Изучение работы полупроводникового диода

Лабораторная работа №13

Изучение работы полупроводникового диода

И двухполупериодного выпрямителя

Студент должен знать: основные положения и понятия зонной теории; различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками согласно зонной теории; типы полупроводников, образование и свойства p-n перехода; устройство и вольтамперную характеристику полупроводникового диода; схему и принцип работы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром; электропроводность тканей организма, первичное действие на них постоянного тока; применение постоянного тока в лечебных целях (гальванизация и электрофорез).

Студент должен уметь: работать с электроизмерительными приборами, выпрямителем, использовать для исследования осциллограф.

Краткая теория

Выпрямитель, получивший в медицине название аппарата для гальванизации, служит для преобразования промышленного переменного тока в постоянный.

Этот аппарат состоит из выпрямляющего устройства, потенциометра и миллиамперметра. Потенциометр служит для регулирования выпрямленного напряжения, а миллиамперметр для измерения силы тока, пропускаемого через больного. Выпрямляющее устройство выполнено на основе полупроводниковых диодов.

Полупроводниковые диоды

В основу работы полупроводниковых диодов положено выпрямляющее свойство электронно-дырочного (p-n) перехода.

P-n переход представляет тонкий слой (10^-4-10^{-5 см), образуемый на границе между двумя соприкасающимися полупроводниками с разными типами проводимости (рис.1). Так как в кристалле p – типа концентрация дырок значительно больше, чем в кристалле}n –типа, то они при контакте будут диффундировать из первого кристалла во второй.

Рис. 1.

Образование р-n перехода

Аналогично, из n – полупроводника в p – полупроводник будут диффундировать электроны. В пограничном слое электроны и дырки встречаются и рекомбинируют друг с другом, вследствие чего область контакта обедняется основными носителями и зарядами, и в контактной зоне образуется двойной электрический слой за счет нескомпенсированных ионов примесей положительных ионов доноров в n – области и отрицательных ионов акцепторов в р – области. Возникшее в этом слое электрическое поле напряженностью будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в направлении n→ p и дырок в направлении p→ n. Через некоторое время при определенном значении напряженности установится подвижное (динамическое) равновесие, при котором прекратятся преимущественные переходы электронов и дырок в указанных направлениях, т.е. количество электронов и дырок, перешедших из одного полупроводника в другой путем диффузии, будет равно количеству электронов и дырок, возвращающихся обратно под действием электрического поля .

В итоге в приконтактной области образуется тонкий слой с большим электросопротивлением, который называется запирающим слоем (т.к. вследствие рекомбинации концентрация носителей заряда в нем мала).

Сопротивление запирающего слоя можно менять с помощью внешнего электрического поля.

Если напряженность внешнего поля совпадает по направлению напряженностью (рис.2), то оно еще дальше отодвинет электроны и дырки от места контакта полупроводников. Запирающий слой, объединенный носителями зарядами, расширится, а его сопротивление возрастет. Ток в этом случае практически отсутствует (величина тока, создаваемого неосновными носителями заряда, будет пренебрежимо мала, т.к. концентрации не основных носителей в полупроводниках весьма малы). Такое напряжение внешнего поля (n→ p) называется запирающим, а малый ток – обратным.

Рис. 2.

Рис. 3. Пропускание тока диодом при прямом подключении

Вследствие этого сопротивление n-p -перехода от направления поля, он обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Если к такому контакту приложить переменное напряжение, через p-n – переход ток будет идти только в одном направлении: от p- проводника к n – полупроводнику.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика полупроводникового диода) изображена на рис. 4. Здесь же приведены обозначения диодов на схемах, соответствующие пропускному и запирающему направлениям включения внешнего электрического поля.

Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов характеризуют коэффициентом выпрямления К, который равен:

Важной характеристикой полупроводниковых диодов является максимальное обратное рабочее напряжение (см. рис. 4), превышение которого может привести к пробою диода и нарушению его работы.

Полупроводниковые диоды, обладая малыми габаритами, большой надежностью, долговечностью и высоким коэффициентом полезного действия, нашли использование в выпрямителях и, следовательно, являются основной частью аппарата для терапии постоянным током.

Рис. 4.

Для гальванизации

Основным узлом аппарата является выпрямитель со сглаживающим фильтром.

Выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводниковых диодов, сглаживающего фильтра (С₁, С₂ и др.) и потенциометра R_н. Переменное напряжение сетки преобразуется трансформатором в нужное по величине напряжение, которое снимается с вторичной обмотки и подается на диоды, включенные по мостовой схеме.

Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока в данной схеме выпрямителя. Предположим, что в какой-то момент времени точка А (по схеме рис.5) имеет положительный потенциал по отношению к точке В. тогда ток протекает через диод Д₁ (пропускное направление), потенциометр R_н и Д₃.

Во второй полупериод полярность точки А и В меняется на противоположную. Тогда ток потечет через диод Д₂, потенциометр R_н и Д₄.

Рис. 5.

Рис. 6.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Снятие вольтамперной характеристики диода

Измерения проводятся на макете, схема которого представлена на рис.8

1. Начертить таблицы 1 и 2.

Таблица 1

U_пр, мВ	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
I_пр, мА	0

Рис. 8.

Рис. 9.

Задание по УИРС

Оценить по вольтамперной характеристике контактную разность потенциалов р-n-перехода (Dj »Uпр, правее которого характеристика становится практически линейной, т.е. выполняется закон Ома).

Лабораторная работа №13

Изучение работы полупроводникового диода

12 Следующая ⇒