Исследование полупроводниковых выпрямителей
Приборы и принадлежности:селеновые, германиевые и меднозакисные выпрямители, амперметры, вольтметр, реостат, переключатель, источник тока.
Цель работы:исследовать зависимость силы тока, проходящего через пластину выпрямителя, от величины и направления приложенного напряжения; снять вольт-амперную характеристику; определить коэффициент выпрямления.
Теоретическое введение
В отношении электропроводящих свойств все вещества делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.
В металлах (проводники первого класса) концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току незначительно.
В диэлектриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков значительно.
В отношении электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками: удельное сопротивление металлов порядка 108 -10б Омм, диэлектриков 1010 Омм.
Характерной особенностью полупроводников является то, что электрические свойства резко меняются под действием ряда факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей.
К полупроводникам относятся окислы и сульфиды металлов, а также некоторые интерметаллические соединения.
Классическая электронная теория не может полностью объяснить свойства полупроводников. Дело заключается в том, что проводимость полупроводников не исчерпывается электронной проводимостью.
Рассмотрим два примера:
1. Пусть в кристалле германия Ge имеется в виде примеси атом (рисунок 1) сурьмы. Атом германия четырехвалентен и имеет на внешней электронной оболочке четыре электрона. Валентность сурьмы равна пяти. Поэтому замена атома германия атомом сурьмы приведет к появлению избыточного электрона. Таким образом, атомы сурьмы добавляют в решетку германия избыточные электроны, причем в целом кристалл остается электрически нейтральным.
При низких температурах эти электроны притягиваются положительными ионами сурьмы; при повышении температуры до комнатной вследствие тепловых колебаний решетки, связь электрона с атомом сурьмы нарушается и он становится свободным.
Полупроводники, проводимость которых обусловлена избыточными электронами, называются полупроводниками n-типа.
Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются донорными (донорами).
2. Примером полупроводников с проводимостью иного типа может служить тот же кристалл германия, но с примесью бора (рисунок 2). Атом бора трехвалентен. Вследствие структуры кристаллической решетки, обусловленной четырьмя валентными связями, атом бора захватывает один электрон у соседнего атома германия. Последний в свою очередь может захватить электрон у другого атома германия и т.д.
Такое последовательное "перескакивание" электронов, очевидно, эквивалентно движению в противоположную сторону положительного заряда, равного по величине заряду электрона.
Дело обстоит так, будто перемещается "место электрона" - положительно заряженная "дырка".
Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием "дырок" ("дырочная проводимость") называются полупроводниками р-типа.
Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называются акцепторными (акцепторами), так как они захватывают электроны.
Некоторые типы проводников обладают одновременно обоими типами проводимости.
Рассмотрим механизм выпрямления тока на границе полупроводников. При отсутствии внешнего тока (рисунок За) положительные "дырки" диффундируют в n-полупроводник и нейтрализуют часть электронов. Свободные электроны из n-полупроводника также диффундируют в p-полупроводник, нейтрализуя часть дырок. В результате правый полупроводник оказывается заряженным положительно, левый - отрицательно, возникает контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшему перемещению электронов и дырок через границу.
Приложим к рассмотренной системе разность потенциалов - плюс"+" к полупроводнику p-типа, минус"-" к полупроводнику n-типа (рисунок Зб).
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 (прямой ток).
Если поменять полярность внешней батареи, то приложенное поле стремится оттянуть заряды обоих типов от границы, создавая в области контакта обедненную свободными зарядами зону (рисунок 3в).
Величина тока в этом случае будет мала и обусловлена тепловой диффузией электронов и дырок (обратный ток).
С известной степенью приближения зону, обедненную свободными зарядами, можно уподобить диэлектрику.
Проводники могут выдерживать возрастающее обратное напряжение до наступления пробоя порядка 108 В/м.
Если внешнюю батарею заменить источником переменного тока, то на рассматриваемом участке цепи в течение одного периода будет наблюдаться значительный ток, в течение другого полупериода - очень малый, т.е. система будет служить выпрямителем.
Кривая зависимости тока I от напряжения U, приложенного к выпрямителю, называется его вольт-амперной характеристикой(рисунок 4).
Рассмотрим устройство выпрямителей:
Меднозакисный выпрямитель (рисунок 5а) состоит из контактного электрода 1 (цинковая или алюминиевая пластинка), слоя полупроводника -закиси меди 2 и медного электрода 3.
Селеновый выпрямитель принципиально ничем не отличается от меднозакисного (рисунок Зб). Контактным электродом является никелевая или алюминиевая пластинка 1, слой полупроводника - это тонкий слой селена 2, второй электрод это сплав кадмия, висмута и олова 3. Выпрямление происходит на границе слоя селена с электродом 3.
Свойства выпрямителей характеризуются коэффициентом выпрямления, который равен отношению прямого тока Iпр к обратному Iоб, измеренным при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях.
. (1)
Каждая меднозакисная пластина позволяет выпрямлять переменный ток напряжением 10-25 вольт, а селеновая около 10 вольт. Для получения более высоких выпрямленных напряжений выпрямительные пластины собираются последовательно из расчета 20-25 В на каждую из пластин.
Порядок выполнения работы
1. Установить тумблер на прохождение прямого тока в цепи.
2. При различных значениях напряжения, отличающихся на 1 В, определить значения силы тока. Показания приборов (вольтметра и амперметра) занести в таблицу.
3. Переключить тумблер на прохождение обратного тока в цепи.
4. Устанавливая те же значения напряжения, что и в п.2, определить значения обратной силы тока. Занести их в таблицу.
5. Рассчитать коэффициент выпрямления по формуле (1).
6. По данным таблицы построить график зависимости (1),называемый вольт-амперной характеристикой.
Таблица измерений
| № п/п | Iпр (mA) | Uпр (B) | Iоб (mA) | Uоб (B) | K |
Рисунок 1 Рисунок 2
а) p n Iпр
б) p n
 |
Uоб Uпр
в) p n
 |
Iоб
Рисунок 3 Рисунок 4
Рабочая схема
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков по своим электрическим свойствам. Объясните механизм электрической проводимости полупроводников.
2.Объясните зависимость проводимости полупроводников от температуры.
3.Что называется р-n переходом? Объясните роль р-n перехода в выпрямлении переменного тока.
4.Объясните устройство меднозакисного, германиевого и селенового выпрямителей.
5.Что называется коэффициентом выпрямления?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА