Теорія електричних і електронних кіл (стр. 6 из 10)

На рис 4.1 представлена ВАХ діода i(U) при дії на нього гармонійної напруги U(ωt)

На рис 4.1 видна характерна реакція нелінійного елементу (діода) на вхідну дію. Струм, що протікає в ланцюзі нелінійного елементу (діода) виявляється несинусоїдальним, причому його спектр містить постійну складову, основну (з частотою ωt), а також вищі гармоніки.

Явно видно (рис 4.1) що амплітуда позитивної півхвилі струму в ланцюзі діода значно більше, ніж негативна. Різниця цих амплітуд тим більше, чим більше амплітуда сигналу джерела напруги живлячого ланцюг діода. Часто відмінність величин амплітуд струмів позитивної і негативної півхвиль тих, що протікають через діод настільки велика, що струмом негативної півхвилі можна нехтувати. В цьому випадку ВАХ реального діода можна замінити характеристикою реального вентиля (показана пунктиром на рис 4.1). Опір ідеального вентиля для позитивній півхвилі напруги, що живить ланцюг дорівнює нулю, а для негативної півхвилі напруги - нескінченно велик.

Пристрої з електричними вентилями, призначені для перетворення змінної напруги в постійне, називаються випрямлячами. Про якість судять по величині коефіцієнта пульсацій К_П. Коефіцієнт пульсацій є відношення величини діючого значення змінної складової

на виході випрямляча до його постійної складової.

(4.1)

Чим менша величина коефіцієнта пульсацій, тим краще якість випрямляння.

Всі випрямляючі схеми можна розділити за основними ознаками:

1. по числу фаз первинної обмотки трансформатора - на однофазні і 3^х - фазні;

2. по числу імпульсів струму у вторинній обмотці трансформатора за період - на одне і двонапівперіодні;

3. некеровані і керовані.

Для спрощення аналізу випрямляча заздалегідь розглядатимемо його роботу на чисто активне навантаження, вважаючи трансформатор і вентилі ідеальними. Це означає, що втрати в трансформаторі відсутні, а вентилі мають ідеальну вольт-амперну характеристику. Для правильного вибору трансформатора і вентилів необхідне знання параметрів, якими характеризується робота кожного з елементів випрямної схеми. Заданими є: середні значення випрямленої (вихідної) напруги U₀ і струму I₀ та необхідний коефіцієнт пульсацій К_п.

Лабораторна робота № 5

Исследование полупроводниковых диодов

5.1 Мета роботи:

вивчити основні властивості, характеристики і параметри напівпровідникових діодів, експериментально досліджувати їх вольт-амперні характеристики (ВАХ).

5.2 Зміст роботи

Для заданого електричного кола (рис. 5.1):

- встановити задані параметри джерела живлення електричного кола;

- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги;

- оцінити похибки вимірювань та зробити висновки щодо режимів роботи ланцюга. При оцінці похибок вимірювань вважати межею вимірювань Iмах = 15мА (для амперметрів), Vмах = 20 В (для вольтметрів); а за клас точності прийняти для всіх приладів δ = 0,1.

5.3 Теоретичні відомості

Основним елементом більшості напівпровідникових приладів є електронно-дірковий перехід (р-n перехід), що є перехідним шаром між двома областями напівпровідника, одна з яких має електронну електропровідність, а інша - діркову.

Розглянемо докладніше процес утворення p-n переходу. Рівноважним називають такий стан переходу, коли відсутня зовнішня напруга. Нагадаємо, що в р- області є два види основних носіїв заряду: нерухомі негативно заряджені іони атомів акцепторної домішки і вільні позитивно заряджені дірки; а в n-області є також два види основних носіїв заряду: нерухомі позитивно заряджені іони атомів акцепторної домішки і вільні негативно заряджені електрони.

До зіткнення p і n областей електрони дірки і іони домішок розподілені рівномірно. При контакті на межі p і n областей виникає градієнт концентрації вільних носіїв заряду і дифузія. Під дією дифузії електрони з n-області переходить в p-область і рекомбінують там з дірками. Дірки з р-області переходять в n-область і рекомбінують там з електронами. В результаті такого руху вільних носіїв заряду в прикордонній області їх концентрація убуває майже до нуля і в теж час в р-області утворюється негативний просторовий заряд іонів акцепторної домішки, а в n-області позитивний просторовий заряд іонів донорної домішки. Між цими зарядами виникає контактна різниця потенціалів φ_к і електричне поле Е_к , яке перешкоджає дифузії вільних носіїв заряду з глибини р- і n-областей через р-n-перехід. Таким чином область, об'єднана вільними носіями заряду з своїм електричним полем і називається р-n-переходом.

P-n-перехід характеризується двома основними параметрами:

1. Висота потенційного бар'єру. Вона рівна контактній різниці потенціалів φ_к . Це різниця потенціалів в переході, обумовлена градієнтом концентрації носіїв заряду. Це енергія, якою повинен володіти вільний заряд, щоб подолати потенційний бар'єр:

де k – постійна Больцмана; е – заряд електрона; Т – температура; N_а і N_Д – концентрації акцепторів і донорів в дірковій і електронній областях відповідно; р_р і р_n – концентрації дірок в р- і n-областях відповідно; n_i – власна концентрація носіїв заряду в нелегованому напівпровіднику, _т=кТ/е - температурний потенціал. При температурі Т=27⁰С _т=0.025В, для германієвого переходу _к=0,4В, для кремнієвого переходу _к=0,8В.

2. Ширина p-n-переходу (рис.5.2) – це прикордонна область, збіднена носіями заряду, яка розташовується в p і n областях: l_p-n = l_p + l_n:

, звідси

,

де ε – відносна діелектрична проникність матеріалу напівпровідника; ε₀ — діелектрична постійна вільного простору.

Товщина електронно-діркових переходів має порядок (0,1-10)мкм. Якщо

, то і p-n-перехід називається симетричним, якщо , то і p-n-перехід називається несиметричним, причому він в основному розташовується у області напівпровідника з меншою концентрацією домішки.

У рівноважному стані (без зовнішньої напруги) через р-n перехід рухаються два стрічні потоки зарядів (протікають два струми). Це дрейфовий струм не основних носіїв заряду і дифузійний струм, який пов'язаний з основними носіями заряду. Оскільки зовнішня напруга відсутня, і струму в зовнішньому ланцюзі немає, то дрейфовий струм, і дифузійний струм взаємно врівноважуються і результуючий струм рівний нулю

I_др + I_диф = 0.

Це співвідношення називають умову динамічної рівноваги процесів дифузії і дрейфу в ізольованому (рівноважному) p-n-переході.

Поверхня, по якій контактують p і n області називається металургійною межею. Реально вона має кінцеву товщину - δ_м . Якщо δ_м<< l_p-n , то p-n-перехід називають різким. Якщо δ_м>>l_p-n , тоб p-n-перехід називають плавним.

Р-n перехід при зовнішній напрузі, прикладеній до нього

Зовнішня напруга порушує динамічну рівновагу струмів в p-n-переході. P-n-перехід переходить в нерівноважний стан. Залежно від полярності напруги прикладеного до областей в p-n-переходу можливо два режими роботи.

1) Прямий зсув p-n переходу. Р-n перехід вважається зміщеним в прямому напрямі, якщо позитивний полюс джерела живлення приєднаний до р- області, а негативний до n-області (рис.5.3)

2)

При прямому зсуві, напруги _к і U направлені назустріч один одному, результуюча напруга на p-n-переході убуває до величини _к - U . Це призводить до того, що напруженість електричного поля убуває і поновлюється процес дифузії основних носіїв заряду. Крім того, пряме зсуві зменшує ширину p-n переходу, оскільки l_p-n≈(_к – U)^1/2. Струм дифузії, струм основних носіїв заряду, стає багато більше дрейфового. Через p-n-перехід протікає прямий струм

I_р-n=I_пр=I_диф+I_др I_диф .

При протіканні прямого струму основні носії заряду р- області переходять в n-область, де стають не основними. Дифузійний процес введення основних носіїв заряду в область, де вони стають не основними, називається інжекцією, а прямий струм - дифузійним струмом або струмом інжекції. Для компенсації не основних носіїв заряду тих, що накопичуються в p і n-областях в зовнішньому ланцюзі виникає електронний струм від джерела напруги, тобто принцип електронейтральності зберігається.

При збільшенні U струм різко зростає,

- температурний потенціал, і може досягати великих величин оскільки пов'язаний з основними носіями концентрація яких велика.

2) Зворотний зсув, виникає, коли до р-області прикладений мінус, а до n-області плюс, зовнішнього джерела напруги (рис.1.3).

Така зовнішня напруга U включена послідовно з _к . Вона збільшує висоту потенційного бар'єру до величини _к + U ; напруженість електричного поля зростає; ширина p-n переходу зростає, оскільки l_p-n≈(_к + U)^1/2 ; процес дифузії повністю припиняється і через p-n перехід протікає дрейфовий струм, струм неосновних носіїв заряду. Такий струм p-n-переходу називають зворотним, а оскільки він пов'язаний з неосновними носіями заряду, які виникають за рахунок термогенерації то його називають тепловим струмом і позначають - I₀ , т.е.