Принцип действия р-n-перехода

Лабораторная работа 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Цель работы

Исследовать электрические свойства полупроводникового диода и работу выпрямительных схем с фильтрами для получения постоянного электрического тока от источника переменного тока.

Теоретические сведения

Назначение выпрямителей тока

Выпрямители тока служат для преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного тока (т.е. имеющего постоянную полярность и величину ЭДС).

Как правило, такое преобразование осуществляется с определенными потерями энергии (КПД колеблется от 10 до 80 % в зависимости от конструкции выпрямителя).

Процесс выпрямления базируется на свойстве односторонней проводимости диодов, вентилей. Кроме них, выпрямитель содержит силовой трансформатор, сглаживающий фильтр низких частот, элемент коммутации, индикации, иногда автоматического регулирования (стабилизации) выходного напряжения (или тока) и защиты от перегрузки и саму нагрузку (потребитель электроэнергии).

Принцип действия р-n-перехода

Чаще всего в качестве выпрямительных вентилей используются полупроводниковые диоды, базирующиеся на р-n-переходе.

При введении в полупроводниковый кристалл примесных атомов его проводимость резко возрастает. В зависимости от характера примеси (донорная или акцепторная) полупроводник приобретает электронную или дырочную проводимость.

Если в полупроводниковой пластине создать два слоя - один с электронной, а второй с дырочной проводимостью, то между ними образуется электронно-дырочный переход, обладающий вентильными свойствами.

Так как концентрация электронов в n-области намного больше концентрации электронов в р-области, то образующийся значительный градиент способствует диффузии электронов в р-область. Вблизи границы раздела они рекомбинируют (взаимоуничтожаются) с дырками. Каждый из диффундировавших электронов (носитель отрицательного заряда) создает перераспределение заряда на границе р-n-перехода.

По аналогичной причине происходит диффузия дырок в n-область. В результате на границе раздела слоёв р- и n- образуются области, обеднённые основными носителями.

Нескомпенсированные положительные донорные ионы ("дырки") в n-области у границы перехода и нескомпенсированные отрицательные акцепторные ионы (электроны) в р-области (тоже вблизи границы) создают дипольный слой с электрическим полем, направленным от n- к р-области.

Создаваемый этим полем скачок потенциала (потенциальный барьер) препятствует дальнейшей (т.е. свободной) диффузии основных носителей.

В результате устанавливается динамическое равновесие между р- и n-областями, при котором область около перехода обеднена основными носителями и образуются устойчивые слои объемного заряда. Общий ток через р-n-переход в этом случае равен нулю. Это верно, если к р-n-переходу не приложено внешнее напряжение.

Если р-n-переход включен в прямом направлении (рис. 1а), то при этом за счет внешнего напряжения U_d потенциальный барьер между р-n-областями снижается и ток через р-n-переход резко возрастает ( до того существовал лишь дрейфовый ток неосновных носителей, т.е. электронов из р-области в n-область и "дырок" из n-области в р-область).

При обратном включении (рис. 1б) потенциальный барьер повышается и через прибор протекает ток, на несколько порядков меньший, чем при прямом включении. Этот ток называют обратным, или тепловым, током р-n-перехода. Величина обратного тока существенно зависит от температуры окружающей среды (с ростом температуры он растёт).

Описанным свойствам р-n-перехода соответствует вольтамперная характеристика конкретного, германиевого, диода Д7 (для лучшего отображения масштабы I_обр и U_обр изменены).