Лабораторные работы по электротехнике Изучение работы полупроводниковых выпрямителей Изучение кенотронного выпрямителя Изучение колебательного контура Изучение цепи переменного тока Постоянный электрический ток

Лабораторные работы по электротехнике. Конспект курса лекций

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №216.

Изучение работы полупроводниковых выпрямителей

По электропроводности все вещества делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Электропроводность (проводимость) вещества прямо пропорциональна концентрации подвижных носителей зарядов, т.е. их числу в единице объема – n. Кроме того, электропроводность зависит и от ПОДВИЖНОСТИ этих носителей в веществе, которая определяется сопротивлением кристаллической решетки движению носителей зарядов внутри ее под действием электрического поля. В проводниках содержится большое число подвижных (свободных) носителей зарядов. В металлах эти свободные электроны движутся внутри кристаллической решетки, состоящей из положительно заряженных ионов. Присутствие в проводниках примесей обычно значительно уменьшает подвижность электронов. Поэтому, например, проводимость чистой меди, значительно больше, чем меди, содержащей небольшое количество примесей. У диэлектриков почти совсем нет подвижных носителей зарядов. Все их электроны связаны с определенными атомами, и чтобы оторвать электрон от атома, надо затратить значительную энергию. Электропроводность диэлектриков в основном определяется содержанием в них посторонних примесей.

Присутствие в диэлектрике посторонних атомов, легко отдающих свои электроны, вызывает появление свободных носителей зарядов и приводит к значительному увеличению его электропроводности.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. У чистых полупроводников, как и у диэлектриков, нет подвижных носителей зарядов и только затратив некоторую энергию, можно их образовать (оторвать электроны от атомов).

Но если для диэлектриков эта энергия велика, то для полупроводников, она значительно меньше. Электропроводность полупроводников ОЧЕНЬ СИЛЬНО зависит от их чистоты. Присутствие посторонней примеси ЗНАЧИТЕЛЬНО увеличивает его электропроводность. К полупроводникам относятся элементы IV группы таблицы Менделеева: германий (Gе) , кремний (Si) и др., а также некоторые другие элементы и соединения: карбид кремния, соединения элементов III группа с элементами V группы, некоторые органические вещества и т. д. 

 Наиболее широко применяемые полупроводники Ge и Si имеют на внешней электронной оболочке четыре электрона, т. е. их валентность равна четырем. В кристаллической решетке этих элементов каждый атом Gе или Si окружен четырьмя соседними атомами, находящимися на равных расстояниях от него. Известно, что наиболее устойчивое соединение атома в том случае, когда на его внешней оболочке находится восемь электронов. Поэтому атомы Gе и Si, достраивая электронную оболочку до восьми электронов, образуют с соседними атомами общие электронные пары (ковалентная связь).

Каждые два соседних атома имеют два общих электрона. Таким образом, каждый атом имеет на внешней оболочке восемь электронов, которые одновременно принадлежат также и соседним атомам. ( Рис.1)

При низких температурах все электроны в кристалле полупроводника связаны с атомами и подвижных электронов нет, т.е. кристалл представляет собой изолятор.

При повышении температуры в полупроводнике отдельные электроны отрываются от атомов, становятся подвижными и могут создать ток в кристалле, когда к нему прикладывается напряжение.

При удалении электрона из атома в оболочке атома образуется свободное место – дырка. Поскольку соседние атомы, имеющие общие электроны, постоянно обмениваются ими, эта дырка может быть занята другими электронами и одного электрона не будет хватать уже в другом атоме. Так как до отрыва электрона атом был нейтральным, то недостаток электрона сообщает атому положительный заряд. Вакантное место - ДЫРКА - постоянно и беспорядочно перемещается по кристаллу, перенося тем самым положительный заряд, численно равный заряду электрона. Таким образом, свободные электроны и дырки беспорядочно перемещаются по кристаллу, пока  какой - нибудь из подвижных электронов не встретится с дыркой ( попадает на пустое место) в электронной оболочке атома. При этом исчезает пара подвижных носителей заряда: свободный электрон и дырка, т.е. происходит РЕКОМБИНАЦИЯ. При каждой определенной температуре устанавливается подвижное равновесие между возникновением пар «электрон – дырка» ( генерация ) и их уничтожением (рекомбинация ). Чем выше температура, тем больше возникает пар «электрон – дырка» и тем больше их присутствует в кристалле полупроводника.

Если такой кристалл включить в электрическую цепь, то внутри его электроны будут упорядоченно двигаться от отрицательного полюса к положительному. Под действием поля связанные электроны так же начнут переходить с соседних атомов на пустые места преимущественно по силовым линиям поля от «минуса» к «плюсу», а вакантные места (дырки) будут перемещаться по тем же линиям в обратную сторону.

Хотя в действительности передвигаются только свободные и связанные (валентные) электроны, можно считать, что свободные электроны движутся в одну сторону, а несущие положительный заряд ДЫРКИ - в другую сторону.

При встрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют, и их движение прекращается. Средняя величина пробега свободного электрона и дырки до их ре-

комбинации очень мала (не более 0,1мм). Непрерывная тепловая генерация приводит к возникновению новых пар «электрон – дырка», которые снова начинают переносить заряд. Таким образом, под действием электрического поля в кристалле происходит непрерывное упорядоченное движение свободных носителей заряда, т.е. течет ток. Такая проводимость называется СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ полупроводника.

Если в чистый расплавленный германий и кремний ввести в небольшом количестве примесь элементов III – группы таблицы Менделеева, например Аl, то после отвердения атомы Аl войдут в состав кристалла, заняв некоторые узлы кристаллической решетки. Атомы Аl образуют в кристалле общие электронные пары с четырьмя соседними атомами Gе. Так как у атома Аl во внешней электронной оболочке только три электрона, то ему не хватает одного общего электрона для образования устойчивой оболочки из восьми электронов. Атом Аl может захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов Gе. Тогда он зарядится отрицательно, а где-то в другом месте образуется подвижная дырка. Кристалл в целом остается электронейтральным, но находящиеся в нем отрицательно заряженные атомы Аl связаны с решеткой, тогда как положительно заряженные дырки могут участвовать в электрическом токе ( рис.2 )

Проводимость такого кристалла будет в основном дырочной т. к. число возникающих в кристалле дырок при введение даже очень небольшого количества примесей (10-4 – 10-6) значительно больше, чем число пар «электрон – дырка» в беспримесном полупроводнике.

Если в полупроводнике имеется примесь элементов III – группы таблицы Менделеева, атомы которой захватывают электроны, то такую примесь называют примесью p – типа (от слова «позитив» - положительный) или акцепторной (принимающей) примесью, а кристалл называется полупроводником p. - типа.

Основную роль в электропроводности полупроводника p – типа играют дырки – основные носители подвижных зарядов.

При внесении в решетку германия атомов S – группы таблицы Менделеева, например мышьяка, четыре электрона ( имеющихся на внешней оболочке атома примеси ) идут на образование общих электронных пар с четырьмя соседними атомами Gе, и у каждого атома Аs, благодаря общим электронам внешняя оболочка достраивается до устойчивой ( восемь электронов ). Пятый внешний электрон атома Аs оказывается « лишним ». Он гораздо слабее связан с ядром, чем другие электроны, и достаточно очень небольшой затраты энергии, чтобы оторвать его от атома Аs и сделать его свободным. Атом Аs при этом зарядится положительно (ионизируется). Таким образом, при введении в решетку кристалла германия атомов V – группы образуются положительно заряженные « неподвижные» ионы примеси в узлах решетки и подвижные электроны. ( Рис. 3 ). Проводимость такого полупроводника будет в основном электронной. Кристалл называют в этом случае ПОЛУПРОВОДНИКОМ n – типа ( от слова «негатив» - отрицательный ), а примесь называется примесью n – типа или донорной ( дающей ).

В электропроводности полупроводника n – типа основную роль играют электроны, т.к., хотя в нем происходит непрерывная тепловая генерация «электрон – дырка» (как в чистом полупроводнике), свободных электронов, полученных при ионизации атомов п – примеси (основных носителей подвижных зарядов), значительно больше.

Для ионизации атомов примеси в кристалле полупроводника достаточно очень небольшой затраты энергии, гораздо меньше, чем для ионизации атомов самого полупроводника.

Кристалл примесного полупроводника, находящийся при температуре, близкой к абсолютному нулю, представляет собой изолятор, так как энергия электронов в его атомов при этом условии минимальна.

При низкой температуре энергия электронов, принадлежащих атомам примеси п – типа, недостаточно для того, чтобы электроны оторвались от атомов и стали свободными, а атомы примеси p – типа не могут захватить электроны, поскольку такой захват тоже сопровождается увеличением энергии электронов. Так как для образования пары «электрон – дырка» нужна еще большая энергия, то генерирования таких пар тоже не происходит, т. к. собственная проводимость полупроводника равна нулю.

При постоянном повышении температуры появляются отдельные электроны, которые могут оторваться от атомов примеси п – типа или захватиться атомами p – типа, т. е. возникает электропроводность, которая быстро растет с повышением температуры, пока концентрация подвижных носителей зарядов не станет равной концентрации атомов примеси, что практически получается уже при температурах порядка 00.

Хотя при этих условиях пары «электрон – дырка» в небольшом количестве уже образуются, существенного влияния на проводимость они не оказывают. При этом, проводимость примесных полупроводников, как и проводимость металлов, ухудшается, вследствие уменьшения подвижности свободных носителей зарядов из – за усиления рассеивающего действия тепловых колебаний решетки на упорядоченный поток этих носителей под действием поля.

Однако при достаточно высокой температуре - порядка 100 - 2000 С проводимость примесного полупроводника резко возрастает вследствие генерации большого числа пар «электрон – дырка».

При одновременном введении в кристалл полупроводника акцепторной и донорной примесей кристалл становится p – типа, если преобладает донорная примесь. Если примесей p – типа и n – типа введено столько, что их действия уравновешивается, то проводимость такого полупроводника так же мала, как и беспримесного.

Если взять кристалл полупроводника, состоящего из двух частей: одной с примесью p – типа и другой с примесью n – типа ,то граница между ними называется p – n – переходом. В этом случае электроны из полупроводника n – типа, где их много, будут переходить в полупроводник p – типа, где их мало, а дырки будут перемещаться в обратном направлении

Меднозакисный выпрямитель представляет собой медную пластинку, на одной стороне которой имеется слой закиси меди Cu2O, обладающий проводимостью p (дырочной)


Изучение электронного осциллографа