4. Полупроводниковый диод

Другим примером нелинейного элемента является полупроводниковый диод. Диод состоит из двух полупроводников с разными типами проводимости, которые соединены между собой. На границе соединения образуется так называемый p–n-переход, который и отвечает за нелинейные свойства диода.

В зависимости от того какие носители электрического заряда преобладают различают два типа полупроводников. У одних концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. Это полупроводники p-типа (p — positive — положительный). У других концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Такие полупроводники называются n-типа (n — negative — отрицательный). Различие свойств достигается внедрением в структуру вещества специфических примесей. Даже ничтожные количества примесей весьма сильно увеличивают электропроводность полупроводников. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, называются донорами. Примером донорной примеси могут служить атомы мышьяка, вводимые в кристаллическую решетку кремния. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками п-типа.

Примеси другого типа, называемые акцепторными, вызывают появление дырок, то есть вакантных мест, возникающих в результате разрывов валентных связей. Оказывается, что в электрических и магнитных полях дырки движутся так же, как двигались бы положительно заряженные частицы с зарядом, равным по величине заряду электрона. Таким образом образуется дырочная проводимость, то есть проводимость р-типа, а полупроводники с такой проводимостью называются полупроводниками р-типа.

Сами по себе полупроводники n-типа или р-типа не имеют каких-либо особенностей, и при постоянной температуре для них выполняется закон Ома. В этом случае вольтамперная характеристика (ВХА) имеет вид прямой линии проходящей через начало координат (рис.1). Температурная зависимость сопротивления такого полупроводника изучалась в работе №6.

Г раница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (р-п–переходом). Сопротивление рп-перехода зависит от величины проходящего через него тока. Поэтому рп-переход является нелинейным элементом. Идеализированная ВАХ рп-перехода показана на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Вольтамперная характеристика диода. Пунктиром условно показана ВАХ линейного сопротивления.

Кроме нелинейных свойств величина проходящего через рп-переход сильно зависит от направления тока. Если ток идет в направлении от р к п-полупроводнику, то сопротивление перехода сравнительно мало; это направление называют пропускным или прямым. На рис. 1 эта часть ВАХ находиться в области положительных значений тока и напряжения.

При пропускании тока в направлении от п- к р-полупроводнику (обратное направление) сопротивление перехода возрастает в несколько тысяч раз по сравнению с его сопротивлением в пропускном направлении. Это значит, что рп-переход фактически обладает односторонней проводимостью. На корпусе диода стрелкой указывают его пропускное направление.

Одностороння проводимость диода широко применяется для выпрямления переменного тока. На рис 13.4 показана работа диода в качестве выпрямителя. Положительные полупериоды переменного тока проходят через диод, так как его сопротивление в пропускном направлении мало и в нагрузке R_н протекает пульсирующий ток. Отрицательные полупериоды не проходят через диод. В этом случае ток в нагрузке равен нулю. Таким образом, после диода получается одно полярное напряжение. Если сгладить пульсации, то можно получить постоянное напряжение.

Рис. 13.4. Выпрямление переменного тока с помощью полупроводникового диода.

В данной работе экспериментально определяется зависимость силы тока, протекающего через полупроводниковый диод, от приложенного к диоду напряжения.

Задание 1

Сборка электрической схемы способом пайки

Принадлежности: монтажная плата, провода, радиодетали, паяльник, пинцет, нож, припой и канифоль.

Содержание задания. Собрать по предложенной схеме цепь для измерения вольтамперных характеристик.

Сборка схемы

Для измерения вольтамперной характеристики лампы собрать схему, приведенную на (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Принципиальная схема для снятия ВАХ лампочки. 1 – переменное сопротивление в качестве потенциометра, 2 – индикаторная лампа.

Для сборки схемы предназначена специальная монтажная плата. На плате с одной стороны установлены клеммы для подключения источника питания, лампы и входов компьютерного мультиметра. С противоположной стороны платы установлены гнезда, которые можно использовать для подключения обычных измерительных приборов. Для регулировки напряжения в качестве потенциометра на плате установлено переменное сопротивление.

Согласно монтажной схеме (рис. 4) необходимо выполнить соединения методом пайки.

Рис. 13.6. Пример монтажа схемы для измерения вольтамперной характеристики лампы.

1. Компьютерный мультиметр. 2. Кабель. 3. Ограничивающий резистор. 4. Переменный резистор. 5. Монтажная плата.

Задание 2.

ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМПЫ

1. Перед началом измерений установить на мультиметре пределы 25 В и 25 мА.

2. Включить компьютер. После загрузки Widows запустить программу виртуального мультиметра. Файл ADС (приложение) в папке ADС на рабочем столе. В меню «Приборы» и открыть панели DC-вольтметр и DC-амперметр.

3. Запустить программу Excel (Origin). Обе программы находятся на рабочем столе.

4. Включить питание.

5. На панели программы ADC нажать зеленый треугольник. Вращая ручку потенциометра на монтажной плате установить нулевое напряжение.

6. Изменяя напряжение переменным резистором от нуля до 4.5 В провести измерения тока лампы не менее чем при 10-15 различных напряжениях источника питания. Шаг изменения напряжения 0.2 - 0.3 В. Одновременно все получаемые значения показаний вольтметра и миллиамперметра записать в книге Excel в две колонки.

Задание 3.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВАХ ЛАМПЫ

1. В Excel построить график ВАХ лампы. «Мастер диаграмм». «Точеная диаграмма». «Готово».

2. Пользуясь инструментом «Линия» из набора панели рисования провести на графике прямую линию. Прямую линию приблизительно совместите с экспериментальным графиком. Сделайте выводы о выполнимости закона Ома для данного проводника.

3. В области малых значений напряжений выбрать приблизительно линейный участок и вычислить дифференциальное сопротивление (13.1). Для этого запрограммируйте вычисления в любой ячейке Excel.

4. Повторите подобные вычисления для участка в области максимальных напряжений.

5. По формуле 13.3 здесь же в Excel рассчитайте значение температуры нити лампочки. Температурный коэффициент удельного сопротивления вольфрама  = 0.0046 С^-1.

6. Все вычисления на странице Excel следует сопроводить пояснительными надписями. Файл с результатами расчета сохранить на флешке или на рабочем столе с указанием фамилии студента. Для отчета распечатать страницу.

Задание 4

ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ДИОДА

1. Воспользоваться схемой собранной в предыдущем опыте. Вместо лампы включить диод. Обратите внимание, чтобы ток через диод протекал в пропускном направлении. Направление тока текущего от плюса к минусу должно совпадать с направлением нарисованной на корпусе диода стрелки.

2. Учтя опыт работы с данной монтажной схемой выставить потенциометр на ноль. Включить питание. Провести измерения тока через диод не менее чем при 5 различных напряжениях источника питания, меняя напряжение переменным резистором от нуля до примерно 1 – 2 В с шагом примерно 0.2 В. Данные заносите в Excel на отдельную страницу.

3. Отключить питание. Поменять полярность включения диода. Теперь стрелка на корпусе должна быть направлена встречно направлению тока. Провести измерение тока во всем диапазоне напряжений до 5 В. Шаг изменения напряжения 0.5 В.

4. Построить график вольтамперной характеристики диода (см. рис. 1). Перед построением графика следует правильно проставить знаки перед значением U и I, а так же учесть порядок размещения в данных таблице, в начале отрицательные значения потом положительные значения.

5. Для линейного участка в области положительных напряжений вычислить дифференциальное сопротивление.

6. Вычислить дифференциальное сопротивление для области отрицательных напряжений.

7. Сравнить полученные результаты и сделать вывод о проводимости диода для прямого и обратного включения.

8. Все результаты оформить аналогично предыдущему случаю.

Отчет о работе должен содержать:

1. Краткое изложение теории.

2. Схема по которой собиралась опытная установка.

3. Графики вольтамперной характеристики лампы и диода.

4. Расчеты сопротивлений.

Контрольные вопросы

1. Принцип работы компьютерных приборов.

2. Что такое вольтамперная характеристика.

3. Линейные и нелинейные проводники.

4. Объясните принцип работы диода.

5. Почему диод можно использовать для выпрямления переменного тока.

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики, T.5.−М.: Физматлит, 1998.

2. Киреев П.С. Физика полупроводников. – М.: Высшая школа, 1975.

1 Ж. Био и Ф. Савар открыли этот закон в 1820 г., который был обобщен П. Лапласом.

2 Э. Холл (амер. физ.) открыл этот эффект в 1879 г. в тонких пластинках золота.

3 Гипотезу о том, что магнетизм связан с круговыми токами в веществе, высказал еще А. Ампер (фран. физ.) в 1820 г.

4 Что такое диамагнетизм вещества?

5 Диамагнетизм был открыт М. Фарадеем (анг. физ.) в 1845 г.

6 Какие вещества называю парамагнетиками?

7 Что такое намагниченность магнетика?

8 Какая величина называется напряженностью магнитного поля?

9 Первая кривая магнитной проницаемости получена А. Г. Столетовым 1874 г.

10 Каков физический смысл коэрцитивной силы?

11 Магнитный гистерезис был открыт почти одновременно нескольким учеными в 1880-1882 г.

12 Экспериментальное доказательство существования ферромагнитных доменов получено Г. Баркзаузеном (нем. физ.) 1919 г.

13 Теория доменного строения создана Я, И. Френкелем и Я. Г. Дорфманом в 1930 г. В 1934 к развитию этой теории приложили руку Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц (все сов. физики.).

14 Что такое точка Кюри? П. Кюри (фран. физ.) открыл этот закон в 1895 г.

15 М. Фарадей (анг. физ) открыл закон электромагнитной индукции в 1831 г.

16 Э. Х. Ленц (рус. физ.) сформулировал это правило в 1833 г.

17 Дж. Генри (амер. физ.) открыл явление самоиндукции в 1832 г.

18 Подумайте для чего необходимо выполнение условия для величины сопротивления.

19 Какая цепь называется колебательным контуром?

20 Какой ток называется квазистационарным?

21 Каким уравнением описываются процессы в контуре при R = 0?

22 Каким уравнением описываются гармонические колебания?

23 У. Томсон (анг. физ.) развил теорию колебаний в контуре в 1853 г.

24 Что такое формула Томсона?

25 Почему затухают колебания в реальном контуре?

26 Каким уравнением описывается затухающие колебания?

27 Что такое добротность контура?

28 Что такое критическое сопротивление?

29 Каковы причины затухания в реальном контуре? Будут ли затухать колебания в контуре из сверхпроводника?

0