2.10 Изучение работы полупроводникового выпрямителя.
реклама
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ» Кафедра физики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.10 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Москва 2005 г. Лабораторная работа № 2.10 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Цель работы: Исследование схем одно- и двухполупериодного выпрямления переменного тока. ВВЕДЕНИЕ Все вещества можно разделить по электропроводности на три группы: диэлектрики, полупроводники и проводники. Типичными полупроводниками являются элементы IV группы таблицы Менделеева. В настоящее время в технике наибольшее распространение получили полупроводники на основе кремния и германия. У полупроводников различают собственную и примесную проводимость. Собственная проводимость Полупроводник, который не имеет посторонних примесей, обладает собственной проводимостью. Кристаллическая решетка, как кремния, так и германия имеет объемную структуру, но ради наглядности ее можно изобразить плоской, как это сделано на рис.1. Большими кружками на рисунке показаны ионы кремния (германия). Положительный заряд иона в кристалле уравновешивается отрицательным зарядом четырех электронов, находящихся на внешней оболочке. Внешние электроны показаны маленькими кружками. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи, показанные линиями на кристаллической решетке. Соседние атомы, обмениваясь электронами, вступают во взаимодействие, т.е. становятся связанными. Такая связь и называется ковалентной. При этом два электрона соседних атомов одновременно принадлежат сразу двум атомам, т.е. являются общими. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях, и полупроводники являются изоляторами, так как не имеют свободных электронов, создающих проводимость при температуре, отличной от абсолютного нуля, вследствие теплового колебания атомов решетки некоторые электроны получают энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от своего атома. При этом образуется два свободных носителя заряда электрон проводимости и «дырка». Дыркой называют разорванную связь между атомами. 2 Так как отрицательный электрон покидает электрически нейтральный атом, то при этом у атомного остатка образуется избыток положительного электричества, которым и обладает дырка. Таким образом, за счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно дырочная пара. Свободный электрон может занимать любое положение внутри решетки, а блуждающая по кристаллу разорванная связь (дырка) перемещается от одного атома к другому за счет того, что разорванная связь замещается электроном одного из соседних атомов, при этом у соседнего атома образуется новая разорванная связь и так далее. Ясно, что свободный электрон и дырка существуют и движутся независимо, то есть собственная проводимость является проводимостью электронно дырочного типа. Примесная проводимость Введение примеси в полупроводник сильно влияет на его проводимость. Различают два типа примеси: донорную и акцепторную. Донорная примесь. Такой примесью могут являться атомы V группы таблицы Менделеева (фосфор, мышьяк, сурьма), имеющие по 5 электронов на внешней оболочке, т.е. на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Атомы примеси, попадая в кристаллическую решетку, замещают один из атомов полупроводника. Такой случай изображен на рис.2. Четыре валентных электрона атома примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами полупроводника, пятый же валентный электрон атома примеси остается свободным. Таким образом, введение в полупроводник примеси, состоящей из атомов V группы таблицы Менделеева, будет приводить к увеличению концентрации свободных электронов в полупроводнике. Следует отметить, что в полупроводнике, содержащем донорную примесь, кроме свободных электронов имеются также и дырки, если температура кристалла отлична от абсолютного нуля. На практике в полупроводник вводится такое количество донорной примеси, чтобы концентрация свободных электронов была много больше концентрации дырок. Такие примесные полупроводники называют полупроводниками nтипа. Электроны в полупроводниках с донорной примесью являются основными носителями, а дырки неосновными. Акцепторная примесь. Такой примесью могут являться атомы Ш 3 группы таблицы Менделеева (бор, галлий, индий), имеющие по 3 валентных электрона на внешней оболочке, т.е. на один электрон меньше, чем у атомов полупроводника. На рис.3 показана кристаллическая решетка полупроводника с атомами акцепторной примеси. Из рисунка видно, что трех валентных электронов атома примеси недостаточно для образования ковалентной связи с четырьмя соседними атомами полупроводника. То есть, введение в полупроводник трехвалентных атомов примеси приводит к возрастанию в нем концентрации дырок. Такие примесные полупроводники называются полупроводниками pтипа. Основными носителями в них являются дырки, а неосновными электроны. С точки зрения зонной теории полупроводников введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня, называемого примесным. Причем для донорной примеси, вследствие слабой связи избыточного электрона с атомом, этот уровень, называемый донорным, расположен вблизи дна свободной зоны (рис.4а). Для акцепторной примеси в запрещенной зоне появляется уровень, называемый акцепторным, который расположен вблизи потолка валентной зоны (рис.4б). p-n переход. Полупроводниковый диод pn переход можно получить сплавлением материалов с различным типом проводимости или выращиванием его в специальной газовой среде. На рис.5 изображен pn переход. Здесь показаны только примесные атомы, то есть акцепторные атомы слева и донорные атомы справа от перехода. 4 Здесь же показаны дырки и электроны, внесенные примесными атомами. Атомы основного материала на этом рисунке не показаны. Вследствие разности концентрации электронов и дырок слева и справа от перехода происходит диффузия электронов из nобласти в pобласть и дырок из pобласти в n-область полупроводника. Из рисунка видно, что примесные атомы вблизи границы перехода лишены дырок и электронов, так как электроны и дырки в результате диффузии пересекли границу перехода и рекомбинировали, то есть свободные электроны заняли места нарушенных валентных связей дырок. В результате образуется слой атомов, не имеющий свободных носителей заряда, называемый обедненным слоем. В обедненном слое существует поле Ек, образованное объемным зарядом: отрицательным в pобласти и положительным в nобласти. Это электрическое поле препятствует дальнейшему движению электронов и дырок через переход, т.е. на пути движения электронов и дырок возникает потенциальный барьер. На рис.6а показан pnпереход. Заштрихованная область соответствует обедненному (запирающему) слою. Если на переход подать напряжение, как это показано на рис.6 б, то обедненный слой сузится, так как на внутреннее электрическое поле Е К наложится поле батареи ЕБ, направленное в противоположную сторону. При этом потенциальный барьер понижается и через pnпереход возможно движение свободных носителей заряда. Такое включение pnперехода называется прямым. При обратном включении, то есть способом указанном на рис.6в, обедненный слой расширяется, так как внешнее и внутреннее 5 поля складываются. При этом потенциальный барьер повышается и ток через pn переход практически равен нулю. Следует отметить, что незначительный ток через pnпереход существует и в последнем случае. Этот ток обусловлен движением через pnпереход неосновных носителей, т.е. электронов из p в nобласть и дырок из n в робласть. Концентрация неосновных носителей в полупроводнике зависит от температуры, следовательно, и обратный ток через рn переход зависит от температуры. Устройство, полупроводниковым следующим образом: содержащее один рnпереход, называется диодом. На электрических схемах диод обозначается . Положительный вывод называется анодом, отрицательный катодом. Для тока I, протекающего через тонкий рnпереход справедливо следующее выражение: I I o (e qU kT 1) (1) где q заряд электрона; k постоянная Больцмана; Т абсолютная температура; Io обратный ток насыщения (ток, обусловленный неосновными носителями). На рис. 7 показана вольт амперная характеристика полупроводникового диода (масштаб по вертикальной оси для отрицательных значений в 1000 раз больше, чем для положительных). Уже при сравнительно небольших отрицательных напряжениях обратный ток достигает тока насыщения Io. С увеличением обратного напряжения не происходит увеличения тока, так как число неосновных носителей, которыми он обусловлен, определяется лишь температурой и не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Из рис.7 и выражения (1) ясно, что при одном и том же напряжении, приложенном в прямом и обратном направлении, различие в величине тока будет гигантским. Это свойство диодов используется для выпрямления переменного тока. Экспериментальная установка Экспериментальная установка состоит из щита со смонтированными на нем элементами выпрямителя и электроннолучевого осциллографа (рис.8). Из рисунка видно, что в состав выпрямителя входят не только 6 полупроводниковые диоды VD1, VD2, но и конденсаторы С 1 и С2, а также катушка индуктивности (дроссель) L и сопротивление R. Дело в том, что диоды позволяют из переменного тока получить постоянный по направлению ток, но величина этого тока будет изменяться. Для сглаживания пульсаций в выпрямителях применяются специальные фильтры. В нашем случае это будут конденсаторы и дроссель. Осциллограф, который применяется в данной работе, для наблюдения и измерения зависимости величины напряжения от времени. Исследуемый ток, протекая через сопротивление R, будет создавать на нем падение напряжения, пропорциональное силе тока. Это позволяет воспользоваться осциллографом для изучения характера зависимости силы тока от времени. Элементы фильтра работают следующим образом. Переменное напряжение, поступающее на вход выпрямителя (рис.9а), преобразуется в пульсирующее (рис.9б). Пульсирующее напряжение можно рассматривать как сумму двух напряжений: постоянного (рис.9в) и переменного (рис.9г). Если пульсирующее напряжение подать на фильтр, состоящий из дросселя и конденсатора (рис.10), то величина пульсаций существенно уменьшится. Действие дросселя, как элемента фильтра, объясняется тем, что дроссель 7 представляет значительное сопротивление для переменного тока ( R ωL, циклическая частота) и ничтожное для постоянного. Таким образом, дросселем отфильтровывается переменное напряжение. Конденсатор, наоборот, представляет очень большое сопротивление для постоянного тока и малое для переменного тока ( R c 1/ω ). Таким образом, конденсатор, пропуская через себя большую часть переменного тока, шунтирует сопротивление R, через которое протекает постоянная составляющая тока. Порядок выполнения работы Для выполнения работы потребуется собирать схемы, нарисованные в табл.1, и рядом рисовать соответствующие им осциллограммы. Все осциллограммы рисовать в одном масштабе! (Например: 5 В/см по оси Y и 5 мс/см по оси Х) Внимание!!! Все соединения производить при отключенной сети (ключ S1 разомкнут). 1. Подключить щуп, соединенный с верхним выводом сопротивления R и электронного осциллографа, к аноду (точке 1) одного из диодов VD1 или VD2 (рис.8) и зарисовать осциллограмму переменного напряжения городской сети. 2. Щуп подключить к правому выводу (катоду) одного из диодов (точке 2) и зарисовать осциллограмму, соответствующую схеме однополупериодного выпрямителя. 3. Собрать схему двухполупериодного выпрямителя и зарисовать соответствующую осциллограмму. Для этого соединить проводником точки 2 и 3 и подключить к ним щуп. 4. Не разъединяя точки 2 и 3 подключить к ним конденсатор С1, соединив указанные точки с точкой 4. При этом будет получена схема двухполупериодного выпрямителя с простейшим фильтром, сглаживающим пульсации. Зарисовать полученную осциллограмму. 5. К полученной ранее схеме добавить фильтр, состоящий из дросселя L1 и конденсатора С2. Для этого соединить точки 4 и 5, а также 6 и 7. Щуп подключить к точке 7 и зарисовать полученную осциллограмму. 8 Таблица. Задание 1 2 3 4 5 Схема Осциллограмма 9 Контрольные вопросы 1. Каков механизм собственной проводимости полупроводников? 2. Каков механизм примесной проводимости? 3. Объяснить процессы, проходящие в области p-n-перехода при различных способах подключения к нему внешнего источника. 4. Почему pn переход обладает односторонней проводимостью? 5. Нарисовать и объяснить ход вольтамперной характеристики полупроводникового диода. 5. Объяснить полученные осциллограммы. Литература 1. Савельев И.В. Курс общей физики, книга 2. Электричество и магнетизм. М.: «Наука». 2003 г. 2. Детлаф А.А., Яворский В. М. Курс физики. М.: «Высшая школа», 1999 г. 3. Калашников С.Г. Электричество. M.: Физматлит, 2004 г. 4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: «Высшая школа», 2003г.
