代天曉

(北京景山學校崇禮分校 河北 張家口 076350)

吳廣國 馬龍敏

(北京景山學校 北京 100006)

鄒斌

(中央民族大學理學院 北京 100081)

半導體二極管是高中物理歐姆定律部分“非線性元件小燈泡伏安特性曲線實驗”的拓展內(nèi)容，是高中階段重要的電磁學拓展實驗之一.二極管的單向?qū)щ娦浴⒎蔡匦郧€和整流特性也是高考、高校自主招生和全國物理競賽的命題熱點，命題形式靈活多變，對學生能力的考查要求較高.鑒于此問題為高中物理中一個知識點，筆者對半導體二極管的單向?qū)щ娦?、整流特性中的半波整流電路、全波整流電路、濾波電路以及全波整流電路的應(yīng)用進行了詳細分析和研究.

1 半導體二極管的單向?qū)щ娦?/h2>

1.1 實驗探究

由如圖1所示的電路圖制作示教板，正弦交流信號采取功率輸出低頻正弦信號，電路中有小燈泡與兩個發(fā)光二極管并聯(lián)在一起，左側(cè)為紅色發(fā)光二極管，右側(cè)為綠色發(fā)光二極管，兩個二極管的正負接法相反.

圖1 引課演示實驗示教板電路圖

接通電源，在一個周期內(nèi)，小燈泡閃亮兩次，紅色和綠色發(fā)光二極管各閃亮一次.當紅色發(fā)光二極管與小燈泡亮時，綠色發(fā)光二極管暗；當綠色發(fā)光二極管與小燈泡亮時，紅色發(fā)光二極管暗,實驗現(xiàn)象如圖2所示.

圖2 發(fā)光二極管單線導電性實驗現(xiàn)象

二極管具有單向?qū)щ娦?，正向?qū)?，二極管發(fā)光；反向截止，二極管不亮.而小燈泡的發(fā)光是燈絲的熱效應(yīng)所致，無論電流的方向如何，小燈泡都發(fā)光.所以在正弦交流電一個周期的時間里，小燈泡兩次發(fā)光，發(fā)光二極管只有一次發(fā)光.

1.2 理論分析二極管的單向?qū)щ娦?/h3>

半導體二極管是由p型半導體和n型半導體緊密結(jié)合而成.在此以半導體硅二極管為例，p型硅半導體是摻雜了三價的硼原子，硼原子替代一個硅原子，與周圍的4個硅原子形成共價鍵.因為硼原子最外層只有3個電子，需要拿出4個電子與硅形成共價鍵，所以每一個硼原子附近就會出現(xiàn)一個帶正電的空位，簡稱空穴，p型半導體的多數(shù)載流子為空穴.同理n型半導體為摻雜了五價的磷原子，n型半導體的多數(shù)載流子為自由電子.

當p型和n型半導體緊密結(jié)合時，由于在pn結(jié)上存在載流子濃度梯度，載流子會產(chǎn)生擴散現(xiàn)象.在p側(cè)的空穴擴散進入n側(cè)，n側(cè)的電子擴散進入p側(cè)，擴散進入n側(cè)的空穴與n側(cè)的電子中和，擴散進入p側(cè)的電子與p側(cè)的空穴中和[1].這樣，p型半導體結(jié)部分剩余不自由的電子，而n型半導體結(jié)部分剩余不自由的空穴，從而在結(jié)區(qū)形成了如圖3所示的內(nèi)建電場，內(nèi)建電場區(qū)域又稱為耗盡區(qū)，內(nèi)建電場阻礙了p型半導體中的空穴和n型半導體中的自由電子的進一步擴散，形成熱平衡下不加偏壓的pn結(jié).

圖3 pn結(jié)的形成過程

如圖4(a)所示，當pn結(jié)加正向偏置電壓時，pn結(jié)耗盡區(qū)寬度減小，使載流子更易擴散，如果正向所加電壓恰好等于熱平衡零偏置時的內(nèi)建電勢差，此時耗盡區(qū)寬度為零，pn結(jié)正向?qū)?，此時正向電壓稱為二極管的正向?qū)妷?如圖4(b)所示，當二極管加反向偏置電壓時，pn結(jié)耗盡區(qū)寬度增加，使多數(shù)載流子的擴散更加困難，所以二極管反向偏置時，電流更小.理論上認為二極管反向截止，隨著反向偏置電壓增大到某一臨界電壓后，電流會突然增加，這種現(xiàn)象稱為結(jié)擊穿，此時的反向電壓稱為結(jié)擊穿電壓.

圖4 pn結(jié)正向和反向偏置下的耗盡區(qū)寬度

1.3 實驗描繪二極管的伏安特性曲線

我們可參照高中電學實驗描繪小燈泡的伏安特性曲線的實驗，設(shè)計類似的實驗方案描繪二極管的伏安特性曲線.

因為一般的整流二極管的反向擊穿電壓比較高，所以實驗中采用的是6.8 V的穩(wěn)壓二極管，如圖5所示.

圖5 穩(wěn)壓二極管

由高中教材《物理·選修3-1》第二章第3節(jié)歐姆定律某晶體二極管的伏安特性曲線圖[2]可知，二極管的伏安特性曲線不是線性關(guān)系，所以可采用分壓電路來進行測量，如圖6所示.

圖6 描繪二極管伏安特性曲線測量電路圖

實驗中，滑動變阻器采用全電阻為5 Ω的滑動變阻器，電源采用直流穩(wěn)壓電源，最高可達20 V，可以改變電源的正負.電壓表和電流表都采用數(shù)字萬用表，且當正向沒有導通時，電流表的量程為μA量程，當二極管正向?qū)ê头聪驌舸r，量程改為mA量程.由測量數(shù)據(jù)，描點作圖可得二極管的伏安特性曲線如圖7所示.

圖7 二極管的伏安特性曲線

由該二極管伏安特性曲線可知其正向?qū)妷杭s為0.8 V，反向擊穿電壓約為6.8 V.該二極管工作在反向6.8 V時，二極管被擊穿，再反向增大電壓，發(fā)現(xiàn)二極管兩端電壓將不再發(fā)生較大幅度的變化，該二極管工作在反向擊穿的狀態(tài)下，起到了穩(wěn)壓6.8 V的作用.

2 二極管的整流特性

2.1 半波整流

二極管具有正向?qū)?、反向截止的性質(zhì).我們按照如圖8所示設(shè)計的實驗電路圖，從電阻RL兩端取電壓信號輸入到示波器中，觀察當一正弦交流信號通過1個二極管后產(chǎn)生的信號情況.

圖8 半波整流電路

這種經(jīng)過一個二極管從而獲得的信號，只得到了原正弦信號的一個方向的信號，如圖9所示，這種整流電路，我們稱為半波整流.

圖9 半波整流電路RL兩端的電壓信號

2.2 全波整流

圖10為全波整流電路.

圖10 全波整流電路

在a與b之間輸入正弦信號，當正弦信號的輸入端a為正時，電信號經(jīng)過D1，RL，D3，然后回到b端；b端為正時，電信號經(jīng)過D2，RL，D4，然后回到a端.這樣無論a，b哪一端為正，電流通過RL的方向都相同，從而在RL兩端取電壓信號時，都是一個方向.

有關(guān)參考書中給出的全波整流的電路圖如圖11所示[3].與圖10分析得到的電路圖完全相同，只是改變了二極管的相對位置.

圖11 全波整流電路的變形圖

通過對全波整流電路分析，正弦信號無論正向電壓信號還是負向電壓信號，經(jīng)過RL時，電流方向都是從上至下，所以從RL兩端取信號，輸入到示波器中觀察得如圖12所示的直流電信號.

圖12 全波整流電路輸出端電壓信號

2.3 濾波電路

得到了經(jīng)過全波整流電路以后的直流信號，如圖12所示. 雖然將交流電變成了直流電，但這個信號強弱還是在不停地變化的，可以采用如下辦法讓電阻兩端的信號更穩(wěn)定.

可以利用電容器的充放電特性設(shè)計出如圖13所示的濾波電路，給取信號的電阻RL并聯(lián)一個合適的電容器，當電阻兩端電壓減小時，此時電容器存儲的電荷進行放電，保持電容器與RL兩端的電壓一致；而當RL兩端的電壓增加時，此時給電容器充電.從而可以得出此時的穩(wěn)定性較好的電信號如圖14所示.

圖13 濾波電路圖

圖14 經(jīng)過整流、濾波后的直流電壓信號

日常生活中所有用直流電源的用電器，都可以用整流和濾波電路得到穩(wěn)定的電壓信號來提供電源，給其供電.比如手機、手電筒、收音機、電子音樂卡片、電子表等用電器的電源.比如利用全波整流和濾波電路得到直流電壓信號給1.5 V音樂卡片供電，使音樂賀卡正常工作. 通過調(diào)節(jié)功率輸出信號的大小，來調(diào)節(jié)整流濾波電路的輸出電壓信號的高低，給3.0 V收音機供電，使其正常工作.

3 電磁線圈炮的設(shè)計與制作

3.1 電磁線圈炮的工作原理

電磁線圈炮是利用鐵釘做“炮彈”.當線圈中通有電流時，線圈變成電磁鐵，將鐵釘磁化，磁化后的鐵釘被電磁鐵吸進線圈中獲得一定的速度.電磁線圈炮的核心是：

(1)線圈中通的電流不能用恒定的電流，恒定的電流會導致線圈中產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，當鐵釘被磁化后吸入到線圈中獲得一定的速度，但鐵釘在出線圈時將會減速運動，所以鐵釘將會停在線圈中.

(2)本實驗中要求通電后線圈的磁性要很強，所以必須通瞬間大電流，即大脈沖電流[4～6].

電磁線圈炮的工作原理如圖15所示.

圖15 電磁線圈炮的工作原理

3.2 設(shè)計與制作

基于以上兩點要求，我們需要高壓直流電，同時該電流又必須是瞬間脈沖電流.電容器放電可以產(chǎn)生脈沖電流，如果想要使放電時間更短，則回路中電阻越小越好，所以最好直接用充電后的電容器對銅繞的線圈進行放電，如圖16所示.

圖16 電磁線圈炮設(shè)計電路圖

因為是對220 V的交流電進行整流，所以二極管采用6A/10MIC型號大功率二極管，電容器C1和C2都采用的是450 V，1 000 μF電解電容器.線圈長度約為12 cm，匝數(shù)約為250匝，線圈纏繞在外徑約為8 mm的透明塑料管上.斷開S2，接通S1，給兩個電容器充電，可以通過串聯(lián)在整流電路之前的燈泡的亮度來判斷充電情況，為了使電容器存儲的電荷更多，當燈泡不亮后，再持續(xù)充電5～10 s的時間.然后斷開S1，接通S2，電容器放電在線圈中產(chǎn)生瞬間的脈沖大電流，鐵釘被磁化后，被快速吸入線圈中獲得較大的速度，此時電容器基本放電完畢，鐵釘以很快的速度“彈射”出去，實物圖如圖17所示.

圖17 電磁線圈炮實物圖

4 結(jié)束語

本文從二極管的單向?qū)щ娦猿霭l(fā)，利用半波整流、全波整流和濾波電路，獲取直流電信號，進一步對直流電信號進行應(yīng)用，對音樂賀卡、收音機供電.最后又自行設(shè)計制作了電磁線圈炮，并且獲得了很好的實驗效果.