Теоретичні відомості

З фізики відомо, що напівпровідники не належать ні до провідників, ні до діелектриків. Характерним є те, що чисті напівпровідники мають слабку провідність, яка з підвищенням температури зростає. До них належать деякі чисті хімічні елементи, такі як кремній - , германій - , селен - , а також оксиди і сульфіди металів.

Розрізняють провідність напівпровідникових матеріалів власну і домішкову. Власну провідність мають чисті напівпровідникові матеріали, а сплави напівпровідника з іншими хімічними елементами - домішкову. На відміну від власної домішкова провідність вища.

Сплави напівпровідників з іншими хімічними елементами можуть мати p –, або n - провідність залежно від домішки.

Наприклад, якщо до складу 4- валентного германію у якості домішки ввести 3 – валентний індій, то між атомами відбудеться парноелектронний зв'язок. У такому зв’язку в атомів індію не вистачатиме одного електрона для парного зв’язку з германієм, тому утвориться вакансія, або так звана «дірка». У таких напівпровідникових матеріалах матимемо «діркову» провідність (напівпровідник р-типу).

Якщо ж до чистого германію ввести домішку 5 – валентного миш’яку, то у парноелектронному зв’язку зайвим буде один його електрон. Очевидно, провідність будуть здійснювати вільні електрони, і такий сплав називається напівпровідником n – типу.

При тісному контакті напівпровідників з різною провідністю на межі їх розділу утвориться запірний шар (рис. 6). Пояснюється це явище дифузією вільних електронів від напівпровідника n-типу до напівпровідника p–типу.

У цьому випадку з одного боку межі поділу напівпровідників концентруються негативно заряджені вільні електрони, які дифундують до напівпровідника p–типу; по іншу – позитивно заряджені «дірки». Тому між негативно зарядженими електронами і некомпенсованими ядрами на межі поділу напівпровідникових матеріалів різної провідності виникне електричне поле, яке й спричинить запірний шар, який перешкоджатиме подальшій дифузії заряджених частинок.

Якщо ж до такого приладу під’єднати джерело постійного струму, то при умові, що вектор електричного поля цього джерела співпаде за напрямком з вектором напруженості електричного поля запірного шару, ширина останнього зросте. У такому випадку сила зворотного струму І_зв буде незначною. При збільшені напруги U_зв сила струму дещо зростатиме, але в незначній мірі, що й зображено на вольт-амперній характеристиці (рис. 7).

Коли ж напрям електричного поля буде зустрічним до напрямку електричного поля запірного шару, то прилад працюватиме в режимі провідності. При збільшенні напруги U_пр джерела запірний шар звужуватиметься, а сила прямого струму І_пр зростатиме. Такий прилад, як відомо, називають діодом.

Залежність сили струму провідності від величини напруги на кінцях діода, називають вольт-амперною характеристикою, яка зображена на рис. 7.

Рис. 6. Схематичне зображення напівпровідникового діода.

Рис. 7. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.

Для виготовлення випрямлячів змінного струму найчастіше використовують напівпровідникові діоди (вентилі) різної потужності. Схеми ввімкнення вентилів у випрямлячах залежать від струму електромережі – однофазний або трифазний; виду випрямленого струму – однопівперіодне або двопівперіодне випрямлення; схеми випрямлячів з середньою точкою трансформатора або містковою схемами.

Розглянемо способи випрямлення струмів, залежно від схеми ввімкнення вентилів.

Схема однопівперіодного випрямлення (рис. 8) дає змогу отримати пульсуючу напругу (силу струму) на споживачеві з «втратою» одного півперіоду, саме того, при якому діод запертий.

а)	б)

Рис. 8 Однопівперіодне випрямляння: а) - схема; б) - графік.

Електрична схема двопівперіодного випрямлення забезпечує протікання струму в одну сторону на споживачеві протягом обох півперіодів (рис. 9а). Очевидно пульсація напруги і сили струму на споживачеві збільшиться удвічі, що відображено на графіку, зображеному на рис. 9б.

а)	б)

Рис. 9. Двопівперіодне випрямлення однофазного змінного струму за схемою середньої точки трансформатора: а) - схема; б) - графік.

Двопівперіодне випрямлення часто здійснюють випрямлячами, які працюють на основі місткової схеми (рис. 10). Якщо підвести змінну напругу до діодного містка у вузлах a-b, то на споживачеві між вузлами c-d струм І завжди протікатиме в одну сторону (на рисунку 10a-в зліва на право).

а)	б)	в)
г)

Рис. 10 Місткова схема: а) - схема; б,в) - елементи схеми; г) - графік.

Дійсно, з рисунка 7-б слідує, що провідність діодів забезпечує напрям електричного струму від вузла с до вузла d. Дійсно, якщо у вузлі а потенціал "+", а вузлі b "-", то струм протікатиме в напрямку від вузла с до вузла d.

Якщо ж через півперіоду потенціал у вузлі а "-", а в точці b "+", то струм, що потрапляє на споживач, матиме той самий напрямок (рис. 10-в). Характер випрямленого струму діодним містком Греца зображено на графіку – рисунок 7-г.

У трифазних електричних колах, подібно до однофазних, використовують схеми випрямлячів з середньою точкою трансформатора (рис. 11) та діодні мости (рис. 12).

Для усунення пульсацій у випрямлячах використовують різного роду фільтри.

Рис. 11. Схема випрямляча з середньою точкою трансформатора для трифазного кола – а, графік випрямленого струму - б.

Рис. 12. Схема діодного моста для випрямляча трифазного струму - а та графік випрямленого струму - б.

Контрольні запитання

1. Поясніть зміст і послідовність виконання роботи.

2. Чим відрізняються провідники від напівпровідників?

3. Які напівпровідникові сплави мають п-провідність?

4. Які напівпровідникові сплави мають р-провідність?

5. У чому полягає явище утворення p-n переходу?

6. Пояснити фізичний зміст вольт-амперної характеристики діода.

7. Пояснити принцип дії двопівперіодного випрямляння з середньою точкою трансформатора.

8. Пояснити принцип дії випрямляча, який працює за схемою Греца.

9. Пояснити принцип дії випрямляча, що працює за схемою середньої точки трансформатора.

10. Пояснити принцип дії випрямляча, що працює за схемою діодного моста у 3-фазному колі.

С П И С О К Л І Т Е Р А Т У Р И