Ćwiczenie nr 54

BADANIE UKŁADÓW PROSTUJĄCYCH

I. Półprzewodniki.

Półprzewodnikiem nazywamy substancję, która wyraźnie przewodzi prąd elektryczny, ale dużo gorzej niż metal. Przewodnictwo w półprzewodnikach ma charakter elektronowy, czyli nośnikami prądu są elektrony. Przewodnictwo w półprzewodnikach ma to do siebie, że zależy od wielu czynników, np. od zawartości domieszek i temperatury.

Biorąc pod uwagę zakłócenia prawidłowej budowy sieci krystalicznej, możemy rozróżnić dwa typy przewodnictwa w półprzewodnikach: nadmiarowe i niedomiarowe. Półprzewodniki nadmiarowe to takie, które mają nadmiarowe elektrony. Nazywamy je półprzewodnikami typu n. Powstają, np. gdy do półprzewodnika zbudowanego z pierwiastka grupy 14(krzem, german) wprowadzimy pierwiastek grupy 15(arsen, antymon). Natomiast półprzewodniki niedomiarowe to takie, które mają niedomiar elektronów. Nazywamy je półprzewodnikami typu p. Powstają, np. gdy do półprzewodnika typu n wprowadzimy pierwiastek grupy 13 (bor, gal). Zarówno w półprzewodnikach typu n jak i tych typu p obserwuje się wzrost przewodnictwa wraz ze wzrostem temperatury.

Półprzewodniki można także podzielić na takie, których przewodnictwo porównywalne z przewodnictwem metali (np. tlenek niobu VI - NbO₃) oraz takie, których przewodnictwo jest kilka rzędów wielkości mniejsze (np. tlenek tytanu IV - TiO₂). Pierwsze wykazują spadek przewodnictwa, natomiast drugie wykładniczy wzrost przewodnictwa wraz ze wzrostem temperatury.

Najbardziej typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu a także antymonek galu. W czystej postaci nie przewodzą one prądu. Półprzewodnikami są również wszystkie półmetale.

II. Złącze p-n.

Złączem p-n nazywamy obszar na styku dwóch półprzewodników, jednego o typie przewodnictwa nadmiarowego (n) a drugiego o typie przewodnictwa niedomiarowego (p).

Budowę złącza p-n łatwo przedstawić za pomocą poniższego rysunku:

Na rysunku 1 przedstawiony jest schemat złącza p-n.

Rysunek 1a przedstawia rozkład przestrzenny gęstości akceptorów (cząsteczek, pojedynczych atomów lub jonów, które przyjmują elektrony) w warstwie p i donorów (cząsteczek dostarczających elektronów) w warstwie n. Automatycznie powstaje tu warstwa przejściowa.

Na rysunku 1b widać rozkłady gęstości dziur i elektronów.

Rysunek 1c przedstawia natomiast rozkład gęstości ładunku. Jego powstawanie spowodowane jest dyfuzją elektronów z warstwy n do p i dyfuzją dziur z warstwy p do n, które prowadzą do powstania strefy ujemnego i dodatniego ładunku przestrzennego w warstwie przejściowej.

Strefy te stanowią razem warstwę zaporową. Zatem w warunkach równowagi pomiędzy warstwami n i p powstaje bariera potencjału pokazana na rysunku 1d.

Gdy mamy równowagę termodynamiczną to przez powstałą warstwę zaporową płyną słabe prądy w obu kierunkach, które równoważą się nawzajem. Wypadkowy prąd jest zatem równy 0. W dyfuzji z obszaru p do n składnikiem większościowym są dziury, a mniejszościowym elektrony. Natomiast w dyfuzji z obszaru n do p jest dokładnie odwrotnie.

Przykładając różnicę potencjałów pomiędzy obszarami p i n, nadając obszarowi p potencjał dodatni w stosunku do n obniżamy barierę potencjału i większościowe prądy- dziury z p do n i elektrony z n do p - rosną, mniejszościowe natomiast nie ulegają zmianie.

Przykładając jednak różnicę potencjałów odwrotnie prowadzimy do wydatnego wzrostu bariery potencjału i spadku prądu większościowego praktycznie do 0, ale ponownie nie powodujemy wielkich zmian w prądzie mniejszościowym.

Złącze p-n ma więc własności prostujące, w których ważną rolę odgrywają prądy mniejszościowe.

III. Diody półprzewodnikowe.

Diodą półprzewodnikową nazywamy element elektroniczny wykorzystujący właściwości złącza p-n. Diody takie charakteryzuje to, że przepuszczają prąd w jednym kierunku, natomiast w kierunku przeciwnym płynie tylko minimalny prąd. Właściwość ta wynika z zasady działania złącza p-n, przedstawionej powyżej. Jednym z zastosowań diod jest prostowanie prądu przemiennego. Jej rola w tym procesie polega przede wszystkim na zmianie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy, co wynika z przepuszczania tylko określonego zakresu prądu (czyli prądu płynącego w kierunku przewodzenia).

IV. Układy prostujące.

Prostowanie prądu przemiennego służy do tego, aby ze źródła siły elektromotorycznej, otrzymać jedno lub więcej stałych napięć. Urządzenia, które pomagają w prostowaniu prądu nazywamy prostownikami. Prostowniki są to niedomowe elementy, mające to do siebie, że opór ich zależy od biegunowości przyłożonej różnicy potencjałów. Prostownikami najczęściej są urządzenia półprzewodnikowe, np. wspomniane już diody. Symbol diody w obwodzie wygląda następująco:

gdzie strzałka wskazuje kierunek przewodzenia prądu.

Układ prostujący, to oczywiście taki układ, który zawiera prostowniki. Przedstawię kilka różnych układów prostujących:

• Układ zawierający SEM, opornik R i pojedynczą diodę.

Pojedynczą diodę w układzie prostującym nazywamy prostownikiem jednopołówkowym. Co prawda, nie prostuje ona idealnie prądu, ale prostuje ujemne wartości napięcia, dodatnie pozostawiając bez zmian. Opornik oczywiście nie jest tutaj elementem prostującym.

• Układ zawierający SEM, opornik R i cztery diody.

Urządzenie złożone z 4 diod nazywamy prostownikiem dwupołówkowym. Również ten prostownik nie prostuje idealnie prądu, ale za to, zmienia napięcia ujemne na dodatnie, o takiej samej wartości, a napięcia dodatnie pozostawia bez zmian. Opornik również nie jest tu elementem prostującym.

• Układ zawierający SEM, cewkę L i kondensator C.

Taki obwód nazywamy obwodem filtrującym. Taki obwód dosyć mocno zmniejsza poziom tętnień.

V. Napięcie skuteczne i maksymalne.

Wartością skuteczną napięcia zmiennego nazywamy wartość napięcia zmiennego, która jeśli przyłożymy ją do oporu, spowoduje wydzielenie się na nim energii odpowiadającej średniej mocy tego napięcia zmiennego.

Wartość skuteczną napięcia (U_sk) możemy policzyć mając podaną wartość maksymalną (U_max). Powiązane one są następującym wzorem:

.

3. LITERATURA:

• David Halliday, Robert Resnick; „Fizyka 2”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1993; rozdziały 39-6;

• Szczepan Szczeniowski; „Fizyka doświadczalna. Część III Elektryczność i magnetyzm”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1966; rozdziały V-48, 56, 57;

---