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.