Лабораторная работа № 6
Цель работы: исследование выпрямляющих свойств диода; получение вольт-амперной характеристики диода методом вольтметра-амперметра; исследование зависимости дифференциального сопротивления диода от напряжения.
Оборудование: типовой макет, содержащий источник переменного тока, источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, исследуемые диоды, осциллограф.
Краткие теоретические сведения
1. Выпрямление электрических колебаний
Выпрямление электрических колебаний - это процесс, в результате которого знакопеременное электрическое колебание преобразуется в колебание только одного знака. На рис. 6.1 показано знакопеременное синусоидальное напряжение на входе выпрямителя Uвх (а), напряжение Uвых после однополупериодного (b) и двухполупериодного выпрямления (c) на выходе выпрямителя в зависимости от времени.
Рис. 6.1.
Процесс выпрямления электрического тока используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах (детекторах). Выпрямление всегда осуществляется при использовании элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные диоды. Название выпрямитель используют, прежде всего, для устройств, преобразующих переменный электрический ток в постоянный. На рис. 6.2,а показана схема однополупериодного, а на рис. 6.2,б,в - схемы двухполупериодных выпрямителей. В данной лабораторной работе изучается выпрямитель на полупроводниковом диоде.
Рис. 6.2.
2. Физические основы полупроводниковых выпрямителей
Основу полупроводникового диода составляет p-n переход – контакт двух полупроводников с различными типами примесной проводимости. Кратко рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n переходе.
Пусть полупроводник n-типа (основные носители - электроны) приведен в контакт с полупроводником p-типа (основные носители - дырки). Схематически это показано на рис. 6.3.: контакт полупроводника p-типа (справа) с полупроводником n-типа (слева). Рассмотрим поведение основных носителей тока.
Рис. 6.3.
В момент образования p-n перехода электроны из приконтактного слоя полупроводника n-типа начинают диффундировать в полупроводник p-типа, так как концентрация электронов в n-области много больше их концентрации в p-бласти. Вблизи поверхности раздела образуется слой неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси. В то же время дырки, концентрация которых в p-области гораздо больше, чем в n-области, диффундируют навстречу электронам из p-области в n-область и оставляют после себя в приконтактной области слой неподвижных отрицательно заряженных акцепторов. Приконтактная область заряженных доноров и акцепторов называется областью объемного заряда. Внутри области объемного заряда глубиной d существует разность потенциалов jk, которая создает напряженность электрического поля
. (6.1)
Поле Ek направлено так, что оно выталкивает попадающие в область объемного заряда основные носители обратно в объем полупроводника и, следовательно, препятствует дальнейшему диффузионному переносу основных носителей через p-n-переход. Преодолеть поле объемного заряда могут только те немногочисленные основные носители, тепловая энергия которых (~ kT) больше энергии электрического поля объемного заряда (ejk). Они создают небольшой ток через переход. В то же время поле Ek способствует переходу неосновных носителей через область объемного заряда. Образуемый ими ток течет в направлении, обратном диффузионному току, и также мал из-за низкой концентрации неосновных носителей. В результате величина объемного заряда, глубина его проникновения d и распределение носителей устанавливаются так, что результирующий ток через переход равен нулю. Наступает состояние динамического равновесия.
Рассмотрим свойства p-n перехода во внешнем электрическом поле E. Пусть поле направлено так, как показано на рис. 6.4,а - положительный потенциал приложен к p-области.
Рис. 6.4.
Динамическое равновесие нарушится, под влиянием внешнего поля основные носители тока в обоих полупроводниках будут двигаться к месту контакта. Величина объемного заряда, занятая им область, напряженность поля объемного заряда Ek будут уменьшаться. Область контакта обогащается основными носителями тока, которые здесь рекомбинируют. Через диод потечет значительный ток, который называется прямым. Вклад в полный ток неосновных носителей при этом пренебрежимо мал. Изменение направления внешнего поля E на противоположное (на рис. 6.4,б положительный потенциал приложен к n-области) приводит к тому, что теперь поле удаляет основные носители из области контакта подобно полю объемного заряда. Результирующая напряженность поля внутри области контакта растет, величина объемного заряда и занимаемая им область (глубина d) также увеличиваются. Это приводит к тому, что переноса основных носителей через контакт практически не происходит. Такое направление внешнего электрического поля называется обратным. Ток через контакт при этом обусловлен только движением неосновных носителей, которые двигаются навстречу друг другу и рекомбинируют в области контакта. Так как концентрация неосновных носителей мала, то такой обратный ток очень мал по сравнению с прямым. Таким образом, контакт двух полупроводников с различным типом проводимости может работать как выпрямитель - пропускать ток практически только в одном направлении.
На рис.6.5. показана типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода - зависимость силы тока I (мА) от приложенного напряжения U (мВ). Величина тока существенно различается для одной и той же абсолютной величины приложенного к диоду напряжения. Если ток в прямом направлении для диодов малой и средней мощности составляет десятки или сотни миллиампер, то обратный ток - единицы микроампер.
Рис. 6.5.
3. Дифференциальное сопротивление диода
Как видно из рис.6.5, полупроводниковый диод является нелинейным элементом. Это означает, что связь между приложенным напряжением и током нелинейная, и закон Ома для диода не выполняется. Сопротивление диода зависит от приложенного напряжения. В этой связи вводится понятие дифференциального сопротивления
. (6.2)
Зависимость силы тока от напряжения, приложенного к диоду, для диодов с плоским p-n переходом достаточно хорошо описывается выражением
, (6.3)
где Is - величина обратного тока насыщения; Rv - сопротивление того объема полупроводника, который не участвует в образовании p-n перехода; e - элементарный заряд; k - постоянная Больцмана; T - термодинамическая температура. Используя выражение (6.3), дифференциальное сопротивление диода наиболее просто найти, преобразуя (6.2) следующим образом:
. (6.4)
Простые вычисления дают следующую формулу для дифференциального сопротивления диода:
. (6.5)
Величина kT/e составляет примерно 25 мВ при комнатной температуре. При относительно большом токе I первым слагаемым в (6.5) можно пренебречь, тогда
. (6.6)
Следовательно, начиная с некоторого напряжения, сопротивление диода почти целиком определяется сопротивлением объема полупроводника Rv, нелинейное сопротивление контакта становится пренебрежимо малым, а ВАХ - близка к линейной. Это обстоятельство будет использоваться далее для нахождения Rv.
Описание экспериментальной установки
Схема лабораторного макета для изучения полупроводниковых выпрямителей показана на рис. 6.6.
Рис. 6.6.
Все два блока макета питаются от одного трансформатора, включаемого в сеть напряжением 220 В с помощью ключа K1. Нижний на рис. 6.6. блок предназначен для изучения одно- и двухполупериодного выпрямления с помощью осциллографа, верхний блок - для измерения вольт-амперных характеристик диодов методом вольтметра-амперметра. Буквой Y обозначены клеммы для подключения усилителя осциллографа по входу Y. Изучение полупроводниковых выпрямителей проводится в три этапа.
I. Наблюдение одно- и двухполупериодного выпрямления
Схема устройства для наблюдения выпрямляющих свойств диодов показана на рис. 6.6,б. С помощью ключа K3 закорачиваем диод D2. В этом случае диод D3 не включен в цепь, на резисторе R3 будет синусоидальное напряжение, которое наблюдается на экране осциллографа, т.е. выпрямления нет. Амперметр, включенный последовательно с резистором R3 , не фиксирует переменный ток, так как в макете применен прибор магнитоэлектрической системы.
Если ключ K3 поставить в среднее положение, то диод D3 по-прежнему не включен в цепь. Но диод D2 оказывается включенным в цепь и пропускает ток только в одном направлении. Поэтому на экране осциллографа наблюдается пульсирующее напряжение одного знака, имеет место однополупериодное выпрямление. Амперметр при этом показывает некоторое значение тока.
Если ключом K3 включить в схему и диод D3, то в один из полупериодов ток пропускается диодом D2, в следующий полупериод - диодом D3. Ток через резистор R3 в обоих случаях течет в одном направлении, на экране будет наблюдаться пульсирующее напряжение одного знака с удвоенной частотой. Возрастает в два раза и ток через резистор R3. Такое выпрямление называется двухполупериодным.
II. Определение ВАХ диода методом вольтметра-амперметра
Схема измерительного устройства показана на рис. 6.6,a. При замыкании цепи ключом K4 с помощью диода D4 синусоидальное напряжение выпрямляется, а благодаря конденсатору C сглаживаются пульсации. В результате напряжение на переменном резисторе R4 почти постоянно. Часть напряжения с резистора R4 подается на диод D5, причем с помощью ключа K5 диод D5 может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Вольтметр измеряет напряжение на диоде D5, амперметр - ток через диод. Такой метод измерения ВАХ называется методом вольтметра-амперметра.
III. Изучение дифференциального сопротивления диода
На практике дифференциальное сопротивление Rd определяется как отношение
, (6.7)
где Ui+1-Ui - разность соседних экспериментальных значений напряженияU, причем эта разность берется по возможности малой; Ii+1-Ii разность соответствующих экспериментальных значений тока I. Рассчитанное таким образом значение Rd сопоставляется среднему значению напряжения
. (6.8)
Порядок выполнения работы
1. Подключить входы Y осциллографа согласно рис. 6.6.
2. Включить осциллограф и макет в сеть.
3. С помощью блока макета, изображенного на рис. 6.6, получить на экране осциллографа картины синусоидального и выпрямленных напряжений. Зарисовать одно под другим в одинаковом масштабе. Записать значения токов.
4. С помощью блока макета, изображенного на рис. 6.6, снять ВАХ методом вольтметра-амперметра. При снятии обратной ВАХ рекомендуется напряжение изменять через 100 мВ. При снятии прямой ВАХ напряжение изменять через одно деление вольтметра. Значения напряжения Ui (в мВ) и соответствующие им токи через диод Ii (в мА) записать в таблицу. Построить ВАХ диода в масштабе: по оси X - 50 мВ в 1 см, по оси Y - 5 мА в 1 см. Определение дифференциального сопротивления из полученных экспериментальных значений Ui и Ii осуществляется в следующем порядке:
а) вычислить и занести в таблицу значения разности DUi =Ui+1-Ui и DIi=Ii+1 - Ii;
б) определить и занести в таблицу значения дифференциального сопротивления по формуле (6.7);
в) рассчитать и занести в таблицу средние значения напряжений по формуле (6.8).
После указанных вычислений построить график зависимости Rd(Uk). Масштаб по оси X - 50 мВ в 1 см, по оси Y - 2 Ома в 1 см. Из графика определяется Rv как предел, к которому стремится дифференциальное сопротивление при больших напряжениях (токах), в соответствии с формулами (6.5) и (6.6). Далее вычисляется теоретическое значение дифференциального сопротивления 
по формуле (6.5) с учетом найденной величины Rv для всех значений Ii. Результаты вычислений заносятся в таблицу. На том же графике, где изображена зависимость Rd(Uk), построить график зависимости 
.
Таблица
| Ui, мВ | Ii, мА | ΔUi, мВ | ΔIi, мА | Uk, мВ | Rd, Ом |  , Ом
|
Контрольные вопросы
1. Назовите причину образования объемного заряда при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости?
2. Как изменяется объемный заряд в приконтактной области при наличии внешнего электрического поля?
3. Нарисуйте схемы и поясните принцип работы одно- и двухполупериодного выпрямителя.
4. Нарисуйте ВАХ идеального диода. К чему приводит отличие ВАХ реальных диодов от идеального при выпрямлении переменного напряжения?
5. Как влияет крутизна ВАХ диода в прямом направлении на форму выпрямленного электрического напряжения?
Литература
1. Джанколи Д. Физика. Т.2, М.: Мир, 1989. С.560-566.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1990. С.400-406.
3. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М.:Мир, 1985. С.164-175.