Лабораторная работа №13 Изучение работы полупроводникового диода и двухполупериодного выпрямителя
Студент должен знать: основные положения и понятия зонной теории; различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками согласно зонной теории; типы полупроводников, образование и свойства p-n перехода; устройство и вольтамперную характеристику полупроводникового диода; схему и принцип работы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром; электропроводность тканей организма, первичное действие на них постоянного тока; применение постоянного тока в лечебных целях (гальванизация и электрофорез).
Студент должен уметь: работать с электроизмерительными приборами, выпрямителем, использовать для исследования осциллограф.
Краткая теория
Выпрямитель, получивший в медицине название аппарата для гальванизации, служит для преобразования промышленного переменного тока в постоянный.
Этот аппарат состоит из выпрямляющего устройства, потенциометра и миллиамперметра. Потенциометр служит для регулирования выпрямленного напряжения, а миллиамперметр для измерения силы тока, пропускаемого через больного. Выпрямляющее устройство выполнено на основе полупроводниковых диодов.
Полупроводниковые диоды
В основу работы полупроводниковых диодов положено выпрямляющее свойство электронно-дырочного (p-n) перехода.
P-n переход представляет тонкий слой (10-4-10-5 см), образуемый на границе между двумя соприкасающимися полупроводниками с разными типами проводимости (рис.1). Так как кристалле p – типа концентрация дырок значительно больше, чем в кристалле n –типа, то они при контакте будут диффундировать из первого кристалла во второй.
Рис. 1
Аналогично, из n –
полупроводника в p – полупроводник
будут диффундировать электроны. В
пограничном слое электроны и дырки
встречаются и рекомбинируют друг с
другом, вследствие чего область контакта
обедняется основными носителями и
зарядами, и в контактной зоне образуется
двойной электрический слой за счет
некомпенсированных ионов примесей
положительных ионов доноров в n
– области и отрицательных ионов
акцепторов в р – области. Возникшее
в этом слое электрическое поле
напряженностью
будет препятствовать дальнейшему
переходу электронов в направлении n→p
и дырок в направлении p→n.
Через некоторое время при определенном
значении напряженности
установится подвижное (динамическое)
равновесие, при котором прекратятся
преимущественные переходы электронов
и дырок в указанных направлениях, т.е.
количество электронов и дырок, перешедших
из одного полупроводника в другой путем
диффузии будет равно количеству
электронов и дырок, возвращающихся
обратно под действием электрического
поля
.
В итоге в приконтактной области образуется тонкий слой с большим электросопротивлением, который называется запирающим слоем (т.к. вследствие рекомбинации концентрации носителей заряда в нем мала).
Сопротивление запирающего слоя можно менять с помощью внешнего электрического поля.
Если напряженность
внешнего поля совпадает по направлению
напряженностью
(рис.2), то оно еще дальше отодвинет
электроны и дырки от места контакта
полупроводников. Запирающий слой,
объединенный носителями зарядами,
расширится, а его сопротивление возрастет.
Ток в этом случае практически отсутствует
(величина тока, создаваемого неосновными
носителями заряда, будет пренебрежимо
мала, т.к. концентрации не основных
носителей в полупроводниках весьма
малы). Такое напряжение внешнего поля
(n→p)
называется запирающим, а малый ток –
обратным.
Рис. 2
Изменим полярность внешнего напряжения (рис.3). Тогда напряженность внешнего поля, направленная противоположно напряженности , будет перемещать свободные электроны, и дырки по направлению к контактному слою. Прилежащие слои полупроводников обогащаются носителями зарядов, запирающий слой сужается, а его сопротивление уменьшается. При определенном значении приложенного внешнего напряжения запирающий слой исчезнет и через полупроводник пойдет большой ток. Такое направление внешнего электрического поля (p→n) называется пропускным, а ток прямым.
Рис. 3
Вследствие этого сопротивление n-p - перехода от направления поля, он обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Если к такому контакту приложить переменное напряжение, через p-n – переход ток будет идти только в одном направлении: от p- проводника к n – полупроводнику.
Зависимость силы тока от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика полупроводникового диода) изображена на рис. 4. Здесь же приведены обозначения диодов на схемах, соответствующие пропускному и запирающему направлениям включения внешнего электрического поля.
Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов характеризуют коэффициентом выпрямления К, который равен:
.
Важной характеристикой полупроводниковых
диодов является максимальное обратное
рабочее напряжение
(см. рис. 4), превышение которого может
привести к пробою диода и нарушению его
работы.
Полупроводниковые диоды, обладая малыми габаритами, большой надежностью, долговечностью и высоким коэффициентом полезного действия, нашли использование в выпрямителях и, следовательно, являются основной частью аппарата для терапии постоянным током.
Iпрям
Uобр(max)
