6 Районная научно-практическая конференция школьников.
« Наука. Творчество. Развитие »
Секция: Физика.
Тема: Полупроводниковые диоды в радиотехнике.
Выполнил:
Ученик 11а класса
МОУ« Первомайской СОШ »
Убасев Эдуард.
Научный руководитель:
учитель физики
с. Первомайское 2009 год.
Цель работы: исследовать строение, принцип работы, исправность, зависимость силы тока от напряжения полупроводниковых диодов. Создание выпрямителя.
Актуальность.
В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.
Тезисы.
1. Без полупроводников наша жизнь немыслима..
2. - Полупроводники не относятся ни к металлам, ни к диэлектрикам.
- При введении примесей число носителей заряда в полупроводниках резко изменяется.
- Проводимость может быть донорной и акцепторной.
3. Диод - это двухэлектродный прибор, который очень широко используется в радиотехнике.
- Так как главным элементом конструкции диода является n–p - переход, то он обладает
односторонней проводимостью переменного тока.
- По основным конструктивным признакам различают плоскостные и точечные полупро-
водниковые диоды..
- Свойство односторонней проводимости диода может быть использовано для
выпрямления переменного тока.
4. С целью исследования диода провёл ряд опытов:
- Меняя полярность подключения диода к источнику тока, проверил его исправность.
- Изменяя напряжение на диоде, пронаблюдал изменение силы тока в цепи.
- Свойство выпрямления переменного тока диодом используется в создании
выпрямителей.
Оглавление
1. Понятие о полупроводниках.
2. Полупроводниковые диоды.
- свойство односторонней проводимости диода.
- конструкции и типы диодов.
- выпрямительные свойства диода.
3. Мои исследования
- проверка исправности диодов.
- исследование зависимости силы тока от напряжения на диоде.
- изготовление зарядного устройства для малогабаритных аккумуляторов.
4. Вывод.
5. Литература.
Понятие о полупроводниках.
По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
|
Рисунок 1. |
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется, прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис.1).
Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере Германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.
Атомы Германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле Германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле Германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле Германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией.
Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.
Электронная проводимость возникает, когда в кристалл Германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
На рис. 2,а показан пятивалентный атом брома, оказавшийся в узле кристаллической решетки кремния. Четыре валентных электрона атома брома включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома брома и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.
В кристалле кремния с примесью брома есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов брома. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа..
|
Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл кремния введены трехвалентные атомы (например, атомы галлия Ga). На рис. 2, б показан атом галлия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. На образование связи с четвертым атомом кремния у атома галлия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом галлия из ковалентной связи соседних атомов кремния. В этом случае атом галлия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.
Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.
Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома кремния к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.
Для полупроводников n - и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.
Электронно-дырочный переход.
В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.
При контакте двух полупроводников n - и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 3). n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.
|
Рис. 3
Полупроводниковые диоды
Диод- это двухэлектродный прибор, главным элементом конструкции которого является n–p-переход. Области n и p пластины полупроводника называются электродами диода. На торцевые поверхности электродов нанесены металлические слои и подпаяны проводники-выводы, с помощью которых диод монтируется в электронные устройства. На условном изображении диода p - область обозначается треугольником, а n - область - чертой (рис.4).
Свойство односторонней проводимости диода.
Основные электрические свойства диода определяются свойствами n–p-перехода.
Подключим диод к источнику постоянного напряжения (рис 5, а). Положительный полюс источника соединим с выводом p - области, а отрицательный - с выводом n – области.
Такое подключение источника к диоду называется прямым. Свободные электроны n - области как носители отрицательного заряда устремляются к положительному полюсу источнику, а положительно заряженные дырки p - области движутся к отрицательному полюсу. Встречное движение электронов и дырок образует прямой ток диода, направление которого совпадает с направлением движения положительно заряженных дырок. На место ушедших электронов из отрицательного полюса источника питания в n - область будут поступать новые электроны, пополняя убыль. То же происходит и с дырками p - области. Так продолжается до тех пор, пока цепь замкнута. Миллиамперметр, включённый в цепь, зарегистрирует протекание в ней прямого тока. В данном случае говорят, что диод открыт. Большая величина прямого тока свидетельствует о том, что сопротивление открытого диода весьма мало. Оно составляет Омы – десятки Ом..
Поменяем полярность подключения источника к диоду на обратную (рис. 5, б). Все дырки p - области соберутся у отрицательного полюса источника, а электроны n - области - у положительного полюса, и ток через диод протекать не будет. В таком случае говорят, что диод закрыт. Стрелка миллиамперметра почти не отклонится от нулевого деления.
Напряжение, приложенное к диоду в полярности, показанной на рисунке 5, б, называется обратным. Сопротивление закрытого диода очень велико. Следовательно, диод пропускает ток только в прямом направлении. В этом состоит свойство односторонней проводимости диода.
На условном обозначении диода стрелка, которую образует треугольник p - области со своим выводом, указывает направление прямого тока диода (рис.4).
Конструкции и типы диодов.
По основным конструктивным признакам различают плоскостные и точечные полупро-
водниковые диоды.
Устройство сплавного германиевого диода показано на рис. 6, а. Для получения n–p-перехода в исходную пластинку полупроводника n – типа вплавляют кристалл индия. В процессе вплавления в пластинке образуется область с дырочной проводимостью. На границе образовавшейся области p и исходной области n возникает n–p-переход.
Пластинка полупроводника имеет довольно малые размеры. Поэтому она не способна отвести в окружающее пространство значительное тепло, выделяемое при протекании тока через диод. Пропускание сильных токов вызвало бы перегрев и как следствие разрушение кристалла. Для предотвращения перегрева пластинку Германия закрепляют на металлическом диске, увеличивающем площадь теплоотвода.
Выводные проводники присоединяют к капельке индия и к диску. После этого всю конструкцию помещают в герметичный металлический (рис. 6, б) или металлокерамический корпус предохраняющий кристалл от механических повреждений и воздействия внешней среды.
n–p-переход в точечных диодах (рис. 7,а) создаётся в близи контакта острия вольфра-
мовой проволочки, с торца покрытой индием, с поверхностью пластинки n - полупрово-
дника. Для этого через контакт кратковременно пропускают сильный ток. Под действием его контакт разогревается. Индий проникает в пластинку германия, образуется p - область. Полученный таким способом диод снабжают выводами и заключают в стеклянный корпус
(рис.7,б)
Для всех диодов характерно наличие максимального допустимого обратного напря-
жения, при превышении которого кристалл полупроводника разрушается. Плоскостные диоды могут работать при больших напряжениях, а точечные диоды работают в цепях токов высокой частоты при малых напряжениях, так как максимально допустимое обратное напряжение точечных диодов намного ниже плоскостных диодов.
Основные электрические параметры диодов некоторых типов приведены в таблицах:
Германиевые сплавные диоды. Кремниевые сплавные диоды
Тип | Iпp max, А | Uобp max, В |
ДГ-Ц21 | 0,3 | 50 |
ДГ-Ц22 | 0,3 | 100 |
ДГ-Ц23 | 0,3 | 150 |
ДГ-Ц24 | 0,3 | 200 |
ДГ-Ц25 | 0,1 | 300 |
ДГ-Ц26 | 0,1 | 350 |
ДГ-Ц27 | 0,1 | 400 |
Тип | Iпp max, А | Uобp max, В |
Д223 | 0,05 | 50 |
Д223А | 0,05 | 100 |
Д223Б | 0,05 | 150 |
Д226 | 0,3 | 400 |
Д226А | 0,3 | 300 |
Д226Б | 0,3 | 300 |
Д226В | 0,3 | 200 |
Д226Г | 0,3 | 100 |
Германиевые точечные диоды. Кремниевые точечные диоды.
Тип | Iпp max, А | Uобp max, В | |
МД3 | 12 | 15 | |
Д18 | 16 | 20 | |
Д20 | 16 | 20 |
Тип | Iпp max, А | Uобp max, В |
Д219А | 50 | 70 |
Д220 | 50 | 50 |
Д220А | 50 | 70 |
Выпрямительные свойство диода.
Свойство односторонней проводимости диода может быть использовано для выпрямления переменного тока.
Рассмотрим цепь из генератора переменного напряжения, диода и резистора (рис 9). Пока напряжение генератора приложено к диоду в прямом направлении (положительная полуволна), диод открыт. При этом через него течёт прямой ток. Чем больше прямое напряжение, чем больший тое течёт в цепи. Как только напряжение на выходе генератора поменяет полярность на отрицательную (отрицательная полуволна), диод окажется под обратным напряжением и будет закрыт. Ток, протекающий через диод в этот отрезок времени, практически равен нулю.
Таким образом, в цепи будет протекать ток одного направления, причём только во время положительных полуволн напряжения на выходе генератора. В этом состоит эффект выпрямление переменного тока. Ток, при этом, называется пульсирующим.
Выпрямительные свойства диода зависят от частоты переменного напряжения. С повышением частоты сверх допустимой величины диод теряет способность выпрямлять переменный ток.
Мои исследования.
Проверка исправности диодов.
Диод, как и любой другой прибор может быть исправным и неисправным. Мне известно два способа проверки исправности диодов.
Оборудование: источник тока, плоскостный исправный диод типа Д202, плоскостный пробитый диод типа Д202, резистор постоянного сопротивления 9500 Ом, миллиамперметр, вольтметр, ключ, омметр
1.
Собрал цепь, изображённой на рисунке 9,а, используя плоскостный диод типа Д202.
Замкнул цепь и миллиамперметр показал 1мА, вольтметр - 0,5 В. Из показания миллиамперметра следует, что диод пропускает ток, значит напряжение, приложенное к диоду прямое.
После этого я поменял полярность подключения источника тока (рис. 9,б). Стрелка миллиамперметра не отклонилась от положения нуля. Это доказывает, что электрический ток не протекает при обратном напряжении.
Затем я проверил, что проводит ли электрический ток пробитый диод, при обратном напряжении. Для этого я подсоединил плоскостный пробитый диод типа Д202 по схеме, показанной на рисунке 9,б. После замыкания цепи, миллиамперметр зарегистрировал протекание электрического тока, значит, диод пробит.
2.
Проверку исправности диодов можно осуществить и с помощью омметра.
Я присоединил щупы омметра к полюсам плоскостного исправного диода типа Д202, шкала показала 90 кОм. После я поменял расположение щуп омметра на диоде местами. Омметр показал 1000 МОм. Значит, напряжение в первом случае было приложено прямое, так как сопротивление во втором случае много больше сопротивления в первом случае. Из этих показаний сделал вывод, что этот диод исправен.
Потом я присоединил щупы омметра к плоскостному пробитому диоду типа Д202. Омметр показал сопротивление равное 70 кОм. После того как я поменял щупы омметра местами, показания прибора оказалось таким же как и в первом случае – это доказывает, что этот диод пробит.
Исследование зависимости силы тока от напряжения на диоде.
Оборудование: плоскостный исправный диод типа Д226Б, миллиамперметр, вольтметр, переменный резистор до 5000 Ом.
Рис. 10
Схема установки приведена на рисунке 10,а. Один из выводов диода подключается непосредственно к полюсу источника, а второй – к подвижному контакту переменного резистора R. Такой способ подключения источника тока к диоду позволяет измерять величину приложенного к нему напряжения. Таким образом, изменяя положение подвижного контакта переменного резистора R, я снял несколько показаний вольтметра и миллиамперметра. Данные занёс в таблицу:
U, В | 0 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1 |
I, мА | 0 | 1 | 2 | 7 | 14 | 24 | 43 |
Исходя из всех этих данных, составил график (рис. 11).
Потом я поменял полярность подключения диода к источнику тока (рис. 10,б) и попытался пронаблюдать частичное прохождение электрического тока. Однако этого явления пронаблюдать не удалось, так как не смог дать большого напряжения. Значит оно близко к нулю. На графике я теоретически нарисовал зависимость силы тока от обратного напряжения.
Рис. 11.
Изготовление зарядного устройства для малогабаритных аккумуляторов.
Оборудование: диод Д 7Ж, резисторы R1=5.1 кОм (2Вт), R2=3.9 кОм, R3= 68 кОм,
переключатель типа «тумблер», предохранитель с патроном, зажимы или клеммы, сетевая вилка, неоновая лампочка МН-2, плата из гетинакса толщиной 2…3 мм, монтажные провода, сетевой шнур 1,5 м.
Заряжать аккумулятор можно постоянным или пульсирующим током. Поэтому простейшее зарядное устройство представляют собой полупроводниковый диод, подключённый определённым образом к осветительной сети. Если последовательно с диодом включить аккумулятор, то через него потечет пульсирующий ток. Схема такого устройства для заряда малогабаритных аккумуляторных батарей 7Д-0,06, 7Д-0,1; 7Д-0,2 приведена рис. 12. Напряжение заряженных батарей составляет 9В.
.. 
Рис. 12
Необходимая величина зарядного тока и напряжения на зажимах заряжаемого
аккумулятора обеспечивается с помощью гасящих резисторов R1 и R2. при протекании тока через резисторы R1 и R2 на них падает почти всё напряжение сети и лишь небольшая часть этого напряжения (9В) оказывается приложенной к аккумулятору.
Переключатель В служит для переключения зарядного устройства при различном напряжении сети. Если напряжение 220В, то большая часть его гаситься обоими резисторами R1 и R2. При напряжении сети 127В достаточно включить лишь резистор R1, а резистор R2 с помощью переключателя замыкается накоротко проводником с крайне малым сопротивлением.
Неоновая лампа МН сигнализирует о наличии напряжения сети на входе выпрямителя. С помощью резистора R3 устанавливается необходимое рабочее напряжение неоновой лампы. Резистор R3 подобран так, чтобы при напряжении сети 127В лампа светилась слабо, тогда при напряжении сети 220В лампа светится ярко. Таким образом, по яркости свечения лампы можно ориентировочно определить величину напряжения сети и установить переключатель в соответствующее положение.
Предохранитель Пр предохраняет сеть от короткого замыкания в случае неисправности в схеме зарядного устройства.
Вывод: если между двумя полупроводниками по типу разной проводимости создать плотный контакт, то образуется n–p-переход, который обладает односторонней проводимостью переменного тока. Из этого вытекает другое свойство - выпрямление переменного тока, которое используется в создании выпрямителей.
Литература
1. Федотов физики полупроводниковых приборов. Изд-во «Советское радио», 1963.
2. Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. Под редакцией Н и Носова , Издательство « Советское радио», 1968.
3. . Практикум по радиоэлектронике. Москва «Просвещение» 1977.
