代天晓

(北京景山学校崇礼分校 河北 张家口 076350)

吴广国 马龙敏

(北京景山学校 北京 100006)

邹斌

(中央民族大学理学院 北京 100081)

半导体二极管是高中物理欧姆定律部分“非线性元件小灯泡伏安特性曲线实验”的拓展内容，是高中阶段重要的电磁学拓展实验之一.二极管的单向导电性、伏安特性曲线和整流特性也是高考、高校自主招生和全国物理竞赛的命题热点，命题形式灵活多变，对学生能力的考查要求较高.鉴于此问题为高中物理中一个知识点，笔者对半导体二极管的单向导电性、整流特性中的半波整流电路、全波整流电路、滤波电路以及全波整流电路的应用进行了详细分析和研究.

1 半导体二极管的单向导电性

1.1 实验探究

由如图1所示的电路图制作示教板，正弦交流信号采取功率输出低频正弦信号，电路中有小灯泡与两个发光二极管并联在一起，左侧为红色发光二极管，右侧为绿色发光二极管，两个二极管的正负接法相反.

图1 引课演示实验示教板电路图

接通电源，在一个周期内，小灯泡闪亮两次，红色和绿色发光二极管各闪亮一次.当红色发光二极管与小灯泡亮时，绿色发光二极管暗；当绿色发光二极管与小灯泡亮时，红色发光二极管暗,实验现象如图2所示.

图2 发光二极管单线导电性实验现象

二极管具有单向导电性，正向导通，二极管发光；反向截止，二极管不亮.而小灯泡的发光是灯丝的热效应所致，无论电流的方向如何，小灯泡都发光.所以在正弦交流电一个周期的时间里，小灯泡两次发光，发光二极管只有一次发光.

1.2 理论分析二极管的单向导电性

半导体二极管是由p型半导体和n型半导体紧密结合而成.在此以半导体硅二极管为例，p型硅半导体是掺杂了三价的硼原子，硼原子替代一个硅原子，与周围的4个硅原子形成共价键.因为硼原子最外层只有3个电子，需要拿出4个电子与硅形成共价键，所以每一个硼原子附近就会出现一个带正电的空位，简称空穴，p型半导体的多数载流子为空穴.同理n型半导体为掺杂了五价的磷原子，n型半导体的多数载流子为自由电子.

当p型和n型半导体紧密结合时，由于在pn结上存在载流子浓度梯度，载流子会产生扩散现象.在p侧的空穴扩散进入n侧，n侧的电子扩散进入p侧，扩散进入n侧的空穴与n侧的电子中和，扩散进入p侧的电子与p侧的空穴中和[1].这样，p型半导体结部分剩余不自由的电子，而n型半导体结部分剩余不自由的空穴，从而在结区形成了如图3所示的内建电场，内建电场区域又称为耗尽区，内建电场阻碍了p型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子的进一步扩散，形成热平衡下不加偏压的pn结.

图3 pn结的形成过程

如图4(a)所示，当pn结加正向偏置电压时，pn结耗尽区宽度减小，使载流子更易扩散，如果正向所加电压恰好等于热平衡零偏置时的内建电势差，此时耗尽区宽度为零，pn结正向导通，此时正向电压称为二极管的正向导通电压.如图4(b)所示，当二极管加反向偏置电压时，pn结耗尽区宽度增加，使多数载流子的扩散更加困难，所以二极管反向偏置时，电流更小.理论上认为二极管反向截止，随着反向偏置电压增大到某一临界电压后，电流会突然增加，这种现象称为结击穿，此时的反向电压称为结击穿电压.

图4 pn结正向和反向偏置下的耗尽区宽度

1.3 实验描绘二极管的伏安特性曲线

我们可参照高中电学实验描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验，设计类似的实验方案描绘二极管的伏安特性曲线.

因为一般的整流二极管的反向击穿电压比较高，所以实验中采用的是6.8 V的稳压二极管，如图5所示.

图5 稳压二极管

由高中教材《物理·选修3-1》第二章第3节欧姆定律某晶体二极管的伏安特性曲线图[2]可知，二极管的伏安特性曲线不是线性关系，所以可采用分压电路来进行测量，如图6所示.

图6 描绘二极管伏安特性曲线测量电路图

实验中，滑动变阻器采用全电阻为5 Ω的滑动变阻器，电源采用直流稳压电源，最高可达20 V，可以改变电源的正负.电压表和电流表都采用数字万用表，且当正向没有导通时，电流表的量程为μA量程，当二极管正向导通和反向击穿时，量程改为mA量程.由测量数据，描点作图可得二极管的伏安特性曲线如图7所示.

图7 二极管的伏安特性曲线

由该二极管伏安特性曲线可知其正向导通电压约为0.8 V，反向击穿电压约为6.8 V.该二极管工作在反向6.8 V时，二极管被击穿，再反向增大电压，发现二极管两端电压将不再发生较大幅度的变化，该二极管工作在反向击穿的状态下，起到了稳压6.8 V的作用.

2 二极管的整流特性

2.1 半波整流

二极管具有正向导通、反向截止的性质.我们按照如图8所示设计的实验电路图，从电阻RL两端取电压信号输入到示波器中，观察当一正弦交流信号通过1个二极管后产生的信号情况.

图8 半波整流电路

这种经过一个二极管从而获得的信号，只得到了原正弦信号的一个方向的信号，如图9所示，这种整流电路，我们称为半波整流.

图9 半波整流电路RL两端的电压信号

2.2 全波整流

图10为全波整流电路.

图10 全波整流电路

在a与b之间输入正弦信号，当正弦信号的输入端a为正时，电信号经过D1，RL，D3，然后回到b端；b端为正时，电信号经过D2，RL，D4，然后回到a端.这样无论a，b哪一端为正，电流通过RL的方向都相同，从而在RL两端取电压信号时，都是一个方向.

有关参考书中给出的全波整流的电路图如图11所示[3].与图10分析得到的电路图完全相同，只是改变了二极管的相对位置.

图11 全波整流电路的变形图

通过对全波整流电路分析，正弦信号无论正向电压信号还是负向电压信号，经过RL时，电流方向都是从上至下，所以从RL两端取信号，输入到示波器中观察得如图12所示的直流电信号.

图12 全波整流电路输出端电压信号

2.3 滤波电路

得到了经过全波整流电路以后的直流信号，如图12所示. 虽然将交流电变成了直流电，但这个信号强弱还是在不停地变化的，可以采用如下办法让电阻两端的信号更稳定.

可以利用电容器的充放电特性设计出如图13所示的滤波电路，给取信号的电阻RL并联一个合适的电容器，当电阻两端电压减小时，此时电容器存储的电荷进行放电，保持电容器与RL两端的电压一致；而当RL两端的电压增加时，此时给电容器充电.从而可以得出此时的稳定性较好的电信号如图14所示.

图13 滤波电路图

图14 经过整流、滤波后的直流电压信号

日常生活中所有用直流电源的用电器，都可以用整流和滤波电路得到稳定的电压信号来提供电源，给其供电.比如手机、手电筒、收音机、电子音乐卡片、电子表等用电器的电源.比如利用全波整流和滤波电路得到直流电压信号给1.5 V音乐卡片供电，使音乐贺卡正常工作. 通过调节功率输出信号的大小，来调节整流滤波电路的输出电压信号的高低，给3.0 V收音机供电，使其正常工作.

3 电磁线圈炮的设计与制作

3.1 电磁线圈炮的工作原理

电磁线圈炮是利用铁钉做“炮弹”.当线圈中通有电流时，线圈变成电磁铁，将铁钉磁化，磁化后的铁钉被电磁铁吸进线圈中获得一定的速度.电磁线圈炮的核心是：

(1)线圈中通的电流不能用恒定的电流，恒定的电流会导致线圈中产生稳恒磁场，当铁钉被磁化后吸入到线圈中获得一定的速度，但铁钉在出线圈时将会减速运动，所以铁钉将会停在线圈中.

(2)本实验中要求通电后线圈的磁性要很强，所以必须通瞬间大电流，即大脉冲电流[4～6].

电磁线圈炮的工作原理如图15所示.

图15 电磁线圈炮的工作原理

3.2 设计与制作

基于以上两点要求，我们需要高压直流电，同时该电流又必须是瞬间脉冲电流.电容器放电可以产生脉冲电流，如果想要使放电时间更短，则回路中电阻越小越好，所以最好直接用充电后的电容器对铜绕的线圈进行放电，如图16所示.

图16 电磁线圈炮设计电路图

因为是对220 V的交流电进行整流，所以二极管采用6A/10MIC型号大功率二极管，电容器C1和C2都采用的是450 V，1 000 μF电解电容器.线圈长度约为12 cm，匝数约为250匝，线圈缠绕在外径约为8 mm的透明塑料管上.断开S2，接通S1，给两个电容器充电，可以通过串联在整流电路之前的灯泡的亮度来判断充电情况，为了使电容器存储的电荷更多，当灯泡不亮后，再持续充电5～10 s的时间.然后断开S1，接通S2，电容器放电在线圈中产生瞬间的脉冲大电流，铁钉被磁化后，被快速吸入线圈中获得较大的速度，此时电容器基本放电完毕，铁钉以很快的速度“弹射”出去，实物图如图17所示.

图17 电磁线圈炮实物图

4 结束语

本文从二极管的单向导电性出发，利用半波整流、全波整流和滤波电路，获取直流电信号，进一步对直流电信号进行应用，对音乐贺卡、收音机供电.最后又自行设计制作了电磁线圈炮，并且获得了很好的实验效果.