pdf_labs / may05012

11

О сновны м элементом полупр оводниковы х диодов я вля ется электр онноды р очны й или p-n пер еход, обр аз уемы й в тонком слое на гр анице двух полупр оводников ср азличны митипами пр оводимости– электр онного(n-тип) и ды р очного (р -тип). В n-полупр оводникеосновны ми носителя ми тока я вля ются свободны е отр ицательно (negative) з ар я ж енны е электр оны , концентр ация котор ы х nn многокр атно пр евы ш ает концентр ацию pn неосновны х носителей – ды р ок (р ис.1б). В р -полупр оводнике основны ми носителя ми тока я вля ются полож ительно(positive) зар я ж енны еды р ки, концентр ация котор ы х р р вомного р аз пр евы ш ает концентр ацию неосновны х носителей nр . Электр оны в р -области

пр отивополож ной поля р ности. С уходом электр она из n-области, в ней остается ионизир ованны й атом донор ной пр имеси, котор ы й пр едставля ет неподвиж ны й (неучавствующ ий в пер еносетока) полож ительны й зар я д. А налогичносуходом ды р ки в р -области остается неподвиж ны й отр ицательно ионизир ованны й атом акцептор ной пр имеси. Пр и взаимодействииэлектр оны иды р кир екомбинир уют (исчезают) и в области p-n пер ехода возникает электр ическое поле Е 0, обр азуемоенеподвиж ны ми ионизир ованны ми донор ами и акцептор ами (р ис. 1а). Этополев области p-n пер ехода, обедненной носителя ми (р ис. 1б), создает потенциальны й бар ьер (р ис.1в), пр епя тствующ ий дальнейш ему пер еходу электр онов иды р ок.

У станавливается р авновесноесостоя ние, пр и котор ом объемны еобласти, р асполож енны епо р азны естор оны p-n пер ехода, имеют р азличны еэлектр ическиепотенциалы . Потенциал р -области оказы вается ниж епотенцила n-области (р ис. 1в). Т .к. областьp-n пер ехода обеднена носителя ми, ееудельноеэлектр и-

Пр и подключении кполупр оводниковому диоду внеш него электр ическогонапр я ж ения (р ис.2а и3а), областьp-n пер ехода, в зависимостиот поля р ности этого напр я ж ения , будет р асш ир я ться или суж аться . О чевидно, ср асш ир ением области p-n пер ехода сопр отивлениедиода в целом будет увеличиваться . Д иод закр ы вается , пр епя тствуя пр охож дению тока. Суж ениеобласти вы сокого сопр отивления пр иводит куменьш ению сопр отивления диода идиооткр ы вается .

Т аким обр азом, вентильны есвойства полупр оводникового диода объя с- ня ются наличием p-n пер ехода, от сопр отивления котор ого зависит величина тока, пр опускаемогодиодом.

13

Рассмотр им диод пр и подачена него пр я мого и обр атного внеш него напр я ж ения . Пр я мы м напр я ж ением назы вают такоенапр я ж ение, пр икотор ом кр - области пр илож ен полож ительны й потенциал, а к n-области – отр ицательны й (р ис. 2а). Пр и обр атном напр я ж ении р -область находится под отр ицательны м потенциалом, а n-областьпод полож ительны м (р ис. 3а).

Пр и пр я мом напр я ж ении полеЕ вн, создаваемоевнеш ним источником, имеет напр авление, пр отивополож ноевнутр еннему полю Е о. Это пр иводит к пониж ению потенциальногобар ьер а (р ис. 1в), суж ению области p-n пер ехода и уменьш ению сопр отивления диода (р ис. 2б). С увеличением пр я могонапр я ж е- ния в

неш нееполеЕ вн полностью компенсир ует внутр еннееполеЕ о, бар ьер исчезает и сопр отивлениедиода пр актическипадает донуля . Н а р ис. 2в показана зависимостьпр я моготока от величины пр я могонапр я ж ения Iпр(Uпр).

Пр иобр атном напр я ж енииполя Е вн и Е осклады ваются (р ис. 3а), потенциальны й бар ьер увеличивается (р ис. 1в), областьp-n пер ехода свы соким удельны м сопр отивлением р асш ир я ется и сопр отивлениедиода воз р астает (р ис. 2б). Д иод закр ы вается . Н а р ис. 3в показана зависимостьобр атноготока от величины

обр атного напр я ж ения Iобр (Uобр ). Д ля удобства пр я мую Iпр(Uпр) и обр атную Iобр (Uобр ) зависимости объединя ют в единую, так назы ваемую вольт-ампер ную

хар актер истику диода, вид котор ой показан на р ис. 4.

Таким обр азом, пр ипр я мом напр я ж ениидиод откр ы т ивеличина тока че-

рез диод опр еделя ется в основном сопр отивлением нагр узки Rн, включаемой последовательно сдиодом. Пр и обр атном напр я ж ении диод закр ы т, его сопр о- тивлениевелико и токчер ез нагр узку пр актически неидет. Е сли кпоследовательно соединенны м полупр оводниковому диоду и р езистор у подключить источникпер еменногонапр я ж ения синусоидальной ф ор мы (р ис. 5а), тов течение одногополупер иода, когда диод откр ы т, напр я ж ениена р езистор ебудет повто-

р я тьнапр я ж ениеисточника Uвх. В следующ ий полупер иод диод закр ы т и на-

пр я ж ениена р ез истор еUвы х будет р авнонулю (р ис. 5б). Т акр аботает однополупер иодны й вы пр я митель, напр я ж ениена вы ходекотор ого будет пульсир ую-

щ им.

В больш инствепр актических случаев тр ебуется стабильноепостоя нное напр я ж ениебез пульсаций. Д ля сглаж ивания пульсаций использ уются р азличного р ода стабилизатор ы постоя нного напр я ж ения . В пр остейш ем случаер оль сглаж ивающ егоэлемента мож ет вы полня тьконденсатор (р ис. 6а). Пр иувеличении пр я мого напр я ж ения диод откр ы вается , егосопр отивлениеуменьш ается , и напр я ж ениеUвы х на р езистор еRн иконденсатор еС будет повтор я тьнапр я ж ение Uвх. С уменьш ением входного напр я ж ения , напр я ж ениена р езистор еRн поддер ж ивается напр я ж ением зар я ж енногоконденсатор а инеуспевает следоватьз а уменьш ением напр я ж ения на входевы пр я мителя . К онденсатор пр одолж ает р аз - р я ж аться чер ез р езистор Rн в течениеследующ его полупер иода, когда диод полностью закр ы т. В р емя р азр я да конденсатор а опр еделя ется вр емененем р е- лаксации τ=RнС. Поэтому, чем больш еемкость сглаж ивающ его конденсатор а, тем меньш епульсациивы пр я мленногонапр я ж ения на вы ходевы пр я мителя .

15

О сновны мипар аметр амиполупр оводниковы х диодов я вля ются величины

Iпр, Iобр , Uпр иUобр . О нир азличны для р азличны х типов ивидов диодов. Пр ипр е- вы ш ениидопускаемогопр я моготока Iпр для конкр етногодиода диод пер егр ева-

ется ивы ходит из стр оя . Пр ипр евы ш ениидопускаемогообр атногонапр я ж ения

Uобр мож ет наступитьэлектр ический пр обой, чтотакж епр иводит кр азр уш ению диода. Д р угимипар аметр амидиодов я вля ются – пр едельная темпер атур а ичас-

тотны й интер валэксплуатациидиода, габар иты ипр.

О писан ие м акета. Н а р ис.7 изобр аж ен лабор атор ны й макет. М акет питается от сети пер еменного напр я ж ения 220 В . Н апр я ж ениесети подается на пониж аю-

го подобр ана так, что Rпр<<Rн<<Rобр . К онденсатор ы р азличной емкости С1, С2, С3, С4, С5 объединены в блоки соединены спер еключателем К , что позволя ет

изменя тьвеличину емкости, неотключая каж ды й р аз макет от сети пр и смене конденсатор а. Д ля виз уального наблюдения ф ор мы сигнала использ уется электр онны й осциллогр аф Э О .

У пражн ен ие 1. В из уальноенаблюдениеф ор мы сигнала на вы ходепониж ающ е-

гр аф .

3. Пр ивключенном генер атор ер азвер ткиосциллогр аф а наблюдатьф ор му пер е- менного тока чер ез р езистор Rн. Регулир уя усилениесигнала по вер тикали осциллогр аф а, добиться полного отклонения луча на экр ане. Регулир уя частоту р азвер тки, получитьизобр аж ение2–3 пер иодов пер еменноготока.

4. Зар исоватьосциллогр амму.

16

У пражн ен ие 2. В из уальноенаблюдениевольт-ампер ной хар актер истики полу-

У пражн ен ие 4. Сглаж иваниепульсаций вы пр я мленногонапр я ж ения пр и однополупер иодном вы пр я млении.

1.О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф .

2.В схемепр еды дущ егоупр аж нения кр езистор у Rн подключитьблокконденсатор ов, какпоказанона р ис.10.

Рис.10

3.В ключитьмакет в сеть.

4.Поставить пер еключатель К в кр айнеелевоеполож ение(конденсатор ы отключены ) ивоспр оизвестиосциллогр амму пр еды дущ егоупр аж нения .

5. Последовательно увеличивая емкость сглаж ивающ его конденсатор а пер е- ключателем К , наблюдатьуменьш ениепульсаций вы пр я мленноготока.

6. Зар исовать семейство осциллогр амм вы пр я мленного напр я ж ения с р аз личны миур овня мипульсаций.

17

У пражн ен ие 5. Д вухполупер иодны й вы пр я мительсоср едней точкой.

1.О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф .

2.Собр атьсхему р ис.11.

Упражн ен ие 6. М остовой двухполупер иодны й вы пр я митель.

1.О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф .

2.Собр атьмостовую схему вы пр я мления , показанную на р ис.12.

3.В ключитьмакет в сетьинаблюдатьф ор му сигнала на вы ходедвухполупер и- одногомостовоговы пр я мителя .

4.Зар исовать осциллогр амму. Ср авнитенапр я ж ениена вы ходемостового вы -

пр я мителя снапр я ж ением, наблюдаемы м в пр еды дущ ем упр аж нении.

Рис.12

У пражн ен ие 7. Сглаж иваниепульсаций вы пр я мленногонапр я ж ения пр и двухполупер иодном вы пр я млении.

1.О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф .

2.В схемепр еды дущ егоупр аж нения кр езистор у Rн подключитьблокконденсатор ов, какпоказанона р ис. 13.

Рис.13

3.В ключитьмакет в сеть.

4.Поставитьпер еключательК в кр айнеелевоеполож ение(конденсатор ы отлючены ) ивоспр оизвестиосциллогр амму пр еды дущ егоупр аж нения .

р еRн ср азличны миур овня мипульсаций.

Реком ен даци при подготовке отчета оработе

О тчет долж ен содер ж ать:

1.К р аткиесведения ополупр оводниковом диоде, пр инципеегор аботы .

2.Электр ическиесхемы всех упр аж нений.

3.И з обр аж ения осциллогр амм всех упр аж нений, вы полненны ев относительном масш табе.

4. К р аткиевы воды по р аботе, вкючающ иесопоставлениер азличны х схем вы - пр я мления , их достоинства иогр аничения .

К он трол ь н ые вопросы

1. Н азначение вы пр я мителей. Ср авнение полупр оводниковы х и вакуумны х диодов.

2.Пр инципр аботы полупр оводниковы х диодов. Электр онно-ды р очны й пер е- ход, пр ир ода его обр азования . Распр еделениепотенциала, сопр отивления , концентр аций носителей тока вдоль p-n пер ехода пр и пр я мом и обр атном напр я ж ениина диоде.

3.О сновны епар аметр ы полупр оводниковы х диодов.

4.В ольт-ампер ная хар актер истика полупр оводниковогодиода, методика ееосциллогр аф ир ования .

5.О сновны есхемы вы пр я мления – однополупер иодны й вы пр я митель, двухполупер иодны й вы пр я мительсоср едней точкой, двухполупер иодны й мостовой вы пр я митель. И х достоинства иогр аничения .

6.Рольконденсатор а пр исглаж иваниипульсаций вы пр я мленноготока.

Л итература

19

Составители: А лейников Н иколай М ихайлович, А лейников А лексей Н иколаевич

Редактор Т ихомир ова О .А .