71042

Дослідження напівпровідникових діодів

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Зі збільшенням прямої напруги прямий струм швидко зростає так як концентрація основних носіїв велика і може перевершити максимально допустиме значення. У відкритому стані спад напруги на pn переході невеликий і складає. При зростанні зворотної напруги зворотний струм швидко досягає насичення і майже не змінюється.

Украинкский

2014-11-01

917 KB

2 чел.

Робота 18. Дослідження напівпровідникових діодів

18.1. Мета роботи

Ознайомитись з властивостями напівпровідникових діодів та їх використанням у системах випрямляння змінного струму.

18.2. Короткі теоретичні відомості

Елементною базою сучасної електроніки є напівпровідникові прилади і напівпровідникові інтегральні мікросхеми. Всі вони виконуються на основі напівпровідників,  тому важливо розуміти механізми їх провідності.

Напівпровідниками називають клас матеріалів, які за своєю електропровідністю (102...10-8 см/ м) займають проміжне місце між металами і діелектриками. Характерним для напівпровідників є збільшення електропровідності при зростанні температури. Ширина забороненої зони в напівпровідниках не перевищує 3 еВ.

Типовими напівпровідниками є кремній, германій і селен. До напівпровідників належать також деякі сполуки типу арсенід галію, карбіт кремнію, сульфід кадмію і інші.

Кремній  і германій  належать до четвертої групи елементів таблиці Менделєєва і мають кристалічну структуру. Атоми елементів розташовані у вузлах кристалічної решітки. Звязок між сусідніми атомами здійснюється двома усуспільненими електронами (по одному від кожного атома). Такий звязок називають двовалентним або ковалентним (рис.18.1,а).

 Під дією зовнішніх факторів (температури, опромінення і інших) деякі електрони одержують енергію, достатню для звільнення від ковалентного звязку, і можуть служити носіями струму. При переході електрона в зону провідності на його місці залишається нескомпенсований додатний заряд, який називають діркою. На вакантне місце дірки може перескочити валентний електрон з іншого атома, тоді дірка виникає в ньому. Це еквівалентно переміщенню додатного заряду з величиною, рівною заряду електрона. Процес утворення пари електрон-дірка називають генерацією носіїв, а зворотний - рекомбінацією. Енергія, яка вивільняється при рекомбінації електрона і дірки, може випромінюватись у вигляді -квантів або передаватися коливанням гратки.

Рис.18.1.

Провідність чистих (бездомішкових) напівпровідників називається власною. Вона складається з електронної провідності (провідності n-типу), зумовленої впорядкованим рухом вільних електронів, і діркової провідності (провідності  р-типу), яка звязана з направленим переміщенням дірок. В основі направленого переміщення дірок під дією зовнішнього електричного поля лежать “перескоки”  електронів від атома до атома проти напрямку поля. Цей рух відбувається з меншою швидкістю, ніж рух вільних електронів, тому рухомість дірок менша.

Концентрація дірок і електронів у чистому напівпровіднику однакова. Добитись переважаючої провідності р- чи n-типу можна шляхом легування чистого напівпровідника, тобто введенням домішок атомів з іншою валентністю. Провідність легованих напівпровідників називають домішковою. Напівпровідники з переважаючою електронною провідністю називаються напівпровідниками n-типу. Електронна провідність зумовлюється домішками елементів пятої групи таблиці Менделєєва, які називають донорними. Механізм виникнення провідності n-типу пояснюється тим, що при заміщенні атома кремнію у вузлі решітки на пятиелементний атом домішки, наприклад, атом мишяку , чотири валентні електрони домішки вступають в ковалентні звязки, а пятий надлишковий залишається вільним, як показано на рис.18.1,б. Якщо на місце атома напівпровідника помістити атом елемента з третьої групи, наприклад, атом індію , то три його валентні електрони вступлять у ковалентний звязок, а в одному місці залишиться дірка (рис.18.1,в). Домішки, які спричиняють провідність р-типу, називають акцепторними, а напівпровідники з таким типом домішок - напівпровідниками р-типу.

У більшості напівпровідникових приладів використовуються властивості електронно-діркового переходу. Електронно-дірковим переходом називають вузьку (декілька мікронів) область, збіднену вільними носіями, яка виникає на межі областей з різним типом провідності. Виникнення р-n переходу зумовлено градієнтом концентрації носіїв в приграничних областях (рис.18.2,а). В результаті дифузії електрони з n-області переходять в р-область, що призводить появу нескомпенсованих додатних зарядів атомів донорної домішки в n-області та відємних зарядів у р-області. Аналогічно, перехід дірок з р-області в n-область викликає появу відємних зарядів атомів акцепторної домішки в р-області і додатних зарядів в n-області. Таким чином, на границі областей n- і р-типу виникають два шари обємних нерухомих зарядів - подвійний запірний шар. Електричне поле, яке створюють заряди запірного шару, протидіє подальшому руху носіїв через перехід. При цьому встановлюється динамічна рівновага: частина носіїв покидає перехід, а їх місце займає така ж кількість інших носіїв.

а)                                                                           б)

Рис.18.2.

Розподіл електричного поля і потенціальна діаграма p-n-переходу наведена на рис.18.2,б. Перепад потенціалів, рівний контактній різниці потенціалів, називають потенціальним барєром, так як він перешкоджує руху основних носіїв. Разом з тим поле переходу є прискорюючим для неосновних носіїв: дірок з n-області і електронів з р-області. Концентрації неосновних носіїв невеликі.

Електронно-дірковий перехід отримують в пластинках кристалічного напівпровідника методом вплавлення відповідних домішок або їх дифузії при високих температурах.

Властивості p-n переходу залежать від величини і знаку зовнішнього прикладеного поля. Розрізняють пряме і обернене увімкнення переходу. При прямому увімкненні (прямому зміщенні) переходу позитивний полюс джерела живлення підєднують до р-області, а негативний - до n-області напівпровідника (рис.18.3,а) У цьому стані зовнішнє поле направлено проти внутрішнього поля переходу, тому потенціальний барєр знижується і основні носії отримують можливість вільно рухатись через перехід, створюючи прямий струм. Зі збільшенням прямої напруги прямий струм швидко зростає, так як концентрація основних носіїв велика і може перевершити максимально допустиме значення. У відкритому стані спад напруги на p-n переході невеликий і складає 0.6...0.8 В.

а)                                                                      б)

Рис.18.3.

При оберненому включенні (оберненому зміщенні) p-n-переходу поле, створене джерелом живлення, співпадає з полем переходу (рис.18.3,б). Потенціальний барєр між р- і n-областями зростає. Під дією зовнішнього поля основні носії відтягуються від приконтактних шарів і ширина p-n-переходу збільшується. При оберненій напрузі зміщення перехід закривається і рух основних носіїв практично припиняється, при цьому перехід залишається відкритим для неосновних носіїв. Рухаючись через перехід, неосновні носії створюють невеликий зворотний струм. Відзначимо також, що рух неосновних носіїв через перехід приводить до зниження потенціального барєру. При зростанні зворотної напруги зворотний струм швидко досягає насичення і майже не змінюється. Коли зворотна напруга досягає критичного значення, розпочинаються процеси іонізації, що призводить до різкого зростання зворотного струму - наступає електричний пробій. Електричний пробій може перейти у тепловий (незворотний), при якому перехід руйнується.

Властивості p-n-переходу при прикладенні зовнішньої напруги визначаються його вольт-амперною характеристикою, яка наведена на  рис.18.4.

З вольт-амперної характеристики видно, що p-n перехід має вентильні властивості, тобто пропускає електричний струм лише в одному напрямку. Крім цього, у закритому стані p-n- перехід володіє електричною ємністю. Його можна розглядати як своєрідний плоский конденсатор, де діелектриком є область закритого p-n-переходу.

Рис.18.4.

В сильно легованих напівпровідниках в області p-n-переходу  виникає квантово-механічний тунельний ефект, який полягає у тому, що електрони можуть проходити потенціальний барєр без втрати енергії. При цьому на прямій вітці вольт-амперної характеристики спостерігається ділянка з відємним диференціальним опором.

Властивості електронно-діркового переходу використовуються в напівпровідникових діодах. Напівпровідниковий діод - це напівпровідниковий прилад з одним p-n-переходом і двома зовнішніми виводами.

За конструкцією діоди поділяються на площинні й точкові. Площинні діоди застосовують для випрямляння струмів, в основному,  промислової частоти. Точкові діоди мають малу ємність р-n переходу і тому їх використовують для випрямляння струмів у високому діапазоні частот, але при невеликих струмах.

За призначенням напівпровідникові діоди поділяються на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, опорні (стабілітрони), чотиришарові перемикачі, фотодіоди, світлодіоди тощо. Основними параметрами випрямних діодів є: середнє значення випрямленого струму Id , який може тривалий час протікати через діод з допустимим його нагріванням; величина прямої напруги Uпр, яку визначають з вольт-амперної характеристики при заданому значенні     Id ; Uзв.max - допустиме амплітудне значення зворотної напруги; величина зворотного струму Ізв.ср при заданому значенні зворотної напруги Uзв ; fmax - максимальне значення робочої частоти і Pmax - допустиме значення розсіюваної потужності.

Випрямні діоди поділяються на діоди малої потужності                      (Id 1,0 А), середньої потужності (1,0  Id  10 А) і великої потужності (Id > 10 А).

Серед напівпровідникових діодів найбільш поширені випрямні діоди, призначені для роботи у випрямлячах змінного струму.

Випрямляч - це пристрій для перетворення змінного струму у постійний. Випрямлячі є вторинним джерелом постійного струму. Як правило, випрямляч складається з силового трансформатора, електричних вентилів, згладжуючого фільтра і стабілізатора.

Трансформатор служить для приведення величини змінної напруги до потрібного значення, та здійснює гальванічну розвязку між електричною мережею і навантаженням (первинна і вторинна обмотки трансформатора не зєднані електрично). Випрямляння змінного струму здійснюється за допомогою електричних вентилів, зєднаних за певною схемою. У ролі вентилів переважно використовують напівпровідникові випрямні діоди. Згладжуючі фільтри призначені для зменшення пульсацій випрямленої напруги. Стабілізатори повинні підтримувати задане значення постійної напруги при коливаннях напруги у мережі змінного струму і при зміні  навантаження.

Основними характеристиками випрямлячів є:

- номінальна напруга і частота мережі живлення  і

- середні значення випрямлених струму  і напруги ;

- споживна потужність ;

- коефіцієнт корисної дії ;

- коефіцієнт пульсації .

Коефіцієнт пульсації - відношення амплітуди першої (основної) гармоніки змінної складової випрямленої напруги до її середнього значення:

.                                    /18.1/

Випрямлячі поділяються на одно- і трифазні, одно- і двопівперіодні, керовані і некеровані та з множенням напруги.

Схема однофазного однопівперіодного випрямляча без фільтра наведена на рис 18.5,а.

а)                                                                           б)

Рис.18.5.

У цій схемі струм через діод  і навантаження  проходить лише на протязі однієї половини періоду, коли до анода діода напруга  прикладена додатним потенціалом по відношенню до катода. В інший півперіод діод закритий і струм через навантаження не протікає (рис. 18.5,б). Середнє значення випрямленої напруги (постійна складова) за період

        /18.2/       

Як бачимо з підрахунку, середнє значення випрямленої напруги при однопівперіодичному випрямлянні є значно меншим за діюче значення напруги вторинної обмотки , тобто трансформатор використовується малоефективно. Випрямлений струм у навантаженні сильно пульсує. Коефіцієнт пульсацій  можна отримати, використавши розкладання випрямленої напруги в ряд Фурє :

        /18.3/

Для роботи в однопівперіодному випрямлячі потрібно підбирати діоди з максимально допустимим середнім прямим струмом не меншим за середнє значення випрямленого струму . У закритому стані вся напруга вторинної обмотки прикладається до діода, тому максимально допустима зворотна напруга  діода повинна бути більшою за амплітудне значення напруги вторинної обмотки , або задовільняти умову . Однопівперіодні випрямлячі використовуються для живлення малопотужних високоомних електричних кіл.

Двопівперіодні схеми випрямляння бувають двох типів : з виводом середньої точки вторинної обмотки силового трансформатора і мостові. Схема з виводом середньої точки по суті є комбінацією двох однопівперіодних випрямлячів, які працюють на спільне навантаження (рис.18.6,а).

Напруги  і  на половинах вторинної обмотки одинакові за величиною, але зсунуті за фазою на кут , тому їх можна розглядати як двофазну напругу (рис.18.6,б).

Рис.18.6.

Діоди відкриваються почергово. Якщо на протязі першого півперіоду струм протікає через діод  і навантаження , то у наступний - через діод  і навантаження . Таким чином, струм у навантаженні протікає на протязі обох півперіодів і в одному й тому ж напрямку. Недоліком випрямляча з відводом від середньої точки трансформатора є те, що максимально допустима зворотна напруга діодів повинна бути у два рази більша, ніж амплітуда напруги на половині обмотки трансформатора.

Найчастіше для живлення електронних пристроїв використовується двопівперіодна мостова схема випрямляння (рис.18.7,а).

В схему входить трансформатор і чотири діоди, включені у вигляді електричного моста. До однієї діагоналі моста підєднана вторинна обмотка трансформатора, а до другої - навантаження . В один з півперіодів, коли додатний потенціал на верхньому кінці обмотки, струм протікає через діод , навантаження , діод  і до другого кінця обмотки. У наступний півперіод, коли знак напруги  поміняються на зворотний, діоди  і  закриваються. Тоді струм протікає через діод , навантаження  і діод . Струми у навантаженні мають однаковий напрямок, як показано на рис. 18.7,б. До кожного діода прикладається зворотна напруга, рівна амплітудному значенню напруги вторинної обмотки ().

а)                                                                     б)

Рис.18.7.

Для обох двопівперіодних схем максимально допустимий прямий струм діодів у два рази менший за постійну складову випрямленого струму (). Середнє значення випрямленої напруги близьке до діючого значення напруги вторинної обмотки . Розкладання у ряд Фурє імпульсів напруги при двопівперіодному випрямлянні приводить до виразу

.              /18.4/

Звідси коефіцієнт пульсації . Він значно менший, ніж при однопівперіодному  випрямленні . Крім того, основна гармоніка має частоту пульсацій у два рази більшу, ніж частота напруги живлення, що спрощує згладжування випрямленої напруги.

При живленні електронних пристроїв коефіцієнт пульсації напруги не повинен перевищувати 10-4...10-7. Для зменшення пульсації (змінної складової випрямленої напруги) між випрямлячем і навантаженням вмикають згладжуючі фільтри. Основним показником якості роботи фільтра є коефіцієнт згладжування, рівний відношенню коефіцієнтів пульсацій на вході і виході фільтра

.                                       /18.5/

Згладжуючі фільтри бувають прості (ємнісні та індуктивні), складні (одно- та багатоланкові) і електронні (транзисторні). Згладжуючі властивості конденсатора і індуктивної котушки зумовлені різною величиною їх опору для змінних і постійних складових струму. Найпростішим фільтром є конденсатор великої ємності, приєднаний паралельно до навантаження. Конденсатор накопичує енергію, коли діоди випрямляча відкриваються, і віддає у навантаження, коли вони закриваються, що призводить до зменшення пульсації напруги на виході фільтра.

На рис. 18.8,а зображена електрична схема випрямляча з ємнісним фільтром. Фільтр ємністю  увімкнений паралельно навантаженню , що забезпечує рівність напруг на конденсаторі  і на навантаженні .

а)                                                             б)

Рис.18.8.

При зміні напруги вторинної обмотки трансформатора за законом  і за умови  конденсатор заряджається до напруги , як показано на рис. 18.8,а. В цей час через випрямляч протікає струм . Коли миттєве значення напруги  стає меншим за амплітудне значення , струм  спадає до нуля , а напруга на конденсаторі стає більшою  і конденсатор розряджається на опір , як показано на рис. 18.8,б (інтервали часу ). При  напруги на  і  зрівнюються і починається живлення трансформатором  навантаження і одночасно відбувається підзарядка конденсатора до напруги . Далі процес повторюється.

Отже, конденсатор згладжує напругу на навантаженні. Чим більша ємність , тим більше згладжується вихідна напруга випрямляча і тим менший коефіцієнт пульсації.

Величину ємності при заданому  вибирають із умови заданого коефіцієнта пульсації.

18.3. Програма роботи

1. Зібрати схему дослідження випрямляча.

2. Зняти осцилограми напруг.

3. Зняти навантажувальну характеристику випрямляча.

4. Визначити коефіцієнти пульсацій випрямляча без фільтра і з фільтром та коефіцієнт згладжування випрямляча.

5. Визначити вплив ємності С на коефіцієнт пульсації при .

2.4. Опис схеми дослідження випрямляча  

Рис.18.9.

На рис.18.9 наведена схема дослідження випрямляча. На схемі резистор 1 кОм; конденсатор електролітичний 220 мкФ,         16 В; блок діодів КЦ405Б; -тумблер; прилад  Ц43101;прилад Ц43342 ;прилади Ф4372.

В роботі досліджується двопівперіодна мостова схема випрямляння, зібрана на основі випрямляючого блока діодів . Випрямляч працює без трансформатора, змінна напруга подається з блока живлення комплекту. Навантаженням випрямляча служить резистор . Зміна навантаження здійснюється паралельним підєднанням резисторів. Конденсатор  згладжує пульсації випрямленого струму. Конденсатр вмикається у схему при включенні вимикача .

18.5. Порядок виконання роботи 

1. На монтажній панелі з елементів набору і вимірювальних приладів складіть схему дослідження випрямляча згідно з рис.18.9. Зверніть увагу на полярність конденсатора . Вхід схеми зєднайте з гніздами 8V блока живлення комплекту.

2. Підєднайте осцилограф до вхідних гнізд випрямляча. Ручками керування осцилографа добийтеся стійкого зображення змінної напруги на екрані осцилографа. Зарисуйте осцилограму напруги разом з великими клітинками масштабної сітки та вкажіть чутливість каналу вертикального підсилення і тривалість розгортки.

Відєднайте вхід осцилографа від входу схеми і приєднайте його паралельно до резистора , слідкуючи щоб “холодний” кінець кабеля осцилографа був зєднаний з загальним провідником. Прослідкуйте, щоб вимикач  був розімкнутий. Не змінюючи установок осцилографа, зніміть і зарисуйте осцилограму випрямленої напруги без згладжуючого конденсатора.

Тумблером  ввімкніть у схему згладжуючий конденсатор . За допомогою осцилографа прослідкуйте за зміною величини пульсацій при включенні фільтра. Зарисуйте осцилограму випрямленої напруги при наявності згладжуючого фільтра. Це повторить при ввімкненні .

3. Для знімання зовнішньої характеристики випрямляча  паралельно до навантаження підключіть вхід мультиметра, слідкуючи, щоб гніздо “” було зєднане з загальним провідником. Величину резистора  змінюйте ступінчасто, приєднуючи додаткові резистори з номінальним значенням опору 1кОм, 1.5кОм та 3.3 кОм паралельно до . Постійну складову випрямленої напруги вимірюйте мультиметром у режимі вольтметра постійного струму, а величину струму -приладом . Дані занесіть до табл 1.1.

Таблиця 1.

   А

  В

 

За даними таблиці побудуйте навантажувальну характеристику випрямляча.

4. Для визначення коефіцієнта пульсацій випрямляча відключіть конденсатор  і за допомогою  мультиметра віміряйте постійну складову випрямленої напруги .В. Переключіть мультиметр для вимірювання змінної напруги і виміряйте діюче значення напруги пульсацій

.В. Коефіцієнт пульсацій розрахуйте за формулою . Підєднайте конденсатор  і повторіть вимірювання В; .В. Визначте коефіцієнт пульсацій випрямляча з фільтром . Знайдіть коефіцієнт згладжування за формулою . Повторіть дослід при вмиканні .

 18.6. Контрольні запитання

1. Який механізм виникнення p-n - переходу ?  

2. Які властивості p-n - переходу ?   

3. Яке призначення і яка структура випрямлячів ?

4. Як поділяються випрямні діоди за конструкцією?

5. Коли використовують точкові діоди?

6. Які основні схеми випрямляння ?

7. Які вимоги до діодів, що використовуються у випрямлячах ?

8. Поясніть роботу мостової схеми випрямляння.

9. Поясніть необхідність згладжуючих фільтрів у схемах випрямля-

чів.

10. Як впливає величина ємності фільтра на коефіцієнт пульсації?

219


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9957. Организационно-правовые формы коммерческих компаний 39.5 KB
  Организационно-правовые формы коммерческих компаний. Общество с дополнительной ответственностью: Внося деньги в уставной капитал...
9958. Формы оформления договоров 35 KB
  Формы оформления договоров Устная сделка. Простая письменная форма. нотариально удостоверенная форма. Государственная ре...
9959. Расторжение договора 45 KB
  Расторжение договора. Пролонгация - продление договора. Расторжение договора по взаимному согласию: деньги потрачены, какие-то действия...