Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием "дырок", называются полупроводниками p - типа.Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называются акцепторными,т. к. они захватывают электроны.
Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводимости называется электронно-дырочным или р-n - переходом.Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. в месте контакта возникает односторонняя проводимость тока, ток хорошо проходит в одном направлении и почти не проходит в обратном. Это происходит вследствие того, что в полупроводниках концентрация свободных электронов мала, возникающие в месте контакта ионы проникают на значительную глубину в полупроводники и перераспределяют свободные носители заряда в области контакта.
Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или нескольких р-n - переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.
Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. При этом положительные "дырки"диффундируют в n - полупроводник и нейтрализуют часть электронов. Свободные электроны из n - полупроводника также диффундируют в р - полупроводник, нейтрализуя часть "дырок".
рис.1.1.
В результате, правый полупроводник оказывается заряженным положительно, левый - отрицательно, возникает контактная разность потенциалов
UK = jn—jp (см. рис. 1.1) препятствующая дальнейшему перемещению электронов и "дырок" через границу раздела. В р-n - переходе возникает слой d, называемый "запирающим", обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов p- и n- полупроводников.
Приложим к рассматриваемому р-n - переходу разность потенциалов. Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р- типа, а отрицательным полюсом к полупроводнику
n- типа.
В этом случае внешняя разность потенциалов будет уменьшать контактную разность потенциалов. Электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи, “дырки”- к отрицательному, по цепи пойдет большой ток, который называется прямымтоком (см. рис. 1.2).
рис.1.2.
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области p-, а отрицательным к области n- . Под действием такого обратного напряжения Uобр через переход протекает очень небольшой обратныйток Iобр, величина которого в этом случае будет очень мала и обусловлена тепловой диффузией электронов и "дырок"(см. рис. 1.3).
рис.1.3.
График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикойданного прибора. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рисунке 1.4.
рис.1.4.
Вольтамперная характеристика показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Прямое сопротивление бывает не выше нескольких десятков Ом.
Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен КОм и больше.
Характеристика для прямого тока имеет значительную нелинейность, так как при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет с все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слей практически исчезает и остается только сопротивление n- и р- областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому дальше характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n- и р- области нагреваются, и от этого их сопротивление уменьшается.
Обратный ток при увеличении обратного напряжения вначале быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако, при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. При некотором значении обратного напряжения возникает пробой n-р - перехода, при котором обратный ток резко возрастает, и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.
Если внешнюю батарею в рассмотренных случаях заменять источником переменного тока, то в течение одного полупериода будет наблюдаться значительный ток, в течение другого - очень малый, т. е. система будет служить выпрямителем.
Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока.
Поскольку полупроводниковые диоды, которые представляют собой электронно-дырочный переход, хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят ток в обратном, то они могут использоваться для выпрямления переменного тока. Простейшая схема выпрямителя переменного тока показана на рисунке 1.5.
рис.1.5.
Эта схема называется однополупериодным выпрямителем. Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. От вторичной обмотки трансформатора Тр на вход схемы подается переменное напряжение U2 (см. рис. 1.6а).
Рис.1.6.
При действии на входе полуволны переменного напряжения положительной полярности, зажим Т1 (см. рис. 1.5) будет положителен по отношению к зажиму Т2, во время этого полупериода напряжение для диода является прямым, и через него проходит ток, создающий на нагрузочном резисторе RH падение напряжения UR. В течение следующего полупериода изменения входного напряжения потенциал зажима Т1 отрицательный, а зажима Т2 - положительный. Поэтому напряжение для диода является обратным, тока практически нет UR = 0. Таким образом, через диод и нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутком также в полпериода (см. рис. 1.6б).
Другие, более сложные схемы для выпрямления переменного тока представляют собой комбинацию нескольких однополупериодных схем.
Рассмотрим двухполупериодный выпрямитель. Одна из возможных схем которого показана на рисунке 1.7. От вторичной обмотки трансформатора Тр подается переменное напряжение на два выпрямляющих диода.
На рисунке 1.7 два выпрямляющих диода имеют общую точку, с которой снимается выпрямленное напряжение.
Рис.1.7.
Когда между верхним выводом Т1 вторичной обмотки и средней точкой Тс действует положительная полуволна переменного напряжения (см. рис. 1.8а), то электроны будут протекать через диод D1, в то время как диод D2 заперт. Когда же между нижним выводом обмотки Т2 и средней точкой Тс действует положительная полуволна напряжения, диод DI закрыт, а диод D2 проводит ток, протекающий в направлении от нижнего вывода Т2 вторичной обмотки через цепь нагрузки и замыкает через общий провод. Таким образом, в течение каждого полупериода переменного напряжения формируется импульс выпрямленного тока (см. рис. 1.8б).
Рис.1.8.
Устройство выпрямления можно строить на основе мостовых схем. Мостовая схема применяется в тех случаях, когда требуется производить двухполупериодное выпрямление. В выпрямителе мостового типа используются четыре полупроводниковых диода, включенных по мостовой схеме. Типичной схемой такого рода является схема диодного выпрямителя, показанная на рис.1.9.
Рис.1.9.
В этой схеме переменное напряжение, прикладываемое к противоположным узлам диодного моста, преобразуется в пульсирующее выпрямленное напряжение, снимаемое с двух других узлов.
При действии на входе полуволны переменного напряжения (см. рис. 1.8а) положительной полярности, зажим Т1 (см. рис. 1.9) будет положителен по отношению к зажиму Т2. В этом случае электроны поступают на зажим Т2 и выводятся через зажим Т1. Электроны от зажима Т2 поступают на узел с диодами D3, D4, причем, только D3 имеет нужное для проводимости направление включения.
Поэтому электроны движутся, пройдя через этот диод, к узлу с диодами D3 и D1. Полярность напряжения, приложенного к диоду D1, является запирающей, так что электроны от этого узла поступают на резистор RH. При протекании тока через резистор, на последнем возникает падение напряжения UR. После прохождения через резистор электроны достигают узла с диодами D2 и D4. Но только на диоде D2 действует отпирающее напряжение, позволяющее электронам двигаться к выводам Т1, потенциал которого положителен при данной полуволне переменного тока. Диод D4 заперт, так как потенциал Т2 отрицателен.
В течение следующего полупериода изменения входного напряжения потенциал зажима Т1 отрицательный, а зажима Т2 - положительный. Поэтому электроны от зажима Т1 перемещаются к узлу с диодами D1 и D2, и, поскольку нужную для проводимости полярность имеет лишь диод D1, электроны проходят через этот диод и опять поступают на резистор RН создавая на нем падение напряжения той же полярности, что и в первом случае.
Далее электроны, как и прежде, поступают на узел с диодами D2 и D4, и к зажиму Т2 они проходят через диод D4.
Таким образом, мостовой выпрямитель обеспечивает двухполупериодное выпрямление.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в выпрямителях применяют специальные сглаживающие фильтры. В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсатора и больше сопротивление дросселей, а, следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр. Простейшая схема для сглаживания пульсаций с применением фильтра в виде конденсатора С, шунтирующего резистор нагрузки RH приведена на рисунке 1.10.
Рис.1.10.
Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку RН и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается, и его напряжение снова возрастает.
Рис.1.11.
Разрядка конденсатора через сравнительно большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее рис.1.11. Вследствие этого, напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно.
II. Описание опытной установки
В лабораторной работе для изучения полупроводниковых приборов используется универсальный лабораторный стенд, который является источником переменного напряжения. Электрическая схема, необходимая для выполнения эксперимента, смонтирована на сменной плате. Наблюдение осциллограмм при изучении различных схем выпрямителей переменного тока осуществляется при помощи осциллографа.
Объектом исследования в данной работе являются полупроводниковые кремниевые диоды.
Диоды, резисторы и конденсаторы, необходимые для выполнения эксперимента, смонтированы на специальной сменной плате. Принципиальная электрическая схема сменной платы приведена на рисунке 1.12, а схема расположения электрических элементов и внешний вид сменной платы приведены на рисунке 1.13.
Рис.1.12
Рис.1.13.
На сменной плате (рис. 1.13) расположены полупроводниковые кремниевые диоды Dl, D2, D3, D4, необходимые для изучения различных схем выпрямления переменного тока. Постоянные резисторы R1 и R2 являются нагрузочными сопротивлениями в исследуемых схемах.
На сменной плате расположены конденсаторы С1 и C2, необходимые для сглаживания выпрямленного напряжения. Переключатели К2 и КЗ предназначены для поочередного подключения конденсаторов в исследуемую цепь. При помощи переключателя К1, установленного на сменной плате, осуществляется подключение к источнику переменного напряжения одной из двух возможных электрических схем. В верхнем положении переключателя К1 (рис. 1.13) (положение 1-2 на рис. 1.12) реализуется схема для изучения двухполупериодного мостового выпрямителя, а в нижнем положении переключателя К1 (рис. 1.13) (положение 1-3 на рис. 1.12) — схема для снятия вольт-амперной характеристики и изучения однополупериодного выпрямителя. На сменной плате имеется ряд дополнительных гнезд 1-5 для монтажа схем.
