Лабораторная работа № 9. Исследование полупроводниковых выпрямителей однофазного тока

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ОДНОФАЗНОГО ТОКА

Цель работы

Изучить устройство и принцип работы полупроводниковых вентилей. Снять вольт-амперную характеристику вен­тиля. Изучить схемы выпрямления переменного тока на диодах.

Общие сведения

В чистом монокристаллическом виде полупроводниковые материалы близки к диэлектрикам, так как не содер­жат свободных электронов (носителей тока). Носители тока в полупроводниках возникают лишь при поглощении энергии— тепловой, лучистой, электрической и т. д. Полупроводники можно сделать электропроводными, введя в их состав очень малое количество примесей (10 ^-5 – 10 ^{- 6} %) других элементов. Например, если в чистый германий, который является четырехвалентным элементом, добавить примесь пятивалентной сурьмы или мышьяка, то в нем увеличится число свободных электронов. Такой полупроводник называют полупроводником с отрицательным типом проводимости (n - тип). Если же введена примесь трехвалентных элементов (индия, галлия или алюминия), то в гер­мании окажется недостаток электронов, или, как говорят, в нем образуются,дырки",которые стремятся принимать электроны, то есть ведут себя как положительно заряженные носители тока. Такой полупроводник называют полу­проводником с положительным типом проводимости (р - тип). Полупроводниковый диод состоит из полупроводников с электронной (п - типа) и,дырочной" (р - типа) проводи­мостью. Область на границе этих полупроводников называют п-р - переходом. Здесь образуется слой, который способен хорошо пропускать электрический ток в одном направлении: когда минус источника соединён с n – слоем, а плюс – с р – слоем. При этом под действием электрического поля свободные электроны из п - слоя и,дырки" из р - слоя будут перемещаться навстречу друг другу.

Электрическое сопротивление п-р перехода в этом случае мало. В цепи возникает электрический ток, ограни­ченный в основном сопротивлением нагрузки R_Н (рис.1а). Если поменять полярность батареи питания (рис.1.6), то электроны из п -слоя устремятся к положительному электроду батареи, а „дырки" — к отрицательному: и те и другие удаляются от п-р — переходов. Сопротивление за­порного слоя в этом случае настолько велико, что практически ток в цепи отсутствует.

Направление тока от р -слоя к п -слою называется прямым I_пр, а направле-ние тока от п -слоя к р - слою — обратным — I_обр. Таким образом, рассмотрен-ная цепь обладает малым сопротивлением в прямом направлении и большим — в обратном. Приборы, обладающие свойством односторонней проводимости, называются вентилями.

Отношение прямого тока к обратному току, полученным при одном и том же напряжении, называется коэффи­циентом выпрямления вентиля:

К = I_пр / I_обр. (1)

Выпрямляющее свойстве вентиля проявляется при подведении переменного напряжения к п – р - переходу (рис. 1, в). При этом в цепи появится пульсирующий ток одного направления.

Зависимость тока, протекающего через вентиль, от приложенного к нему напряжения в прямом и обратном направлении выражается вольт-амперной характеристикой (рис. 2).

Напряжение, при котором вентиль начинает проводить ток одинаково в обе стороны, то есть выходит из строя, называется пробивным. В технике находят применение различные полупроводниковые вентили: меднозакисные, селеновые, германие­вые и кремниевые.

Рис. 2. График V-А характеристики диода

Меднозакисный вентиль состоит из медной пластины, покрытой слоем закиси меди. Медная пластина обладает электронной проводимостью, закись меди - „дырочной". Меднозакисные вентили обладают большой стабильностью характеристик, что позволяет использовать их в электроизмерительных приборах. Допустимое обратное напряжение небольшое – 8-12 В на один элемент.

В селеновом вентиле в качестве полупроводника с р - проводимостью используется селен, а в качестве электрода с п - проводимостью — сплав висмута, кадмия и олова. Допустимое напряжение на селеновый вентиль составляет 20-40 В, наибольшая допустимая плотность тока - 0,05 А/см², U_проб = 60 – 80 В.

Наиболее совершенными полупроводниковыми вентилями являются германиевые и кремниевые. Кристаллы германия и кремния, используемые в этих вентилях, обладают электронной проводимостью. Однако, путем введе­ния в них некоторых примесей им придают свойство дырочной проводимости. Тогда р-п - переход в этих вентилях со­здается между кристаллом германия или кремния и металлом. Конструктивно они изготовляются точечными или плоскостными, из которых первые имеют относительно малую площадь п-р - перехода и применяются в слаботочных цепях, а вторые - большую площадь п-р - переходов и позволяют выпрямлять большие токи (до нескольких сотен ампер). Они способны выдерживать U_обр до 600 В, температуру на п-р -переходе до 200°С, имеют высокий к.п.д.- до 99% при малых размерах, большой надежности и большом сроке службы.