代天曉

(北京景山學(xué)校崇禮分校 河北 張家口 076350)

吳廣國(guó) 馬龍敏

(北京景山學(xué)校 北京 100006)

鄒斌

(中央民族大學(xué)理學(xué)院 北京 100081)

半導(dǎo)體二極管是高中物理歐姆定律部分“非線(xiàn)性元件小燈泡伏安特性曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)”的拓展內(nèi)容，是高中階段重要的電磁學(xué)拓展實(shí)驗(yàn)之一.二極管的單向?qū)щ娦浴⒎蔡匦郧€(xiàn)和整流特性也是高考、高校自主招生和全國(guó)物理競(jìng)賽的命題熱點(diǎn)，命題形式靈活多變，對(duì)學(xué)生能力的考查要求較高.鑒于此問(wèn)題為高中物理中一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，筆者對(duì)半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦浴⒄魈匦灾械陌氩ㄕ麟娐?、全波整流電路、濾波電路以及全波整流電路的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究.

1 半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?/h2>

1.1 實(shí)驗(yàn)探究

由如圖1所示的電路圖制作示教板，正弦交流信號(hào)采取功率輸出低頻正弦信號(hào)，電路中有小燈泡與兩個(gè)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(gè)二極管的正負(fù)接法相反.

圖1 引課演示實(shí)驗(yàn)示教板電路圖

接通電源，在一個(gè)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(dāng)紅色發(fā)光二極管與小燈泡亮?xí)r，綠色發(fā)光二極管暗；當(dāng)綠色發(fā)光二極管與小燈泡亮?xí)r，紅色發(fā)光二極管暗,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示.

圖2 發(fā)光二極管單線(xiàn)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)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(wú)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(gè)周期的時(shí)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(dǎo)體二極管是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合而成.在此以半導(dǎo)體硅二極管為例，p型硅半導(dǎo)體是摻雜了三價(jià)的硼原子，硼原子替代一個(gè)硅原子，與周?chē)?個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵.因?yàn)榕鹪幼钔鈱又挥?個(gè)電子，需要拿出4個(gè)電子與硅形成共價(jià)鍵，所以每一個(gè)硼原子附近就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空位，簡(jiǎn)稱(chēng)空穴，p型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為空穴.同理n型半導(dǎo)體為摻雜了五價(jià)的磷原子，n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為自由電子.

當(dāng)p型和n型半導(dǎo)體緊密結(jié)合時(shí)，由于在pn結(jié)上存在載流子濃度梯度，載流子會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象.在p側(cè)的空穴擴(kuò)散進(jìn)入n側(cè)，n側(cè)的電子擴(kuò)散進(jìn)入p側(cè)，擴(kuò)散進(jìn)入n側(cè)的空穴與n側(cè)的電子中和，擴(kuò)散進(jìn)入p側(cè)的電子與p側(cè)的空穴中和[1].這樣，p型半導(dǎo)體結(jié)部分剩余不自由的電子，而n型半導(dǎo)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(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)域又稱(chēng)為耗盡區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)阻礙了p型半導(dǎo)體中的空穴和n型半導(dǎo)體中的自由電子的進(jìn)一步擴(kuò)散，形成熱平衡下不加偏壓的pn結(jié).

圖3 pn結(jié)的形成過(guò)程

如圖4(a)所示，當(dāng)pn結(jié)加正向偏置電壓時(shí)，pn結(jié)耗盡區(qū)寬度減小，使載流子更易擴(kuò)散，如果正向所加電壓恰好等于熱平衡零偏置時(shí)的內(nèi)建電勢(shì)差，此時(shí)耗盡區(qū)寬度為零，pn結(jié)正向?qū)?，此時(shí)正向電壓稱(chēng)為二極管的正向?qū)妷?如圖4(b)所示，當(dāng)二極管加反向偏置電壓時(shí)，pn結(jié)耗盡區(qū)寬度增加，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散更加困難，所以二極管反向偏置時(shí)，電流更小.理論上認(rèn)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(huì)突然增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為結(jié)擊穿，此時(shí)的反向電壓稱(chēng)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(shí)驗(yàn)描繪二極管的伏安特性曲線(xiàn)

我們可參照高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)描繪小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)方案描繪二極管的伏安特性曲線(xiàn).

因?yàn)橐话愕恼鞫O管的反向擊穿電壓比較高，所以實(shí)驗(yàn)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(xiàn)圖[2]可知，二極管的伏安特性曲線(xiàn)不是線(xiàn)性關(guān)系，所以可采用分壓電路來(lái)進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示.

圖6 描繪二極管伏安特性曲線(xiàn)測(cè)量電路圖

實(shí)驗(yàn)中，滑動(dòng)變阻器采用全電阻為5 Ω的滑動(dòng)變阻器，電源采用直流穩(wěn)壓電源，最高可達(dá)20 V，可以改變電源的正負(fù).電壓表和電流表都采用數(shù)字萬(wàn)用表，且當(dāng)正向沒(méi)有導(dǎo)通時(shí)，電流表的量程為μA量程，當(dāng)二極管正向?qū)ê头聪驌舸r(shí)，量程改為mA量程.由測(cè)量數(shù)據(jù)，描點(diǎn)作圖可得二極管的伏安特性曲線(xiàn)如圖7所示.

圖7 二極管的伏安特性曲線(xiàn)

由該二極管伏安特性曲線(xiàn)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(shí)，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(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖，從電阻RL兩端取電壓信號(hào)輸入到示波器中，觀察當(dāng)一正弦交流信號(hào)通過(guò)1個(gè)二極管后產(chǎn)生的信號(hào)情況.

圖8 半波整流電路

這種經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管從而獲得的信號(hào)，只得到了原正弦信號(hào)的一個(gè)方向的信號(hào)，如圖9所示，這種整流電路，我們稱(chēng)為半波整流.

圖9 半波整流電路RL兩端的電壓信號(hào)

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(hào)，當(dāng)正弦信號(hào)的輸入端a為正時(shí)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)D1，RL，D3，然后回到b端；b端為正時(shí)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)D2，RL，D4，然后回到a端.這樣無(wú)論a，b哪一端為正，電流通過(guò)RL的方向都相同，從而在RL兩端取電壓信號(hào)時(shí)，都是一個(gè)方向.

有關(guān)參考書(shū)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(duì)位置.

圖11 全波整流電路的變形圖

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

圖12 全波整流電路輸出端電壓信號(hào)

2.3 濾波電路

得到了經(jīng)過(guò)全波整流電路以后的直流信號(hào)，如圖12所示. 雖然將交流電變成了直流電，但這個(gè)信號(hào)強(qiáng)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(hào)更穩(wěn)定.

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

圖13 濾波電路圖

圖14 經(jīng)過(guò)整流、濾波后的直流電壓信號(hào)

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(hào)來(lái)提供電源，給其供電.比如手機(jī)、手電筒、收音機(jī)、電子音樂(lè)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(hào)給1.5 V音樂(lè)卡片供電，使音樂(lè)賀卡正常工作. 通過(guò)調(diào)節(jié)功率輸出信號(hào)的大小，來(lái)調(diào)節(jié)整流濾波電路的輸出電壓信號(hào)的高低，給3.0 V收音機(jī)供電，使其正常工作.

3 電磁線(xiàn)圈炮的設(shè)計(jì)與制作

3.1 電磁線(xiàn)圈炮的工作原理

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

(1)線(xiàn)圈中通的電流不能用恒定的電流，恒定的電流會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)圈中產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)，當(dāng)鐵釘被磁化后吸入到線(xiàn)圈中獲得一定的速度，但鐵釘在出線(xiàn)圈時(shí)將會(huì)減速運(yùn)動(dòng)，所以鐵釘將會(huì)停在線(xiàn)圈中.

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

電磁線(xiàn)圈炮的工作原理如圖15所示.

圖15 電磁線(xiàn)圈炮的工作原理

3.2 設(shè)計(jì)與制作

基于以上兩點(diǎn)要求，我們需要高壓直流電，同時(shí)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(shí)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(duì)銅繞的線(xiàn)圈進(jìn)行放電，如圖16所示.

圖16 電磁線(xiàn)圈炮設(shè)計(jì)電路圖

因?yàn)槭菍?duì)220 V的交流電進(jìn)行整流，所以二極管采用6A/10MIC型號(hào)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(xiàn)圈長(zhǎng)度約為12 cm，匝數(shù)約為250匝，線(xiàn)圈纏繞在外徑約為8 mm的透明塑料管上.斷開(kāi)S2，接通S1，給兩個(gè)電容器充電，可以通過(guò)串聯(lián)在整流電路之前的燈泡的亮度來(lái)判斷充電情況，為了使電容器存儲(chǔ)的電荷更多，當(dāng)燈泡不亮后，再持續(xù)充電5～10 s的時(shí)間.然后斷開(kāi)S1，接通S2，電容器放電在線(xiàn)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(xiàn)圈中獲得較大的速度，此時(shí)電容器基本放電完畢，鐵釘以很快的速度“彈射”出去，實(shí)物圖如圖17所示.

圖17 電磁線(xiàn)圈炮實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

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(hào)，進(jìn)一步對(duì)直流電信號(hào)進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)音樂(lè)賀卡、收音機(jī)供電.最后又自行設(shè)計(jì)制作了電磁線(xiàn)圈炮，并且獲得了很好的實(shí)驗(yàn)效果.