Изучение работы полупроводниковых выпрямителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение работы полупроводниковых выпрямителей

1. Теория выпрямления

Контакт двух металлов, полупроводников или металла с полупроводником обладает выпрямляющим действием. Это значит, что сопротивление такого контакта зависит от направления проходящего через него тока: в одном направлении (запорном) оно велико, противоположном (пропускном) - мало. Особенно резко выпрямляющее действие выражено на границе дырочного ( p ) и электронного ( n ) полупроводников. О таком контакте говорят как об электронно-дырочном (p-n) - контакте или переходе. Хорошие р-n -переходы не удается получить, прижимая один полупроводник к другому, из-за шероховатости поверхностей тел. Для получения хороших р-n -переходов в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси: донорную, которая сообщает полупроводнику электронную проводимость и акцепторную, которая сообщает ему дырочную проводимость. Распределяют примеси таким образом, чтобы в одном конце пластинки имелся избыток одной примеси, а в другом конце - избыток другой. С точки зрения зонной теории проводимости границы энергетических зон в обоих полупроводниках совпадают.

Но примесные (промежуточные) уровни в запрещенной зоне расположены в электронном полупроводнике вблизи зоны проводимости, а в дырочном вблизи валентной зоны. Благодаря этому средняя энергия электрона проводимости и уровень ферми ЕF в первом полупроводнике будет выше, чем во втором полупроводнике.

Если полупроводники приведены в контакт, то электроны в большом количестве будут переходить из первого полупроводника во второй (и там рекомбинировать с дырками), а дырки из р - области будут переходить в n - область (и рекомбинировать с электронами). В тонком слое между полупроводниками появляется контактное

4 электрическое поле, направленное от электронного к дырочному полупроводнику. В результате этого энергетические уровни электронного полупроводника начнут опускаться, а дырочного - подниматься. Контактное электрическое поле будет тормозить переход электронов из электронного в дырочный полупроводник. Процесс перехода электронов прекратится, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках сделаются одинаковыми (рис. 1,б). Контактное электрическое поле выталкивает электроны проводимости в глубь электронного, а дырки - в глубь дырочного полупроводника, в результате переходный слой на границе полупроводников оказывается сильно обедненным обоими носителями тока: и электронами и дырками. Поэтому, несмотря на малую толщину (порядка 10 -4 - 10-6 см) электрическое сопротивление переходного слоя оказывается очень большим.

Допустим теперь, что наложено внешнее электрическое поле Е, направленное от электронного полупроводника к дырочному, т.е. одинаково с контактным полем ЕK. Такое поле еще больше уменьшает концентрацию дырок и электронов проводимости в переходном слое, т.е. практически через контакт нет движения основных носителей тока. Сопротивление контакта возрастает, ток не идет. Если внешнее электрическое поле Е будет направлено против контактного поля Еk, то электроны проводимости и дырки будут беспрепятственно переходить через переходный слой (рис. 2,б). При достижении напряжения, равного по величине (но противоположного по знаку) контактной разности потенциалов, сопротивление последнего уменьшится, так что сопротивление выпрямителя будет равно омическому сопротивлению полупроводника. Дальнейшее увеличение тока будет происходить по линейному закону. Это направление поля соответствует пропускному или прямому направлению.

5 Нужно заметить, что в любом полупроводнике, помимо основных носителей тока, имеется малое количество неосновных (в электронных полупроводниках есть и дырки, а в дырочных - электроны). Ток неосновных носителей направлен навстречу основным носителям, но он мал ввиду малой концентрации неосновных носителей.

Таким образом, контакт двух полупроводников обладает односторонней проводимостью или вентильным свойством и имеет вследствие этого нелинейную вольтамперную характеристику. При включении переменного тока такие контакты действуют как выпрямители.

Теоретические вычисления зависимости тока от напряжения приводят к формуле вида

I = I0 ( e ЬUe - 1 ) ,

где I0 - константа, зависящая от свойства полупроводника и контактной разности потенциалов, UC - разность потенциалов, приложенная к запорному слою, Ь =?_e/kT, где e- заряд электрона, k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, ? - коэффициент, зависящий от строения запорного слоя; при комнатной температуре для однородного тонкого слоя ( ?= I), Ь = 40В??.

Так как последовательно с запорным слоем всегда имеется слой полупроводника, а практически измеряется полное падение напряжения на выпрямителе (а не на запорном слое), то формулу (I) следует записать в виде

I =I0 (e Ь(U-IRs) - 1 ),

где U - напряжение, приложение ко всему выпрямителю, IRs -

6 падение напряжения на слое полупроводника с сопротивлениемRs. Согласно формулам (1) и (2) в прямом направлении (Uc> 0) при достаточно большом напряжении величина eЬUc >>1, U?Uc и зависимость тока от напряжения может быть записана в виде

I = I0 eЬUc = I0 eЬU,

т.е. ток растет экспоненциально с увеличением напряжения.

При еще большем напряжении, когда падение напряжения на толще слоя проводника становится соизмеримым с падением напряжения на выпрямителе, характеристику следует записывать в виде

I = I0 eЬ(U-IRs) .

При большом прямом токе характеристика становится линейной, т.е. дифференциальное сопротивление выпрямителя стремится к постоянной величине, что следует из формулы

R = dU/dI = ( dI/dU)-1 = (I Ь)-1 + Rs ,

которую можно получить, дифференцируя (2) по U и исключая из производной dI/dU напряжение U с помощью выражения (2).

Зависимость в виде формулы (3) удобна для сравнения с экспериментальными характеристиками. Построение экспериментального графика в системе координат ( ln I ; U ) должно дать прямую

ln I = ln I0 + ЬU

с угловым коэффициентом если теоретический характер зависимости совпадает с экспериментальным, и можно пренебречь падением напряжения в толще полупроводника.

В обратном направлении с увеличением напряжения согласно формулам (1) или (2) сила тока стремится к насыщению, т.е. к постоянной величине I0. На опыте сила тока в обратном направлении при малых напряжениях увеличивается с замедлением, сопротивление при этом растет. Однако с некоторого достаточно высокого

7 напряжения начинается быстрое возрастание обратного тока, что объясняется эффектами сильного поля, возникающими в запорном слое (возникает электрический пробой полупроводника).

2. Селеновый выпрямитель

Селеновый выпрямитель, схематический разрез которого представлен на рис. 4, состоит из двух различных металлических электродов и тонкого слоя кристаллического селена заключенного между ними. Слой селена 3 имеет толщину 0,05 - 0,1 мм. Одним из электродов является железная шайба 1., покрытая слоем никеля 2, она обычно называется контактным электродом. Второй электрод представляет собой тонкий слой, например, тройного сплава легко плавких металлов кадмия, висмута и олова и называется вентильным электродом (4). На границе вентильного электрода и селена возникает запирающий слой 5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Медно-закисный выпрямитель принципиально ничем не отличается от селенового. Он состоит из контактного электрода (цинковая или алюминиевая пластинка), слоя полупроводника - закиси меди и медного электрода. ток напряжение выпрямитель вольтамперный

3. Характеристики выпрямителя

Свойства выпрямителя характеризуется: коэффициентом выпрямления, внутренним сопротивлением, коэффициентом полезного действия.

Коэффициент выпрямления равен отношению прямого тока Iпр к обратному Iобр, измеренным при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях

K = ( Iпр / Iобр ) при U

Внутреннее сопротивление выпрямителя вычисляют по формуле

Причем ?U и ?I находятся на прямолинейном участке вольтамперной характеристики.

Сопротивление постоянному току можно вычислить по формуле в данной точке вольтамперной характеристики.

4. Выпрямители электрического тока

Выпрямитель электрического тока - это устройство для преобразования переменного тока в постоянный с использованием электрических вентилей (в частности - полупроводниковых диодов) простейшей является схема однополупериодного выпрямления

Переменное напряжение Uвх, изменяющееся со временем согласно кривой б , подается на вход выпрямителя между точками А и Б схемы. Вентиль В ток пропускает через нагрузку R в течение только одной половины периода. Поэтому выходное напряжение Uвых , снимаемое с сопротивление R , изображается кривой ( в ), т.е. на выходе получаем пульсирующее напряжение одного знака, в котором имеются значительные переменные составляющие, что и является недостатком схемы.

Чтобы избавиться от пульсаций между вентилем и нагрузкой включают сглаживающие фильтры. Простейший из них представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (пунктир на рис. 6,а). При нарастании напряжения конденсатор быстро заряжается, затем, при уменьшении входного напряжения, медленно разряжается через нагрузочное сопротивление R . В результате на выходе получается напряжение, изображаемое кривой г. Пульсации напряжения тем меньше, чем больше постоянная времени цепи RC.

Полпериода ток проходит через вентиль 1, а полпериода - через вентиль 2, причем каждая из двух половин обмотки трансформатора Tp нагружена током только в течение полупериода.

Часто для выпрямления переменного тока применяют двухполупериодную мостовую схему, в которой при одном направлении переменного напряжения ток проходит через вентиль 1, нагрузку R и вентиль 3, а при обратном направлении напряжения ток проходит через вентили 2 и 4 и нагрузку R в том же направлении. Причем частота пульсации напряжения на выходе в 2 раза больше, чем на входе. Пульсации сильно уменьшаются, а частота их значительно возрастает при многофазном выпрямлении. Для уменьшения пульсаций между выпрямителем и приемником часто включаются сглаживающие электрические фильтры, что, однако создает дополнительные потери.

Снятие вольтамперных характеристик в прямом направлении

1. Тумблеры «сеть», «выпрямитель», «осциллограф» поставить в положение «выкл.».

2. Ползунки на реостатах подвинуть к себе до упора.

3. Установить переключатели пределов приборов согласно таблице 1:

4. После проверки схемы преподавателем или лаборантом включить тумблеры «сеть», «выпрямитель». Переключатель источника поставить в положение «Iпр».

5. Снять вольтамперные характеристики диодов (по указанию преподавателя), изменяя напряжение ползунками реостатов и следя, чтобы ток не превышал максимально допустимого значения, указанного в таблице 1.

Данные занести в таблицу 2:

6. По полученным данным построить графики I= f (u) и определить внутреннее сопротивление диодов на прямолинейном участке характеристик:

R = ?U/?I. .

1. Тумблеры «сеть», «выпрямитель» поставить в положение «выкл.».

2. Ползунки на реостатах подвинуть в себе до упора.

3. Собрать схему согласно рис. 10.

4. Установить переключатели пределов приборов согласно таблице 1. Переключатель источника тока поставить в положение «Iобр».

5. После проверки схемы преподавателем или лаборантом включить шнур в сеть, включить тумблеры «сеть», «выпрямитель» и снять зависимость обратного тока через диод от напряжения. Данные занести в таблицу.

6. По полученным данным построить зависимость I = f (U).

7. Вычислить коэффициент выпрямления по формуле 7.

Снятие характеристик дида с нагрузкой

1. Тумблеры «сеть», «выпрямитель» поставить в положение «выкл».

2. Ползунки на реостатах подвинуть в себе до упора.

3. Собрать схему согласно рис.11.

4. После проверки схемы преподавателем или лаборантом включить шнур в сеть, включить тумблеры «сеть», «выпрямитель».

5. Снять зависимость I = f (U) и построить ее на графике зависимости тока от напряжения без нагрузки.

Исследование выпрямительных схем с помощью осциллографа

Практически необходимо подать сигнал на вход « у » осциллографа с нагрузки R. Здесь П - двухполюсный переключатель.

1. Включить схему и осциллограф в сеть.

Если поставить переключатель П в положение 1, то одна половина выпрямительного столбика будет замкнута накоротко, а вторая отключена; на осциллографе должна наблюдаться синусоида, отражающая форму напряжения на выходе трансформатора. Когда переключатель поставлен в положение 2, то включены одна половина выпрямительного столбика и одна половина вторичной обмотки трансформатораTp.Получается простейшая схема однополупериодного выпрямления. На осциллографе должна наблюдаться синусоида со срезанными отрицательными (нижними) полупериодами. Необходимой ориентации и изображения можно добиться переключением концов на входе осциллографа. Если поставить переключатель в положение 3, то будут включены обе половины выпрямительного столбика и обе половины вторичной обмотки трансформатора. Получается схема двухполупериодного выпрямления со средней точкой.

Перекидывая переключатель в положение 1, 2, 3, следует произвести зарисовку осцилограмм.

Литература

1. Физический практикум . /Под ред. В.И. Ивероновой. - М.: Наука, 1968. - 189с.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.М. Практикум по физике. - М.: Высшая школа, 1961. - 236 с .

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. - М.: наука, 1983, - 494 с.

Размещено на Allbest.ru