dircurrent1

Если просто прижать электронный полупроводник к дырочному, то выпрямляющего действия не будет из-за нарушения пра вильности кристаллической решетки у поверхности раздела. Кон тактный слой получают внутри кристалла. Для этого в процессе е го выращивания из расплава добавляют вначале в расплав сначал а примеси, создающие дырочную проводимость, а затем — создающи е электронную проводимость (или наоборот). При другом метод е изготовления полупроводниковых приборов примеси вводтся в кристалл путем диффузии. Концентрация примесей составляет де сятитысячные доли процента.

На рис. 2 показана (с сильным искажением масштабов) типична я вольтамперная характеристика полупроводникового диода .

Для напряжения, приложенного в направлении проводимости или

41

пропускном (оно считается положительным), сопротивление мало, а для напряжения, приложенного в направлении запирания — очень велико. При очень большем запирающем напряжении проводим ость вновь увеличивается, так как быстро движущиеся электроны (или дырки), сталкиваются с атомами, отрывают от них электроны, так что число свободных электронов и дырок увеличивается. При дальнейшем увеличении тока сопротивление падает настолько б ыстро, что при возрастании тока падение напряжения на диоде умен ьшается. Если ток возрастает еще больше, то наступает пробой кон тактного спая и диод разрушается.

J Пропускное

Если диод включен в цепь с заданным напряжением, превышаю щим определенного значения (рис. 2), то ток будет неограниченно нарастать, пока не наступит пробой контактного слоя и разрушен ие диода. Задавая ток через диод, эту область можно исследовать э кспериментально.

Из рис. 2 видно, что характеристика диода не линейна — его со - противление зависит от напряжения. Для практических целей удобно заменить ее идеализированной характеристикой, образо ванной двумя прямыми линиями (пунктир на рис. 2). При такой идеализа - ции диод можно характеризовать двумя значениями сопроти вления

42

— сопротивление проводника Rïð сопротивлением запирания Rçàï, которые определяется тангенсами углов наклона двух ветв ей идеализированной характеристики к оси токов. Качество диода к ак выпрямителя определяется отношением сопротивлений, которо е называется коэффициентом выпрямления.

Ê = Rçàï

Rïð

Кроме того, диод характеризуется предельными значениям п рямого тока и обратного напряжения. Превышение этих значени й приводит к гибели диода.

Целью данной работы является изучение свойств полупрово дникового диода: построение вольтамперной характеристики, о пределение сопротивлений проводимости и запирания и коэффици ента выпрямления.

2. Получение вольтамперной характеристики

а) Измерения при прямом токе

Соберите схему рис. 3.

+

4Â

1 2

–

mA

Ðèñ. 3.

В этой схеме ток регулируется двумя реостатами с сопротив лением 2000 Ом и 100 Ом. Общее сопротивление этих реостатов позволяет снижать ток до 2 мА, а низкоомный реостат дает возможност ь регулировки при больших токах. Ток измеряется миллиампер мет-

43

ром 75 мА, напряжение — многошкальным вольтметром, у которого используется в основном 1,5-вольтовая шкала (только для н екоторых типов диодов приходится переходить на 7,5-вольтовую ш калу).

Можно ли сразу включить вольтметр на 1,5-вольтовую шкалу? Почему?

Переключатель К позволяет использовать любую из возможных схем включения измерительных приборов. Перед началом раб оту нужно проверить, какая из этих схем дает меньшую ошибку в д анных условиях. Это следует делать при большом токе и напряж ении (один из приборов должен отклоняться почти на всю шкалу). П усть в положении переключателя 1 показания приборов равны J1 è V1, в положении 2 — J2 è V2. истинное напряжение и ток в диоде равны V = V2, J = J1. Ошибки, вносимые приборами, равны в первой схеме dV1 = V1 – V2; dJ = 0 во втором приборе — d V2 = 0. dJ2 = J2 – J1.

Следует сравнить относительные ошибки δVV1 è δJJ2 и выбрать схе-

му в которой ошибка меньше.

Из этих же измерений определяется сопротивление приборо в:

Если при работе потребуется перейти на 7,5-вольтовую шкалу вольтметра, то следует определить его сопротивление и при таком включении.

Это не вполне точно, так как при переключении вольтметра т ок в диоде и напряжение на нем могут измениться. Но это изменение будет заметно, только если сопротивление амперметра срав нимо с сопротивлением вольтметра, чего обычно не бывает.

Для построения вольтамперной характеристики следует из мерить значение тока и напряжение не менее чем в 10-15 точках. Необход и- мо тщательно исследовать начальный участок кривой, где он а резко нелинейна.

В результате измерений следует внести поправки на провод имость вольтметра или на сопротивление амперметра (в зависимост и от выбранной схемы), пользуясь найденными ранее значениями сопро-

44

тивлений приборов. Поправки вычисляются по формулам:

В схеме рис. 3 можно непосредственно измерять истинные зна че- ния J и V, но этого не следует делать, так как в практической работе такую схему обычно не применяют.

б) Измерения при обратном токе

Для перехода к измерениям при обратном токе переключите в схеме рис. 3 полюса диода и включите вольтметр на 7,5-вольтовую шкалу. Проверьте, можно ли теперь регулировать напряжение на диоде и ток в нем с помощью реостата. Объясните результат.

Соберите схему рис. 4. Здесь регулировка напряжения осущес твляется потенциометром с сопротивлением 2000 Ом, ток измеряет ся микроамперметром на 10 мкА, вольтметр должен быть включен н а 45-вольтовую шкалу.

Ðèñ. 4.

Поставив переключатель К в положение 2, осторожно повышае м напряжение. Когда отклонение микроамперметра станет бол ьшим, переведите переключатель в положение 1. (Почему нельзя работать в обратной последовательности?) Определите ошибку, вносимую приборами в каждой из схем, выберите наиболее выгодную сх ему и определите сопротивление приборов. После этого попросит е преподавателя подать на схему напряжение 42 вольта и приступи те к

45

измерениям, пользуясь указаниями, данными выше для случая прямого тока.

в) Построение вольтамперной характеристики, определение прямого и обратного сопротивлений и коэффициента выпрямлен ия

Постройте вольтамперную характеристику в масштабе 1 мм = 0,5 В, 1 мм = 1мА. Этот масштаб позволяет разместить всю характери с- тику на листе 10 х 10 см. Позволяет ли он отразить детальный хо д характеристики? Какого размера пришлось бы сделать графи к, чтобы он отвечал этой задаче?

На практике подобные характеристики строят выбирая масш табы для прямого и обратного направления тока через диод независимо друг от друга, но располагая графики как обычно, в первом и в третьем квадратах координатной сетки. Постройте такой гр афик, выбирая масштабы в соответсвии с обычными правилами (т.е. исходя из погрешностей измерений). Дает ли он наглядное представление о выпрямительных свовйствах диода?

Определите сопротивление диода в направлении пропускан ия и в направлении запирания. Следует определить полное сопро тивление при максимальных напряжениях, применявшихся при измере-

тельной и вольтамперной характеристике в начале координ ат.

Вычислите коэффициент выпрямления для больших и малых на - пряжений.

Некоторые виды диодов могут работать на падающем участке характеристики (рис. 2). В этой области дифференциальное сопро-

тивление Räèôô. = dVdJ отрицательно, и до появления кристалличес-

46

ких триодов этим пользовались для создания генераторов в ысоко- частотных электрических колебаний. На схеме рис. 5 показал и такой генератор (кристадин).

Å Ä

C

Ðèñ. 5

ЭДС батареи и сопротивление R выбраны так, чтобы диод работал в области падающего участка характеристики. Величина сопротивления R должна быть больше, чем отрицательное сопротивле-

ние диода R > dV и тогда пробоя не происходит (для всей цепи ока- dJ

зывается dVdJ > 0 ). В то же время отрицательное сопротивление ди-

ода, включенное в колебательный контур, компенсирует его собственное сопротивление. Если это отрицательное сопротив ление достаточно велико, то компенсация будет полной, и в контур е возбудятся незатухающие колебания.

Диоды с падающей характеристикой применяются также в ста - билизаторах напряжения.

По специальному разрешению преподавателя и дежурного ла боранта студент может провести исследование вольтамперно й характеристики диода в области отрицательного сопротивления . Предел допустимого тока через диод в этом случае укажет лаборант . Для

того, чтобы ток в области dVdJ < 0 не нарастал безгранично, необхо-

димо включить в схему последовательно с диодом сопротивл ение не менее 50 Ом (показано на рис. 4 пунктиром).

47

Отчет должен содержать:

1.результаты сопротивления различных схем включения приборов — вольтамперметра, амперметра, реостата (потенциомет ра);

2.вычисление сопротивлений электроизмерительных приборов;

3.результаты измерений токов и напряжений через диод с поправками на энергию, потребляемую измерительными прибор ами;

4.вольтамперную характеристику в едином масштабе и с разными масштабами для прямого и обратного токов;

5.вычисление прямого и обратного сопротивления диода для больших и малых токов;

6.вычисление коэффициента выпрямления для больших и малых токов.

В тексте описания подчеркнуто два вопроса, ответ на котор ые необходимо дать на коллоквиуме перед работой.

Лабораторная работа ¹ 8

Изучение потерь на перемагничивание методом гистерезиса

Краткая теория. Ферромагнетизм.

Известно соотношение Â = Í î + 4π ρ , ãäå Â — магнитная индук-

ция в среде, ρ — вектор намагничивания в среде, Í î — напряженность внешнего магнитного поля.

Вектор намагничевания ρ можно считать связанным с Í î следующим соотношением:

ρ = õ(Íî )Í î

ãäå õ(Íî) — магнитная восприимчивость среды, которая в общем случае зависит от величины внешнего магнитного поля. Обо-

значая m = 1 + 4pх получаем Â = μ Í î

48

m носит название магнитной проницаемости среды.

Вещества, для которых m велика, называются ферромагнетика - ми. Ферромагнетики обладают следующими свойствами:

1.Ферромагнетики сохраняют намагниченность и после того, как поле Í прекратило свое действие.

2.В отличие от пара- и диомагнетиков для ферромагнетиков х =

õ( Í î ) .

Отметим, что выражение справедливо лишь для однородных ма г- нетиков. В случае, когда m является функцией координат, опреде-

лим величину Í êàê Í î = μ1 Â .

Очевидно, что в случае однородного магнетика Í = Í î . График

зависимости х (Н) для некоторых ферромагнетиков представ лен на рис. 1.

Õ

Õn

Ðèñ. 1.

Для ферромагнитных веществ имеет место так называемый ги с- терезис. Суть его состоит в том, что намагничивание r (а следовательно, и индукция В ) является неоднозначной функцией о т напряженности внешнего магнитного поля Н. На рис. 2. приведен гра фик зависимости В(Н) для ферромагнетиков, который получил название петли гистерезиса.

Кривая ОС называется кривой намагничиваная, по которой производится намагничивание ферромагнетиков до некоторого значе- ния Вm. Далее, при снятии поля Н происходит размагничивание ферромагнетика, но не по кривой ОС, а по кривой CF при Н = 0, В ¹ 0.

49

Ðèñ. 2.

Отрезок OF на оси ОВ получил название остаточного намагни- чивания. Далее, для снятия остаточного намагничивания необходимо изменить направление Н. Величина Н, при которой В = 0 (отрезок OD на рис. 2) подучила название коэрцитивной напряженности (силы). Для различных ферромагнетиков OD и OF принимают различные значения.

Для наблюдения на экране осциллографа петли гистерезиса используется следующая схема (рис.3.). Покажем, что изображе н- ная на рис. 3 схема действительно позволяет получить петлю гистерезиса. Для получения на экране петли необходимо подать н а вертикально отклоняющие пластины напряжение пропорциональ ное

вектору магнитной индукции Â в среде, а на горизонтально отклоняющие — напряжение, пропорциональное вектору магнитной ин-

Ðèñ. 3.

50