от напряжения I(U) или напряжения от тока U(I), а также сопротивление R, постоянны, называются линейными элементами электрической цепи. Соответственно и цепь, состоящая из таких элементов, именуется линейной электрической цепью.

Для линейных элементов характерна линейная симметричная вольт-амперная характеристика (ВАХ), выглядящая как прямая линия, проходящая через начало координат под определенным углом к координатным осям. Это свидетельствует о том, что для линейных элементов и для линейных электрических цепей закон Ома строго выполняется.

Яркий пример линейного элемента — проволочный резистор. Ток через такой резистор в определенном диапазоне рабочих напряжений линейно зависит от величины сопротивления и от приложенного к резистору напряжения.

Характеристика проводника (вольтамперная характеристика) — зависимость между напряжением, подводимым к проводнику, и силой тока в нем (обычно выраженная в виде графика).

Для металлического проводника, например, сила тока в нем пропорциональна приложенному напряжению, и поэтому характеристика представляет собой прямую линию. Чем круче идет прямая, тем меньше сопротивление проводника. Однако некоторые проводники, в которых ток не пропорционален приложенному напряжению (например, газоразрядные лампы), имеют более сложную, не прямолинейную вольтамперную характеристику.

Если же для элемента электрической цепи зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление R, непостоянны, то есть изменяются в зависимости от тока или от приложенного напряжения, то такие элементы называются нелинейными, и соответственно электрическая цепь, содержащая минимум один нелинейный элемент, окажется нелинейной электрической цепью.

Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента уже не является прямой линией на графике, она непрямолинейна и часто несимметрична, как например у полупроводникового диода. Для нелинейных элементов электрической цепи закон Ома не выполняется.

В данном контексте речь может идти не только о лампе накаливания или о полупроводниковом приборе, но и о нелинейных индуктивностях и емкостях, у которых магнитный поток Ф и заряд q нелинейно связаны с током катушки или с напряжением между обкладками конденсатора. Поэтому для них вебер-амперные характеристики и кулон-вольтные характеристики будут нелинейными, они задаются таблицами, графиками или аналитическими функциями.

Пример нелинейного элемента — лампа накаливания. С ростом тока через нить накаливания лампы, ее температура увеличивается и сопротивление возрастает, а значит оно непостоянно, и следовательно данный элемент электрической цепи нелинеен.

Такой подход делает возможным простейший анализ и расчет простых нелинейных цепей.

На рисунке выше показана ВАХ типичного диода. Она располагается в первом и в третьем квадрантах координатной плоскости, это говорит нам о том, что при положительном или отрицательном приложенном к p-n-переходу диода напряжении (в том или ином направлении) будет иметь место прямое либо обратное смещение p-n-перехода диода. С ростом напряжения на диоде в любом из направлений ток сначала слабо увеличивается, а после резко возрастает. По этой причине диод относится к неуправляемым нелинейным двухполюсникам.

Это ВАХ тиристора, здесь видна ее явная зависимость от величины тока управляющего электрода. В первом квадранте — рабочий участок тиристора. В третьем квадранте начало ВАХ — малый ток и большое приложенное напряжение (в запертом состоянии сопротивление тиристора очень велико). В первом квадранте ток велик, падение напряжения мало — тиристор в данный момент открыт.

Момент перехода из закрытого — в открытое состояние наступает тогда, когда на управляющий электрод подан определенный ток. Переключение из открытого состояния — в закрытое происходит при снижении тока через тиристор. Таким образом, тиристор — это управляемый нелинейный трехполюсник (как и транзистор, у которого ток коллектора зависит от тока базы).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Построение вольт-амперной характеристики проводника

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.Получить представление о том, что такое вольт-амперная характеристика физического прибора. Научиться строить и читать вольт-амперную характеристику.

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Макетная плата, миллиамперметр, вольтметр, источник тока, резистор, лампа накаливания, соединительные провода.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Зависимость между силой тока I в участке цепи, приложенным к нему напряжением U и сопротивлением R этого участка определяется законом Ома:

. (1)

Такой способ выражения зависимости называется аналитическим. Но существует и другой способ – графический. Строится график зависимости силы тока I от напряжения U. Этот график называется вольт-амперной характеристикой прибора, сокращенно ВАХ. Такой способ представления зависимости является более наглядным. Но это при условии, что Вы умеете читать вольт-амперную характеристику прибора. ВАХ дает представление об особенностях прибора, с ее помощью можно определять ряд параметров прибора, например, сопротивление R прибора. Если сопротивление прибора является постоянной величиной, не зависит от силы тока и напряжения, то зависимость (1) является линейной, ВАХ представляет собой прямую линию, тангенс угла наклона которой обратно пропорционален сопротивлению прибора. Но чаще всего эта зависимость у физических приборов оказывается более сложной, например, у лампы накаливания.

Для построения ВАХ необходимо измерять значения силы тока I, соответствующие различным значениям приложенного напряжения U. Для удобства показания измерительных приборов (амперметра и вольтметра) заносят в специальную таблицу, а по ним строят график: в выбранных масштабах по горизонтальной оси откладывают значения напряжения U, а по вертикальной оси – соответствующие значения силы тока I. Полученные точки соединяют плавной линией. Разброс точек относительно плавной линии должен быть симметричным. Такой разброс объясняется неизбежными инструментальными ошибками при измерении тока и напряжения. Чем больше ошибки, тем больше разброс точек.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

4.1. Собрать электрическую цепь согласно схемы, представленной на рис.1. Физический прибор (резистор, лампа накаливания, диод) выдается лаборантом. Реостат служит для изменения напряжения на исследуемом физическом приборе.

4.2. Измерьте напряжение U, приложенное к прибору, и силу тока I, протекающего через прибор. Напряжение меняйте с определенным шагом (по указанию лаборанта), перемещая ползунок реостата. Результаты измерений записать в таблицу 1.

4.3. Постройте ВАХ физического прибора. Масштаб выбирается такой, чтобы координаты экспериментальных точек легко определялись, максимальные значения тока и напряжения находились на концах осей. Длина осей по горизонтали (ось напряжений) – не менее 10 см, по вертикали (ось токов) – не менее 8 см. График должен занимать примерно половину страницы лабораторного журнала.

4.4. Используя закон Ома, рассчитайте сопротивление R для каждого измеренного значения напряжения U, полученные значения занесите в таблицу 1. Постройте график зависимости R(U). Придерживайтесь правил построения графиков, изложенных в пункте 4.3.

ВЫВОД

В выводе сделайте анализ полученной ВАХ прибора, полученной зависимости R(U).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Каким прибором измеряется сила тока, протекающего через элемент электрической цепи? Как этот прибор включается относительно данного элемента?

6.2. Каким прибором измеряется напряжение, приложенное к элементу электрической цепи? Как этот прибор включается относительно данного элемента?

6.3. Сформулируйте закон Ома для однородного участка электрической цепи.

6.4. Объясните назначение отдельных элементов электрической цепи, используемой в данной лабораторной работе.

6.5. Что такое ВАХ физического прибора?

6.6. Как, используя ВАХ, можно определить какой ток будет протекать через физический прибор при данном напряжении?

6.7. Как, используя ВАХ, можно определить сопротивление физического прибора при данном значении напряжения, при данном значении силы тока?

6.8. Какой вид имеет ВАХ физического прибора, сопротивление которого постоянно?

6.9. Какой вид имеет ВАХ физического прибора, сопротивление которого монотонно возрастает с увеличением тока?

6.10. Какой вид имеет ВАХ физического прибора, сопротивление которого монотонно убывает с увеличением тока?

Источник

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, проте-

кающего через электронный прибор, от приложенного напряжения. Вольт-

амперной характеристикой называют также и график этой зависимости.

Приборы, принцип действия которых подчиняется закону Ома, а ВАХ

имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называют ли-

нейными. Приборы, для которых ВАХ не является прямой линией, проходя-

щей через начало координат, называются нелинейными. Диод представляет

собой пассивный нелинейный электронный прибор.

Вольт-амперная характеристика диода описывается выражением

где I₀ – тепловой ток (обратный ток, образованный за счет неосновных но-

сителей); Uд – напряжение на p-n-переходе; ϕт – тепловой потенциал, рав-

ный контактной разности потенциалов на границе p-n-перехода при отсут-

ствии внешнего напряжения (при T = 300 K, ϕт = 0,025 В).

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе пря-

мой ток резко возрастает по экспоненте. При отрицательных значениях на-

пряжения менее 0,1 В в выражении (1) пренебрегают единицей, и обратный

ток диода определяется значением теплового тока и на несколько порядков

меньше прямого тока. В этом проявляются вентильные свойства диода, ко-

торые выражены тем сильнее, чем меньше обратный ток при заданном об-

ратном напряжении и чем меньше прямое напряжение при заданном прямом

токе. Поэтому ВАХ имеет вид, приведенный на рисунке 3.

Рассмотренная характеристика являет-

ся теоретической ВАХ диода. Она не учи-

процессы, происходящие в объеме и на

поверхности p-n-перехода, считая его бес-

конечно тонким и длинным. ВАХ реаль-

ного диода имеет вид, приведенный на

рисунке 3 (сплошная линия).

Характеристика для прямого тока

вначале имеет значительную нели-

нейность, так как при увеличении

напряжения сопротивление запираю-

щего слоя уменьшается, поэтому кри-

вая идет вверх со все большей кру-

тизной. Но при некотором значении

напряжения запирающий слой прак-

тически исчезает и остается только

сопротивление n- и p-областей, кото-

рое приближенно можно считать по-

стоянным, поэтому далее характери-

стика становится почти линейной.

Небольшая нелинейность здесь объ-

ясняется тем, что при увеличении

Рисунок 3 – Теоретическая

и реальная ВАХ диода

тока n- и p-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро

возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении

за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается

диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Сле-

довательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем по-

вышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока проис-

ходит вследствие нагрева перехода за счет утечки по поверхности, а также

за счет лавинного размножения носителей заряда, то есть увеличения числа

носителей заряда в результате ударной ионизации.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-

перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление за-

пирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и

тепловой пробой. Электрический пробой (участок абв) является обратимым,

то есть при этом пробое в переходе не происходит разрушение структуры

полупроводника. При электрическом пробое обратный ток увеличивается

при практически неизменном обратном напряжении и при уменьшении на-

пряжения работоспособность диода восстанавливается. При тепловом про-

бое рост обратного тока сопровождается уменьшением напряжения.

Имеется два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей

за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов

сильным электрическим полем. Этот вид пробоя характерен для p-n—

перехода большой толщины. Пробивное напряжение составляет десят-

ки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта, кото-

рый состоит в том, что в p-n-переходе малой толщины при больших значе-

ниях напряженности электрического поля некоторые электроны проникают

через переход без изменения своей энергии. Напряжение, соответствующее

этому виду пробоя, обычно не превышает единиц вольт.

В режиме электрического пробоя работают специальные диоды – стаби-

литроны; для прочих видов диодов режим пробоя является аварийным. Если

при пробое ток в цепи не ограничить, диод выходит из строя. В таких при-

борах при увеличении (по модулю) обратного напряжения практически сра-

зу начинается тепловой пробой.

Области теплового пробоя соответствует участок вг. Тепловой пробой

необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в

месте p-n-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устой-

чивости теплового режима p-n-перехода. Это означает, что количество теп-

лоты, выделяющееся в переходе от нагрева его обратным током, превышает

количество теплоты, отводимое от перехода. В результате температура пере-

хода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что

приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Источник