Дополнительная литература

1. Каленков С. Г., Соломахо Г. И. Практикум по физике. Механика: Учеб. пособие для студентов вузов / Под ред. А. Д. Гладуна. – М.: Высш. шк., 1990. С. 7-22, 23-31.

Лабораторная работа № 9 исследование полупроводниковых выпрямителей

Приборы и принадлежности: источник тока, селеновый и германиевый выпрямители, 2 реостата, миллиамперметр, микроамперметр, вольтметр, переключатель, ключ.

Цель работы – исследование зависимости силы тока, проходящего через выпрямитель, от величины и направления приложенного напряжения; определение коэффициента выпрямления.

Краткая теория

В отношении электропроводящих свойств все вещества делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. Удельное сопротивление металлов порядка 10^–8 – 10^–6 Омм, полупроводников – 10^–5 – 10⁸ Омм, диэлектриков – 10⁸ – 10¹³ Омм.

Характерной особенностью полупроводников является то, что их электрические свойства резко изменяются под влиянием ряда физических факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей.

1. Пусть в кристалле германия Ge имеется в виде примеси атом сурьмы Sb (рис. 9.1).

Рис. 9.1 Рис. 9.2

Атом германия четырехвалентен и имеет на внешней электронной оболочке четыре электрона. Валентность сурьмы равна пяти. Поэтому замена атома германия атомом сурьмы приведет к появлению избыточного электрона. Таким образом, атомы сурьмы добавляют в решетку германия избыточные электроны, причем в целом кристалл остается электрически нейтральным. При низких температурах эти электроны притягиваются положительными ионами сурьмы, при повышении температуры до комнатной, вследствие тепловых колебаний решетки, связь электрона с атомом сурьмы нарушается, он становится свободным.

Полупроводники, проводимость которых обусловлена избыточными электронами (электронная проводимость), называются полупроводниками n-типа (от лат. negative – отрицательный). Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются донорными (донорами).

2. Примером полупроводников с проводимостью иного типа может служить тот же кристалл германия, но с примесью бора В (рис. 9.2). Атом бора трехвалентен. Вследствие структуры кристаллической решетки, обусловленной четырьмя валентными связями, атом бора захватывает один электрон у соседнего атома германия. Последний, в свою очередь, может захватить электрон у другого атома германия и т.д. Такое последовательное «перескакивание» электронов, очевидно, эквивалентно движению в противоположную сторону положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Дело обстоит так, будто перемещается «место электрона» – положительно заряженная «дырка».

Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием «дырок» (дырочная проводимость), называются полупроводниками p-типа (от лат. positive – положительный). Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называются акцепторными (акцепторами), так как они захватывают электроны.

Рассмотрим механизм выпрямления тока на границе полупроводников p- и n-типов.

При отсутствии внешнего поля (рис. 9.3, а) положительные дырки диффундируют в n-полупроводник и нейтрализуют часть электронов. Свободные электроны из n-полупроводника также диффундируют в р-полупроводник, нейтрализуя часть дырок. В результате правый полупроводник оказывается заряженным положительно, а левый – отрицательно, возникает контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшему перемещению электронов и дырок через границу.

Приложим к рассмотренной системе разность потенциалов – плюс – к р-полупроводнику, минус к n-полупроводнику (рис. 9.3, б). В этом случае внешняя разность потенциалов будет уменьшать контактную разность потенциалов. Электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи, дырки – к отрицательному, по цепи пойдет большой ток (прямой ток).

Рис. 9.3

Если поменять полярность внешней батареи, то приложенное поле стремится оттянуть заряды обоих типов от границы, создавая в области контакта обедненную свободными зарядами зону (рис. 9.3, в). Величина тока в этом случае будет очень мала и обусловлена тепловой диффузией электронов и дырок (обратный ток). С известной степенью приближения зону, обедненную свободными зарядами, можно уподобить диэлектрику. Полупроводники могут выдерживать возрастающее обратное напряжение до наступления пробоя порядка 100 В.

Если внешнюю батарею заменить источником переменного тока, то в течение одного полупериода будет наблюдаться значительный ток, в течение другого – очень малый, т.е. система будет служить выпрямителем.

Кривая зависимости силы тока I от напряжения U, приложенного к выпрямителю, называется его вольт-амперной характеристикой (рис. 9.4).

Рис. 9.4