Физика часть1

						/
			p		E				n
	+	+	+	+	-	+	-	-	-	-
	+	+	+	+	+		-	-	-	-
	+	+	+	+	-	+	-	-	-	-
	+	+	+	+		-	-	-	-	-
					-	+
	+	+	+	+			-	-	-	-

l

q

+

Рисунок 1.Схема образования запирающего слоя в p-n переходе

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 Е будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в направлении n→p и дырок в направлении p→n. Через некоторое время при определенном значении напряженности

Е установится подвижное (динамическое) равновесие, при котором прекратятся преимущественные переходы электронов и ды-

83

рок в указанных направлениях, т.е. количество электронов и дырок, перешедших из одного полупроводника в другой путем диффузии, будет равно количеству электронов и дырок, возвра-

щающихся обратно под действием электрического поля Е .

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.
	+	+	-	-	+	+	-	-
	+	+					-	-
	+	+	-	-	+	+	-	-
	+	+					-	-
	+	+	-	-	+	+	-	-
	+	+	-	-	+	+	-	-
	+	+					-	-
				E
				-	+

Рисунок 2. Схема обратного включения диода

Если напряженность Е внешнего поля совпадает по направ-

лению напряженностью Е / (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 на-

84

пряжение внешнего поля (n→p) называется запирающим, а малый ток – обратным.

Изменим полярность внешнего напряжения (рис.3). Тогда

напряженность Е внешнего поля, направленная противоположно

напряженности Е / , будет перемещать свободные электроны, и дырки по направлению к контактному слою. Прилежащие слои полупроводников обогащаются носителями зарядов, запирающий слой сужается, а его сопротивление уменьшается. При определенном значении приложенного внешнего напряжения запирающий слой исчезнет и через полупроводник пойдет большой ток. Такое направление внешнего электрического поля (p→n) называется пропускным, а ток прямым.

+	+	+	-	-	-
+	+	+	-	-	-
+	+	-	+	-	-
+	+	+	-	-	-
+	+	+	-	-	-
			E
		+	-

Рисунок 3. Схема прямого включения диода

Таким образом, сопротивление n-p – перехода зависит от направления поля и он, соответственно, 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) изображе-

85

на на рис. 4. Здесь же приведены обозначения диодов на схемах, соответствующие пропускному и запирающему направлениям включения внешнего электрического поля.

Iпрям

Uобр(max)

Uобр

Uпрям

Iобр

Рисунок 4. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

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

	K	I пр	при U пр	U обр .
		I обр
	Важной характеристикой полупроводниковых диодов явля-
	ется максимальное обратное		рабочее	напряжение U обр(max) (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,

86

следовательно, являются основной частью аппарата для терапии постоянным током.

Устройство и принцип действия аппарата для гальванизации

Основным узлом аппарата является выпрямитель со сглаживающим фильтром.

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

	А	Д 1
		Д 4

Rн

Д 5

Д 2

В

Рисунок 5. Схема аппарата для гальванизации без сглаживающего фильтра

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 Rн и Д3 .

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

87

Таким образом, в оба полупериода через потенциометр Rн течет ток, постоянный по направлению, но переменный по величине пульсирующий ток (рис. 6).

x

t

Рисунок 6. График двухполупериодного выпрямления без сглаживающего фильтра

Для сглаживания пульсаций тока используют сглаживающий фильтр, состоящий из двух конденсаторов С1, и С2 и дросселя Др

(рис. 7).

	Rн
+	+
C1	C2
-	-
K1
K2	K3

Рисунок 7. График двухполупериодного выпрямления со сглаживающим фильтром

При возрастании тока конденсаторы заряжаются. В тот момент, когда ток начинает уменьшаться, конденсаторы, разряжаясь через Rн, поддерживают ток, не давая падать ему до нуля. Это приводит к ослаблению амплитуды пульсаций тока. Одновре-

88

менно с этими процессами происходит гашение колебаний тока в дросселе, в котором возникает ток самоиндукции противоположного направления, а при уменьшении основного тока, ток самоиндукции меняет свое направление и стремится поддержать его. Таким образом, пульсация основного тока еще больше уменьшается и через Rн течет ток, постоянный уже не только по направлению, но и по величине.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Снятие вольтамперной характеристики диода

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

прямой ток обратный ток

	мА	мкА
Uпр	R1	R2	Uобр
	mV	V

Рисунок 8. Схема для снятия вольтамперной характеристики диода

1. Начертить в тетради таблицы 1 и 2.

Таблица 1

Результаты измерений и вычислений

	Uпр,	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
	мВ
							89

Iпр,	0
мА

					Таблица 2
	Результаты измерений и вычислений
Uобр, В	0	20	40	60	80 100 120

Iобр, мкА

2.Для измерения прямого тока поставить все тумблеры в левое положение и включить макет в сеть. Устанавливая потенцио-

метром R1 напряжение Uпр согласно таблице 1, измерить соответствующие значения силы тока Iпр.

3.Для измерений обратного тока поставить все тумблеры в

правое положение. Устанавливая потенциометром R2 напряжение Uобр согласно таблице 2, измерить соответствующие значения си-

лы тока Iобр.

4.Выключить макет из сети. По полученным данным построить вольтамперную характеристику диода I=f(U) на одном

графике, причем Uпр и Iпр откладывать на положительных полуосях координат, а Uобр и Iобр - на отрицательных (масштабы для Iпр

иIобр, Uпр и Uобр - разные ).

5.Оценить по полученной вольтамперной характеристике

прямое Rпр и обратное Rобр сопротивления диода.

6. Оценить абсолютные погрешности всех измерительных приборов.

Упражнение 2. Исследование работы выпрямителя со сглаживающим фильтром

1. Перечертите схему изучаемого двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром (рис .9) в свою тетрадь. Аналогичные выпрямители используются в медицине в качестве источника постоянного тока, например, для гальванизации и электрофореза.

90

Tp	A		L
			R	+
		K4
	C1		C2
20	Uвх			Uвых
	K2		K3
	K1			-
	B

Рисунок 9. Схема для получения постоянного тока двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром

2.Подключить осциллограф к входным клеммам выпрямителя (точки А и В) и затем включить оба прибора в сеть.

3.Получить на экране осциллографа и зарисовать наблюдаемые осциллограммы, соответствующие:

а) Выпрямляемому переменному току (точки А и В на схеме). б) Однополупериодному выпрямлению:

1) без сглаживающего фильтра. Для этого подключить осциллограф к выходным клеммам выпрямителя и поставить все тумблеры в нижнее положение.

2) с фильтром из:

а) одного конденсатора С1. Для этого поставить тумблер К2

вверхнее положение;

б) двух конденсаторов С1 и С2. Для этого поставить тумблер К3 в верхнее положение;

в) двух конденсаторов С1 и С2 и индуктивности L. Для этого поставить тумблер К4 в верхнее положение.

Примечание. Все четыре осциллограммы (1; 2а, 2б, 2в) рисуются разными линиями на одном графике в том же временном масштабе, что и в случае А.

в) Двухполупериодному выпрямлению:

1)без сглаживающего фильтра. Для этого все тумблеры, кроме К1, поставить в нижнее положение.

2)с фильтром... - выполняется аналогично пункту 2) для слу-

чая Б.

91

3) выключить оба прибора из сети.

Задание по УИРС

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

Контрольные вопросы:

1.Основные положения и понятия зонной теории.

2.Различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками согласно зонной теории.

3.Типы полупроводников, образование и свойства p-n пе-

рехода.

4.Вольтамперная характеристика полупроводникового

диода.

5.Схема и принцип работы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

6.Электропроводность тканей организма, первичное действие на них постоянного тока.

7.Применение постоянного тока в лечебных целях (гальванизация и электрофорез).

Лабораторная работа №7

Изучение работы полупроводникового триода (транзистора)

Основные понятия и определения: образование р-n-перехода

иего свойства; статические входные и выходные характеристики

ипараметры транзистора в схеме с ОЭ.

Цель работы: научиться пользоваться электроизмерительными приборами и рассчитывать параметры транзистора.

Краткая теория

Полупроводниковый триод или транзистор представляет собой монокристалл германия или кремния, в котором имеются два электронно-дырочных n-p перехода (рис. 1).

92