Из уравнения (43.4) следует, что при изменении полярности в первый момент будут наблюдаться увеличенные значения токов как прямого, так и обратного направлений. С ростом частоты соотношение средних значений токов прямого и обратного направлений уменьшается, а коэффициент выпрямления падает. Это связано с тем, что в первом полупериоде вблизи поверхности электрода накапливается продукт реакции, а во втором полупериоде он расходуется. При высокой частоте продукт реакции не успевает уходить в раствор, его концентрация у поверхности возрастает, поэтому возрастает и ток обратного [c.218]

    Выпрямительные приборы весьма чувствительны. Вольтметры выпускаются с нижними пределами измерения начиная от 0,3 В, а миллиамперметры — от 0,2 мА. Входное сопротивление выпрямительных вольтметров обычно порядка 2 кОм/В. Особенностью выпрямительных вольтметров является уменьшение входного сопротивления при измерении малых напряжений вследствие уменьшения коэффициента выпрямления диодов. Поэтому выпрямительные вольтметры на малые напряжения имеют низкое входное сопротивление, например, в вольтметре с верхним пределом измерения 0,3 В входное сопротивление составляет 300 Ом (прибор потребляет ток 1 мА). Внутреннее сопротивление выпрямительных миллиамперметров относительно велико, например, миллиамперметр с верхним пределом измерения 0,2 мА имеет сопротивление 5000 Ом (на приборе падает напряжение до 1 В). [c.421]

    При падении напряжения на диодах их коэффициенты выпрямления уменьшаются, таким образом при малых токах уменьшается коэффициент выпрямления выпрямителя и возникает нелинейность характеристики. Поэтому микроамперметры выпрямительной системы не выпускаются. [c.421]

    В приборах электронной системы в качестве выпрямительных элементов часто используют вакуумный диод, т.е. электронную лампу (у полупроводниковых диодов при малых переменных напряжениях мал коэффициент выпрямления). Поэтому рассматриваемые вольтметры часто называют ламповыми. [c.423]

    II химическими способами, выдерживают обратные напряжения до 8—9 в и обладают достаточно высоким коэффициентом выпрямления ( 1200). [c.328]

    Коэффициенты выпрямления с ростом температуры изменяются незначительно. Прямой ток при постоянном прямом напряжении с ростом температуры увеличивается, обратный ток также увеличивается. [c.332]

    Показано, что формовка обратным током приводит к увеличению обратного- напряжения и улучшению коэффициента выпрямления у образцов, а формовка прямым током — в ряде случаев к опрокидыванию ВАХ. Инвертированная ВАХ обладает высоким коэффициентом выпрямления, отно-ситель Ю большими прямыми токами. [c.333]

    Показано, что до 270—310° выпрямляющие свойства материала сохраняются, причем коэффициент выпрямления изменяется незначительно- [c.333]

    В этой формуле V — амплитуда переменного напряжения, выделяемого на ячейке в результате пропускания переменного тока I, а значения коэффициентов выпрямления и корреляционных коэффициентов определены ниже для каждого из возможных сочетаний стадий (1) — (3). [c.237]

    Автор [30] изучал вольт-амперную характеристику вольфрамового электрода в 0,4 н. растворе Н2504. При анодной поляризации ток весьма мал (запорное направление), при катодной — велик коэффициент выпрямления приблизительно равен 100. В случае переменного тока ультранизкой частоты (0,03 гц) наблюдается выпрямление, которое исчезает при повышении частоты. В концентрированном растворе плавиковой кислоты выпрямление не наблюдается, по-видимому, вследствие растворения окисной пленки. [c.33]

    Фарадеевское выпрямление определяется по (8), где коэффициенты выпрямления a k берутся из табл. 2, а корреляционные множители рассчитываются по формулам  [c.241]

    Подставив формулу (51) в (50), получим для внешней ОС Кос = для внутренней /Сое = К- Из выражений Коа видно, что внешняя ОС дает возможность изменять коэффициент Ков от О до Кос При внутренней ОС коэффициент /Сое определяется значением коэффициента выпрямления kg и, как правило, О 1- При внешней ОС регулирование коэффициента Кое осуществляется изменением сопротивления резистора / рег, шунтирующего всю или часть обмотки ОС (см. рис. 139, б). Оба способа могут быть использованы при выборе режима типового МУ, имеющего несколько управляющих обмоток. [c.167]

    Коэффициент поглощения (максимальный) на монокристал—Лическом образце равен 10 см. При 12,1 мк имеется максимум поглощения. Коэффициент выпрямления (на точечном контакте) имеет порядок 1000 и сохраняет его до 400° С [141]. [c.90]

    Эффект увеличивается при захвате носителей, и они начинают образовывать вблизи освещаемого электрода слой пространственного заряда, уменьшая тем самым поле в глубине кристалла. Это становится более заметным, когда освещаемый электрод отрицателен, так как отрицательным носителям требуется больше времени, чтобы добраться до другого электрода, и слой пространственного заряда разрушается меньше, поскольку меньшее число положительных зарядов сможет разряжаться на отрицательном электроде. Если отрицательные носители захватываются больше, чем положительные, эффект возрастает, ибо это равнозначно эффективному увеличению отношения подвижностей Це/Ц ,. Рис. 8, на котором представлена спектральная зависимость объемного тока для различных кристаллов, показывает также влияние дефектов, т. е. захвата носителей, на коэффициент выпрямления. [c.29]

    Если Сп > Со, то при наложении на диод переменной разности потенциалов протекает преимущественно ток одного направления, т. е. диод приобретает выпрямляющие свойства. Расчет показывает, что достаточно хорошее выпрямление достигается уже при (ОисЬЮоСо) > > 10. Для увеличения коэффициента выпрямления необходимо это отношение увеличивать. Как следует из уравнения (43.3), при этом происходит некоторое увеличение порогового напряжения, т. е. напряжения, при котором диод начинает работать, хотя пороговое напряжение электрохимического диода во всех случаях остается меньше, Чем пороговое напряжение обычных полупроводниковых диодов. [c.232]

    При прямом смещении ток экспоненциально возрастает, а с ростом отрицательного напряжения V ток стремится к , (рис. 188, в). Выпрямляющие свойства, характеризуемые коэффициентом выпрямления ///s (у хороших р—п-переходов он может достигать сотен тысяч), тем лучше, чем меньше ток насыщения [см. выражение (775а) 1. [c.460]

    В ряде работ [81—85] исследованы упругие свойства, диэлектрические константы, коэффициент выпрямления и фотопроводимость монокристаллов GaSe, В связи со значительной анизотропией слоистых кристаллов GaSe отмечена сильная зависимость их упругих свойств от кри- [c.61]

    На основе n-TlS , легированного германием и оловом, били изготовлены точечные диоды и исследованы их выпрямляющие свойства. Введение легирующих примесей повын1а.ло сопротивление образцов от 1 до 100 ом-см и способствовало получению устойчивых характеристик диодов [321. Коэффициент выпрямления при комнатной температуре и напряжении 5 в составлял 180, [c.160]

    Свойства TlSe изучены очень детально. Получены оптические, фотоэлектрические, электрические и другие полупроводниковые характеристики TlSe. Стехиометрический TlSe является дырочным полупроводником с малой подвижностью носителей тока. Избыток компонентов и многократная зонная чистка не меняют типа проводимости. Образцы электронного типа были получены введением элементов IV группы до 0,1 ат. %. Точечные выпрямляющие диоды, изготовленные из таких образцов, показывали коэффициент выпрямления, равный —180. [c.187]

    Поликристаллические слитки Си1п5е2 и AglnSe2 /г-тип подвергали резке на алмазном диске с внутренней режущей кромкой. На одну сторону кристаллов размерол 2-2-21 мм напыляли алюминий. При температуре подложки 50° ВАХ таких образцов, как видно из рис. I, 2, не отличались высокими коэффициентами выпрямления (/Свып = 6Д4) и обратными напряжениями ( / 011=10—14 в). Поэтому основное внимание было уделено механической и химической обработке поверхности. [c.329]

    Если учесть, что верхний предел температуры германиевых диодов равен 75°, а кремниевых диодов 125—130°, то полученная температурная стабильность коэффициента выпрямления для Си1п5с2, наряду с высоким верхним пределом температуры, представляет определенный интерес. [c.333]

    Коэффициенты выпрямления а,-, формулы (8) для различных путей рекакции и изотерм адсорбции иода [c.238]

    Поэтому в обратный период напряжения разряд или совсем не возникает, или же сила тока достигает лишь небольшого ЗЕгачс-ния даже в момент прохождения напряжения через максимум. Таким образом, сила тока в одном направлении во много раз больше, чем в другом, и коэффициент выпрямления большой. [c.695]

    На рис. 32 приведены вольтамперные характеристики в пропускном и непропускном направлениях выпрямительного элемента и коэффициент выпрямления к (отношение прямого тока к обратному, измеряемое при одном и том же напряжении),  [c.48]

    НаТрис. 36 показаны статические вольтамперные характеристики селеновых выпрямительных элементов и приведена кривая отношения прямого тока к обратному. При одном и том же напря-жении коэффициент выпрямления селенового элемента очень мал. С увеличением напряжения он повышается сначала очень резко, а затем более полого. [c.50]

    В отличие от неорганических полупроводников металлфталоцианины сочетают высокое электрическое сопротивление и относительно безынерционную фотопроводимость с большой кратностью фототока к темповому току. Это позволило использовать слои медьфталоцианина в качестве фоточувствительной мишени для передающей телевизионной трубки. Прессованные таблетки магнийфталоцианина, покрытые тонкой пленкой тетраметил-п-фенилендиамина, используются в качестве фотопреобразователей. Тонкопленочные диоды из медьфталоцианина применяются в электронных цифровых вычислительных машинах. Диоды на основе медьфталоцианина с электродами из меди и из пленки алюминия или серебра работают как выпрямители с коэффициентом выпрямления 10 . [c.539]

    Отношение прямого тока к обратному, т. е. коэффициент выпрямления селенового элемента К при малом напряжении, очень мало. С увеличением напряжения коэффициент выпрялшения сначала повышается резко, а затем значительно медленнее. Характеристики прямого и обратного сопротивлений даны для трех элементов различного качества. Прямое сопротивление очень велико при малом напряжении (порог напряжения порядка 0,5 е). [c.69]

15. Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт‑амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p‑n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.Характеристики идеального диода на основе p‑n перехода

Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как ВАХ такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:а) ВАХ характеристика; б) конструкция корпуса ,(4.1)

.

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

Выпрямление в диоде.Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p‑n перехода является резкая асимметрия вольт‑амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2 схема выпрямления переменного тока в диоде.

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода [10, 20]

Рассмотрим коэффициент выпрямления идеального диода на основе p‑n перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U =  0,01 В; 0,025 В; 0,1 В; 0,25 В; 1 B. Получаем:.(4.2)

Величина  ^-1 при комнатной температуре составляет  В. Результаты расчета приведены в таблице.

При значениях переменного напряжения, модуль которого V_G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V_G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V_G =  0,1 В. Варикапы. Зависимость барьерной емкости С_Б от приложенного обратного напряжения V_G используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называется варикапом. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении V_G. При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения V_G. Задавая профиль легирования в базе варикапа N_D(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(V_G) – линейно убывающие, экспоненциально убывающие.

16.Зонная диаграмма равновесного p—n-перехода. Условия равновесия. Контактная разность потенциалов p—nерехода.В состоянии равновесия, когда к переходу не приложено внешнее напряжение, через него протекают одновременно четыре различных тока. Запишем их, пользуясь величиной плотности тока j , т.е. тока, протекающего через единичное поперечное сечение: диффузионный ток дырок, обусловленный их движением из области р в область п ; — диффузионный ток электронов, связанный с движением электронов из области n в область р .Обе эти составляющие связаны с движением основных носителей под действием диффузии. Если бы не было ограничивающего фактора, диффузионные движения носителей продолжались бы до тех пор, пока концентрация электронов и дырок в обеих областях не выровнялась бы и мы бы уже не смогли различить ни р -, ни п -области. Таким ограничивающим фактором является внутреннее электрическое поле, возникающее в области перехода и ограничивающее диффузионные потоки носителей через переход. Образование этого поля связано с тем, что носители, диффундируя в соседнюю область (электроны – в р-область, дырки — в п -область), оставляют после себя неподвижные копы доноров и акцепторов. В результате п-область становится заряженной положительно, р-область — отрицательно, и возникают два слоя объемных зарядов, между которыми существует внутреннее электрическое поле, характеризующееся напряженностью (рис.2.2). Преодолеть тормозящее действие этого поля и проникнуть в соседнюю область совершающие диффузионное движение носители могут только в том случае, если они обладают достаточно большой энергией. В то же время внутреннее электрическое поле подхватывает в каждой области неосновные носители, которые, совершая тепловое движение, попадают на границы областей объемных зарядов, и переносят их в соседнюю область. Поэтому к указанным диффузионным токам, протекающим через переход, добавятся еще два: — дрейфовый ток дырок из областип в область p; — дрейфовый ток электронов из области р в область п .

Рис.2.2. Образование областей объемных зарядов в р- п -переходе.В состоянии равновесия сумма всех четырех указанных токов в р -п-переходе равна нулю: или полный ток через переход

Рис. 2.3. Распределение плотности объемного заядавдоль перехода.На рис.2.3 показано распределение плотности объемного заряда р в области р-п-перехода, х_п и х_р — границы областей объемных зарядов в п- и р-областях. Так как концентрации подвижных носителей заряда в области перехода понижены, то их при расчетах обычно не учитывают. Заряды в обеих областях равны по величине и противоположны по знаку. За пределами областей, при х< х_п и х>х_p концентрации свободных носителей заряда становятся соизмеримыми c концентрациеями йонов примеси, и, поэтому здесь можно считать.

Рис.2.4. Распределение потенциала вдоль перехода.На рис. 2.4 приведен график изменения потенциала в области p-n-перехода. Максимальная скорость изменения потенциала соответствует плоскости раздела областейp- и n-типа проводимости. За пределами областей положительного и отрицательного объемных зарядов будут потенциальные значения потенциалов вn-области и вp-области. Таким образом, иежду областями p- и n-типа существует контактная разность потенциалов .Поскольку напряженность электрического поля Е связана с потен­циалом, то в одномерном случае, когда изменение происходит только вдоль координаты х, ,можно построить зависимость Ё(х) в области перехода, которая показана на рис.2.5.

Рис.2.5. Распределение напряженности электрического поля вдоль перехода

Максимальное значение напряженности электри­ческого поля соответствует плоскости разделаR . Как уже говори­лось, внутреннее электрическое поле обусловлено наличием в об­ласти перехода объемных зарядов, а за его пределами при х< х_n и х>x_p р=0 и E=0. Значение Е_тах может быть определено из уравнения Пуассона:

(2.3), где -относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; — диэлектрическая проницаемость вакуума(2.4)х_n и x_p — границы областей объемных зарядов.

Рис.2.6. Энергетическая диаграмма p-n-перехода.(По оси ординат отложены энергия E для электрона, которая увели­чивается снизу вверх, и энергия для дырки, которая . увеличивается сверху вниз).

На рис.2.6 представлена энергетическая диаграмма p-n-перехода. На границе раздела, в плоскости R, уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны, что соответствует случаю собственного полупроводника.

Диффузионный переход из области n в область p совершают электроны, имеющие энергии , а из областиp в область n – дырки с энергией . Дрейфовое движение осуществляется носителями, которые можно представить, прибегая к аналогии, скатывающимися с горки. При этом «скатываются» из областиn в область p, а электроны – из области p в область n.

Высота потенциального барьера схематически показана на рис.2.6.

Контактная разность потенциалов может быть выражена как

и будет тем выше, чем больше концентрации основных носителей в обеих областях. При увеличении концентрации основных носителей (степени легирования) уровень Ферми в n-областях стремится к , вp-области – к E_V и высота потенциального барьера на границе p-n-перехода стремится к ширине запрещенной зоны полупроводника.

Исследование выпрямительного диода и стабилитрона — эл

1.1 Исследовать и сравнить свойства выпрямительного диода и стабилитрона.

2 Литература:

2.1 Электронные приборы и усилители. Учебник / Ф.И.Вайсбурд, Г.А. Панаев, Б.И.Савельев. – Москва: Либрком, 2009.

3 Подготовка к работе:

3.1 Подготовить бланк отчёта.

3.2 Изучить теоретический материал.

4 Основное оборудование:

4.1 Персональный компьютер с установленной программой «Multisim 10.1».

5.1 Получить ВАХ выпрямительного диода.

5.2 Рассчитать коэффициент выпрямления диода.

5.3 Исследовать ВАХ стабилитрона.

5.4 Рассчитать коэффициент стабилизации стабилитрона.

6 Порядок выполнения работы:

6.1 Исследование выпрямительного диода

6.1.1 Загрузить проект pu2_1. Cхема для исследования выпрямительного диода приведена на рисунке 1. Установить в схеме диод марки, указанной в таблице 1.

Таблица 1

Рисунок 1 –Диод выпрямительный. Схема исследования

6.1.3 С помощью анализатора получить обратную ветвь ВАХ, для этого выбрать на анализаторе в опции Simulate param. start отрицательное значение U_обр.max, В из таблицы 1, stop 0B, шаг (increment)- 20..50 В. Зарисовать полученный график в той же системе координат. Измерить и записать значение обратного тока при напряжении обратном U = — 1В.

6.1.4 Рассчитать коэффициент выпрямления диода по измеренным величинам прямого и обратного тока по формуле (1):

(1)

где I_пр– прямой ток, мА, измеренный при U = 1В;

I_обр, мА – обратный ток, мА, измеренный при U = — 1В.

6.2 Исследование стабилитрона

6 .2.1 Загрузить проект pu2_2. Cхема исследования стабилитрона приведена на рисунке 2. Установить марку стабилитрона, указанную в таблице 2.

Рисунок 2 –Стабилитрон полупроводниковый. Схема исследования

6.2.2 Исследовать рабочую (обратную) ветвь ВАХ стабилитрона. Изменяя напряжение на источнике питания в заданных в таблице 3 пределах, снять показания амперметра и вольтметра. Результаты измерений тока I_ст. и напряжения U_ст. занести в таблицу 3.

Таблица 3

6.2.3 По результатам измерений рассчитать статическое сопротивление R_ст. Значения занести в таблицу 3.

6.2.4 По данным таблицы 3 построить ВАХ стабилитрона.

6.2.5 Выбрать на ВАХ точку стабилизации, определить и записать напряжение стабилизации U_СТ данной марки стабилитрона.

6.2.6 Рассчитать коэффициент стабилизации по формуле (2):

, (2)

где U_СТ– напряжение в выбранной точке стабилизации, В;

U_ИП– напряжение источника питания, при котором стабилитрон держит U_СТ, В;

ΔU_СТ – изменение напряжения на стабилитроне, В;

ΔU_ИП – изменение напряжения источника питания, соответствующее ΔU_СТ, В.

6.3 Сравнить особенности принципа действия исследуемых диодов на наличие свойства односторонней проводимости и свойства электрического пробоя.

7 Содержание отчёта:

7.1 Титульный лист.

7.2 Цель работы.

7.3 Схемы исследования.

7.4 Таблица с результатами измерений.

7.5 Расчёт К_в и К_{СТ ,}R_ст.

7.6 Графики ВАХ.

7.7 Вывод по проделанной работе.

8 Контрольные вопросы:

8.1 Каково назначение выпрямительного диода и стабилитрона?

8.2 Какое свойство p-n перехода используется в работе выпрямительного

диода? В чём суть этого свойства?

8.3 Какое свойство p-n перехода используется в работе стабилитрона? В чём суть этого свойства?

8.4 Какое включение стабилитрона является рабочим и почему?

8.5 Как называются внешние выводы стабилитрона и выпрямительного диода?

8.6 Физический смысл коэффициента стабилизации и выпрямления?

8.7 Чем определяется на ВАХ стабилитрона участок стабилизации?

Приложение А

(информационное)

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный электронный прибор, состоящий из одного p-n перехода. Электроды диода называются анод и катод. Семейство полупроводниковых диодов очень обширно, разные виды диодов могут выполняться из разных полупроводниковых материалов и выполнять различные функции. Работа каждого типа диодов основана на свойствах p-n перехода.

Большинство диодов работают в цепях постоянного тока, поэтому требуется корректное подключение этих компонентов в цепь источника питания. Различают прямое и обратное включение диодов.

Прямое включение требует подключения положительного полюса источника питания к аноду, а отрицательного – к катоду. При подаче минуса на анод, а плюса на катод получается обратное включение диода. Каждый тип диода работает только при определенном способе включения:

• 
  выпрямительный диод и диод Шотки работают в цепях переменного тока и проводят ток только в прямом направлении;
  
• 
  стабилитрон и варикап требуют обратного включения в цепь источника питания;
  
• 
  туннельный диод требует прямого включения.
  

U_обр.max, В — предельно–допустимое обратное напряжение, предотвращающее наступление электрического пробоя p-n перехода;

I_пр.max,мА_{— предельно–допустимый прямой ток, предотвращающий наступление теплового пробоя p-n перехода.}

Классификация диодов и основные сведения приведены в таблице 1.

Таблица 1А

Лабораторная работа №3

Исследование биполярного и МДП — транзистора в статическом режиме

1 Цель работы:

1. 
   Экспериментально подтвердить свойства биполярного и МДП- транзисторов: особенности управления в схеме с общим эмиттирующим электродом, посредством исследования выходных характеристик.
   

1.2.     Применение диодов для выпрямления переменного тока

Выпрямление переменного тока, т.е. преобразование его в постоянный (пульсирующий) ток, производится при помощи нелинейных элементов, которые обладают весьма малым активным сопротивлением в прямом направлении и весьма малой активной проводимостью в обратном направлении (обладают односторонней проводимо

стью).  Устройства таких нелинейных элементов с резко несимметричной вольтамперной характеристикой (см. рис. 1.2, 1.4) называют вентилями. К ним относятся электронные лампы, газотроны, тиратроны, меднозакисные, селеновые, германиевые, кремниевые полупроводниковые вентили.

Вольтамперная характеристика идеального вентиля (рис. 1.10, а, в) представляет собой отрезок (ОА, ОА₁) положительной полуоси тока и отрезок (ОБ, ОБ₁) – отрицательной полуоси напряжения. Заменой реальной характеристики вентиля приближенной в виде отрезков прямых, в частности характеристикой идеального вентиля, широко пользуются, чтобы упростить приближенный расчет режима цепи с вентилями с помощью кусочно-линейной аппроксимации.

Вольтамперной характеристике (рис. 1.10, а) соответствует схема замещения, состоящая из идеального вентиля и последовательно присоединенного резистора с сопротивлением r_В(рис. 1.10, б), а ВАХ (рис. 1.10, в)  – схема замещения идеального вентиля и источника постоянной ЭДС Е = U_В (рис. 1.10, г).

В зависимости от схемы включения выпрямительных диодов и источников питания различают однофазное однополупериодное и двухполупериодное выпрямление и трехфазное выпрямление.

Однополупериодное выпрямление

При включении идеального вентиля (r_В = 0) последовательно с нагрузкой, имеющей активное сопротивление r (рис. 1.11, а), для прямого (положительного) полупериода напряжения (u > 0) u = U_msinwt  ток равен:

,

для обратного напряжения (отрицательный полупериод u < 0) ток равен 0 (рис. 1.11, б):

i_ОБР = 0.

То есть по цепи идет ток одного направления – проходит одна полуволна синусоидального тока.

Действующее напряжение источника питания равно:

U = U_m / 2.

Действующее значение тока:

.

Так как интеграл под корнем в последнем выражении в два раза меньше его значения при отсутствии диода при протекании синусоидального тока, то

,

т.е. действующее значение тока (I) зависит от действующего напряжения (U) источника питания по линейному закону.

В течение положительного полупериода напряжение на приемнике равно напряжению, приложенному к цепи (u_H = ir = u), а напряжение на вентиле равно 0, так как r_В = 0. В течение отрицательного полупериода напряжение на приемнике равно нулю, так как i = 0, и напряжение на вентиле равно напряжению (u) на зажимах цепи. Таким образом, кривая напряжения на приемнике повторяет по форме кривую тока.

Действующее значение напряжения на приемнике равно:

U_H = r×I = U_m / 2 = U / .

Активная мощность в сопротивлении приемника в два раза меньше мощности, выделяемой при отсутствии диода:

.

Полная мощность источника:

Коэффициент мощности диода:

.

Коэффициент мощности (c) не равен единице не из-за реактивного сопротивления, которое может быть включено в цепь для уменьшения пульсаций переменного тока, а из-за искажения формы кривой тока (i) по сравнению с кривой (u) напряжения источника питания.

Полученная кривая однополупериодного выпрямленного тока (см. рис. 1.11, б) может быть разложена в ряд Фурье:

При этом постоянная составляющая тока равна его среднему значению, определяется следующим образом:

.

Существенным недостатком однополупериодного выпрямления

в молекулярном диоде

Рассказ Марка Шлюба

Международная исследовательская группа, в которую входят профессор Университета Центральной Флориды Энрике дель Барко, Дэмиен Томпсон из Университета Лимерика и Кристиан А. Нейхейс из Национального университета Сингапура, преодолела важное ограничение, которое в течение почти 20 лет мешало практическому использованию молекулярные диоды.

Электрические цепи — это основные строительные блоки современной электроники с компонентами, контролирующими протекание тока.Одним из таких компонентов является диод, который позволяет току течь в одном направлении, блокируя обратное.

Цепи, которые повсеместно используются в электронных устройствах во всем мире, основаны на кремнии. Но ученые уже давно пытаются воспроизвести возможности кремниевых схем на молекулярном уровне. Молекулярная электроника использует одиночные молекулы или наноразмерные наборы одиночных молекул в качестве электронных компонентов. Это позволило бы беспрецедентно миниатюризировать компьютеры и другую электронику.

Диоды характеризуются коэффициентом выпрямления, который представляет собой соотношение между током при положительном и отрицательном электрическом смещении. Коэффициенты выпрямления коммерческих кремниевых диодов имеют коэффициенты выпрямления от 105 до 108.

Чем выше скорость выпрямления, тем точнее контроль тока. Итак, почти 20 лет безуспешно исследователи пытались разработать молекулярные диоды, которые соответствуют этому коэффициенту выпрямления или превосходят его. Фундаментальное теоретическое ограничение одной молекулы заключалось в ограничении молекулярных диодов коэффициентом выпрямления не выше 103, что далеко от коммерческих значений диодов на основе кремния.

Теперь, как сообщается в научном журнале Nature Nanotechnology, группа ученых под руководством Кристиана А. Ниджхейса из Национального университета Сингапура продемонстрировала способ достижения коэффициента ректификации, который считался теоретически невозможным.

Исследователи смогли сформировать туннельные переходы на макроуровне на основе однослойных молекулярных диодов. Число молекул, проводящих ток в этих переходах, изменяется в зависимости от полярности смещения, таким образом увеличивая коэффициент внутреннего выпрямления отдельной молекулы для прямого смещения на три порядка.Их метод преодолел ограничение на 103, что привело к рекордному коэффициенту выпрямления 6,3 x 105.

«Он превзошел предел, установленный теорией. Определенно, теперь у вас есть молекулярный диод, который реагирует сравнимо с кремниевыми диодами », — сказал дель Барко, физик, который интерпретировал данные и провел теоретическое моделирование, которое объяснило, как он работает. «Это превращает то, что было только наукой, в коммерческую возможность».

Этот прорыв вряд ли приведет к замене кремниевых диодов, но в конечном итоге может привести к использованию молекулярных диодов для приложений, с которыми кремниевые диоды не справятся.А молекулярные диоды, которые можно производить в химической лаборатории, будут дешевле и проще в изготовлении, чем стандартные диоды.

Исследование финансировалось при поддержке Министерства образования Сингапура, Научного фонда Ирландии и Национального научного фонда.

Артикул:

X. Chen, M. Roemer, L. Yuan, W. Du, D. Thompson, E. del Barco и C. A. Nijhuis
«Молекулярные туннельные переходы большой площади с гигантским выпрямлением электрического тока»
Nat.Нанотехнологии, DOI: 10.1038 / nnano.2017.110 (2017)

Николас Клемент и Акира Фудзивара
«Молекулярные диоды: преодолевая предел Ландауэра»
Nat. Нанотехнологии Новости и обзоры , DOI: 10,1038 / nnano.2017.123 (2017)

См. Другие статьи по этой и подобным темам.

Узнайте больше по этой общей теме исследования.

Молекулярные диоды с коэффициентом выпрямления более 105, вызванные электростатическими взаимодействиями

(PDF) Оптимизация коэффициента выпрямления диодов Шоттки в n-SiC и n-Si с помощью TCAD

3660

В обоих типах диодов обратный ток уменьшился в ~ 10 раз с увеличением в

εi от 1.5 — 5 Fm-1 с небольшим дальнейшим изменением ВАХ при более высоких значениях εi. При прямом смещении

изменение εi оказывало незначительное влияние на ток в диодах n-Si или n-SiC

.

Моделирование с помощью TCAD показало, что включение межфазного слоя из диэлектрика

было эффективным для уменьшения тока обратного смещения, особенно в диодах из n-SiC, с незначительным уменьшением тока прямого смещения только на

. Однако роль плотности состояний интерфейса и закрепления уровня Ферми

в результате подготовки поверхности также может сильно влиять на высоту барьера в этих диодах

.В настоящее время проводится сравнение с экспериментальными результатами, чтобы дополнительно оценить влияние

переменных процесса.

ВЫВОДЫ

При моделировании, проведенном Sentaurus, наличие межфазного диэлектрического слоя (толщиной 2 нм

) уменьшило ток обратного смещения в 102 раза в диодах металл / n-Si и на

1013 в диодах. диоды металл / n-SiC при смещении +5 В. Отношение прямого тока к обратному (If / Ir) в диодах

было оптимизировано при плотности легирования 1 x 1016 см-3 и использовании металла Шоттки с наивысшим значением работы выхода

.Отношение If / Ir сильно зависело от политипа в SiC

, уменьшаясь в порядке 4H-SiC, 6H-SiC и 3C-SiC. Увеличение плотности дефектных состояний до

1014 см-3 привело к значительному ухудшению выпрямительных свойств диодов.

ССЫЛКИ

1. C. Detavernier, R. L. Van Meirhaeghea, R. Donaton, K. Maex и F. Cardon, J. Appl. Phys.

84 (6), 3226 (1998).

2. С. Алиалы, Х. Текимер, Х. Услу и С.Алтиндал, Дж. Наномед. Nanotechol. 4 (3) 1 (2013).

3. С. Чанд, С. Бала, Physica B 390, 179 (2007).

4. M.S.N. Алнассар, П.В. Пиявка, Г. Ривз, А. Голландия, D.W.M. Лау, Д. McCulloch,

H.N. Tran, J.G. Куропатка, MRS On-line Proc. Библиотека, 1786 (2015).

5. Ф. Роккафорте, Ф. Ла Виа, В. Райнери, П. Мусумечи, Л. Кальканьо и Г.Г. Кондорелли, Прил.

Phys.A, (2002).

6. С. Такамацу, И. Номура, Т.Shiraishi, K. Kishino, J. Cryst. Рост 425, 199 (2015).

7. Ю. Исида, К. Чен, М. Хагихара, Т. Ямаками, Р. Хаясибе, К. Абэ и К. Камимура,

Jpn. J. Appl. Phys. 47 (1), 676 (2008).

8. Т. Ямаками, С. Судзуки, М. Хенми, Ю. Мурата, Р. Хаясибе и К. Камимура, Jpn. J.

Заяв. Физ., 50, 01БГ02-1 (2011).

9. А. Кумта, Русли и Дж. Х. Ся, заявл. Phys. Lett., 94, 233505 (2009).

10. J. Vobecký, P.Хаздра, В. Захлава, А. Михайла и М. Берту, Solid-State Electron 94, 32

(2014).

11. М. Сохацкий, А. Колендо, Дж. Шмидт, А. Вербови, Твердотельная электроника, 49 585 (2005).

12. С.К. Гупта, Б. Шанкар, Б. Шанкар, В. Р. Таубе, Дж. Сингх и Дж. Ахтар, Physica B, 434, 44 (2014).

13. J.H. Чжао, К. Шэн и Р.С. Леброн-Велилья, Int J High Speed ​​Electron Syst, 15 (4), 821 (2005).

14. P.G. Нойдек, Д.Дж. Ларкин, Дж.Э.Старр, Дж.А. Пауэлл, К.С. Салупо, Л.Г. Матус, IEEE Trans.

Электронные устройства, 41 (5) 826 (1994).

https://doi.org/10.1557/adv.2016.343

Загружено с https://www.cambridge.org/core. Библиотека университета RMIT, 29 января 2018 г., 23:34:41, в соответствии с условиями использования Cambridge Core, доступными по адресу https://www.cambridge.org/core/terms.

Макромасштаб, термодиодный черный ящик с высоким коэффициентом выпрямления переходных процессов

Шияо Хуан ¹ , Цзявэй Чжан ² , Мэн Ван ³ , Вэй Лан ¹ , Бег Ху ^{1 *} и Сяобин Ло ¹

¹ Государственная ключевая лаборатория по сжиганию угля, Школа энергетики и энергетики, Хуачжунский университет науки и технологий, Ухань 430074, Китай

² Well-Tech Research Institute of China Oilfield Service Limited, Пекин, 101149, Китай

³ Китайско-европейский институт чистой и возобновляемой энергии, Хуачжунский университет науки и технологий (HUST), Ухань, 430074, Китай

^* Электронная почта: [электронная почта защищена]

На основе теории трансформационной термотики были достигнуты многие новые тепловые функции, такие как тепловая маскировка, концентрирование, маскировка и т. Д.Здесь мы предлагаем своего рода макромасштабный термодиод, основанный на двух типичных результатах трансформационной термотики — блоках защиты и сбора энергии. Предложенный термодиод макроуровня устанавливает новый рекорд переходного коэффициента термического выпрямления, который может достигать примерно 50, что намного превышает самый высокий рекорд 2,6 в литературе. Большинство существующих тепловых диодов находятся в области установившегося режима, что, однако, не является обязательным требованием. Просвещение здесь заключается в повторном обнаружении переходных режимов теплового диода, что более практично и многообещающе в приложениях для тепловых вычислений, поскольку ждать теплового равновесия отнимает много времени.Предполагается, что предложенный макромасштабный термодиод будет способствовать реализации приложений, связанных с тепловым выпрямителем, таких как термодиоды, термические логические операции и фононика.

Содержание

Мы разрабатываем макромасштабный черный ящик, подобный термодиоду, с рекордным коэффициентом переходных процессов, равным 50, и подчеркиваем важность переходных процессов.

Ключевые слова: Трансформационная термотика; Термические метаматериалы; Тепловой диод

Теория термотики трансформации, вдохновленная основополагающей теорией оптики трансформации, дает нам возможность разрабатывать и производить термические метаматериалы для управления тепловым потоком. ^1,2 Ключевой особенностью этих термических метаматериалов является анизотропный и неоднородный состав материала, поэтому они не наблюдаются в природе. Благодаря анизотропной функции тепловым потоком можно управлять для реализации направленной проводимости, а не всенаправленной диффузии, что позволяет реализовать множество противоречивых тепловых явлений и функций, таких как тепловая маскировка, ^3–14 концентрирование, ^15–17 отражение, ¹⁸ преломление, ¹⁹ маскировка, ^20–24 линза, ²⁵ кодирование, ²⁶ и т. д.Для тепловой маскировки преобразованный тензор теплопроводности, согласно теории трансформационной термотики, изменяется на в цилиндрической системе координат, где κ ₀ — теплопроводность фоновой пластины, r — радиус в диапазоне [a, b] и a и b — это внутренний и внешний радиусы кольцевой маскирующей конструкции. Когда r приближается к a , радиальная составляющая κ _r исчезает, в то время как тангенциальная составляющая κ _θ стремится к бесконечности; в результате тепловой поток можно настроить так, чтобы он проходил вокруг центральной области, не попадая в центральную область, а затем возвращался в исходное направление, что выглядело так, как если бы тепло проводилось в однородной пластине.Поскольку тепло не проникает в центральную область, ожидается, что местная температура будет поддерживаться такой же, без влияния изменения внешней температуры. В таком случае любые объекты, находящиеся в центральной области, будут скрыты от внешних наблюдателей через инфракрасную (ИК) камеру. Такая функциональность привлекает наибольшее внимание и интерес, особенно для оптического аналога, потому что дает нам возможность реализовать плащи-невидимки, которые долгое время оставались только в научной фантастике и фильмах. ^27–31 Что касается практического изготовления, чередующиеся концентрические кольца из однородных материалов с различной теплопроводностью предложены и подтверждены как эффективные для тепловой защиты от центральной области. Такая практическая конструкция в дальнейшем называется блоком защиты от энергии (ЭЭУ). Напротив, при изменении κ с _на мы можем реализовать эффект тепловой концентрации, когда тепло имеет тенденцию проникать в центральную область, потому что радиальная составляющая стремится к бесконечности, а тангенциальная составляющая исчезает.Для изготовления теплового концентратора предлагаются чередующиеся структуры в форме чувств из двух различных материалов для достижения сбора тепловой энергии, поэтому в дальнейшем он называется блоком сбора энергии (EHU). Основываясь на противоположных значениях локального теплового потока внутри центральных областей в ESU и EHU, мы предложили концепцию теплового кодирования интерпретировать как цифры 0 и 1 для приложения тепловой памяти. ²⁶ Но помимо этих функций распределения тепла, для чего еще могут быть использованы эти типичные результаты термотики трансформации, ESU и EHU?

В этом исследовании мы, на основе ESU и EHU, обращаемся к изучению возможности применения теплового выпрямителя / диода, который, аналогично асимметричным токовым характеристикам в электрическом диоде и светоизлучающем диоде, может асимметрично переносить тепловую энергию и ожидается чтобы сыграть важную роль в будущих тепловых логических операциях и вычислениях. ³² Нашему современному миру в значительной степени способствует быстрое развитие электронных компьютеров, которому, тем не менее, препятствует способность рассеивать тепло в пост-Мурские времена. Напротив, тепловые вычисления могут выйти за этот предел, поэтому в последнее время тепловые диоды привлекают большое внимание. Для создания теплового диода люди использовали нелинейную динамику фононов в ангармонических решетчатых структурах, асимметричные наноструктуры, ³³ регулирование теплового излучения в ближнем / дальнем поле, ^34–37 материалы с фазовым переходом. ^37–40 На основе термотики трансформации Li et al. предложил макроскопический термодиод, обрабатывая материалы с зависящей от температуры проводимостью. ³ Их теория и моделирование не подлежат критике, но их экспериментальное подтверждение — это на самом деле совсем другая история, поскольку они прибегли к сплаву с памятью формы. Что касается термодиода, то показатель качества — коэффициент термического выпрямления ⁴¹

(1)

, где _f и _r представляют собой скорость теплопередачи в сценариях с прямым и обратным смещением температуры, соответственно.Для единообразия мы обозначаем коэффициент термического выпрямления первым определением и обнаруживаем, что большинство γ указанных тепловых диодов имеют всего менее 2, что создает препятствия для практического использования теплового диода. Совсем недавно Cottrill et al. измерили тепловой диод с двойным фазовым переходом и коэффициентом термического выпрямления 2,6, который был заявлен как самый высокий γ в литературе. ³⁸ Такой ограниченный коэффициент термического выпрямления создает препятствия для практического применения.Чтобы решить эту проблему, мы спроектировали и изготовили термодиоды макроуровня для достижения высокого значения γ , опираясь на идеи ESU и EHU. Производительность, то есть степень термического выпрямления, подтверждается как моделированием методом конечных элементов, так и экспериментами в переходном и установившемся состояниях, соответственно. Соответствующие физические объяснения обсуждаются путем изменения мощности источника тепла, граничных условий конвекции, с некоторыми предложениями по дальнейшему улучшению характеристик термического выпрямления.

Схема предлагаемого термодиода макроуровня показана на рис. 1. Ключевым компонентом является асимметричная структура, которая представляет собой половину ESU и половину EHU, которая, как показано на рис. 1d, в дальнейшем именуется HSHH. В половине ЭСУ изготавливаются концентрические кольца из меди и прослойки воздуха; в то время как в половине EHU изготавливаются медные и воздушные слои в форме сенсу. Для такой несимметричной HSHH термическое сопротивление от центрального цилиндра к границам различно.Чтобы сделать термодиод, мы устанавливаем EHU на HSHH с очень хорошим контактом только в центральных цилиндрах. Четыре электрических нагревателя установлены с двух сторон EHU и HSHH соответственно. При соединении с четырьмя электрическими диодами прямой ток нагревает только нагреватель на левой стороне верхнего EHU, а обратный ток только нагревает нагреватель на правой стороне верхнего EHU. Верхний EHU действует как вход для тепла, а нижний HSHH играет роль выхода. Для регистрации температуры на выходах используются две термопары.Когда тепло поступает в верхний EHU через левый вход, как показано красной чертой на рис. 1a, оно будет проходить через центральный контакт, и большая часть будет направлена ​​к правому выходу. Таким образом, большая часть тепла может переноситься слева направо, что обозначается как состояние «ВПЕРЕД». Напротив, когда тепло входит в верхний EHU через правый вход, как показано красной чертой на рис. 1b, большая часть тепла будет проводиться в правую сторону блока HSHH, и очень мало тепла будет передаваться к левому выходу. , которое обозначается как состояние «ОБРАТНОЕ».Конечно, тепло будет передаваться на другую сторону от верхнего входа в EHU, но это не имеет значения для состояний «ВПЕРЕД / НАЗАД». В состоянии «ВПЕРЕД» тепло (большая часть) переносится слева направо; в то время как в состоянии «ОБРАТНОЕ» тепло (большая часть) не будет передаваться справа налево. Такие несимметричные характеристики теплопроводности показывает термическое выпрямление. Исходя из принципа работы, мы замечаем, что предлагаемый термодиод макроуровня действует как черный ящик, в котором прямые и обратные токовые сигналы преобразуются в тепловые сигналы для дальнейшей тепловой логической операции.Хотя это не совсем обычное понятие диода, он в целом хорошо работает при демонстрации состояний «ВПЕРЕД» и «НАЗАД» теплового выпрямления.

Рис. 1 Принципиальная схема предлагаемого термодиода. (a) Состояние смещения вперед: тепло поступает в верхний EHU от левого входа и направляется к правому выходу HSHH, что обозначается как состояние FORWARD. (b) Состояние с обратным смещением: тепло поступает в верхний EHU от правого входа, но очень мало тепла проходит к левому выходу HSHH, что обозначается как состояние REVERSE.(c-d) Изображения EHU и HSHH. (e) Изображение термодиода.

Для проверки характеристик термического выпрямления предлагаемого термодиода макромасштабного масштаба мы изготовили экспериментальные образцы с помощью станка с числовым программным управлением. Изображения EHU и HSHH показаны на рис. 1c и 1d соответственно. Общие размеры этих образцов соответствуют радиусу 25 мм и толщине 9 мм. Толщина центрального цилиндра HSHH на 1 мм больше, чтобы избежать полного контакта между EHU и HSHH.После изготовления EHU и HSHH по отдельности, тонкий слой термопасты используется для прикрепления этих двух структур, чтобы уменьшить контактное термическое сопротивление. Для экспериментальной установки два керамических нагревательных элемента прикреплены ко входу на верхнем EHU в качестве источника тепла. Четыре термопары используются для определения температуры двух сторон HSHH, то есть T _A и T _B на рис. 1a и 1b. Входной ток — 1 А, входное напряжение — 3.7 В, при этом мощность теплового источника составляет 3,7 Вт. Измеренные изменения температуры ( T _A и T _B ) показаны на рис. 2а. Видно, что с течением времени T _A и T _B быстро увеличиваются, после чего через 4000 секунд следует плато. Ключевым моментом на рис. 2а является то, что T _A всегда больше, чем T _B , а разница температур в конце составляет около 12.5 ^o C. Чтобы лучше понять и интерпретировать эксперименты, мы также проводим моделирование методом конечных элементов. Установлено, что трехмерная модель представляет собой те же структуры, что и в экспериментах. Мощность источника тепла также составляет 3,7 Вт, коэффициент естественной конвекции 2 Вт / (м ² K), а исходная температура модели также составляет 28 ° C. Смоделированная T _A и T _B также нанесены на рис. 2а, которые очень хорошо согласуются с экспериментальными температурными кривыми.Мы также смоделировали T _A и T _B в состояниях «ВПЕРЕД» и «НАЗАД» соответственно. Неслучайно T _A1 и T _A2 , T _B1 и T _B2 перекрываются друг с другом, поскольку тепловые сопротивления системы фиксированы, а Единственное отличие — расположение входа тепла. Для расчета коэффициента термического выпрямления, γ , мы извлекаем локальный нормальный тепловой поток на выходах, обозначенный как q _A и q _B , которые также показаны на рис.2b. Видно, что q _A1 и q _A2 , q _B1 и q _B2 хорошо перекрываются друг с другом и q _A намного больше, чем q _В . В итоге разница теплового потока достигает примерно 50 Вт / м ² . И температурные кривые, и кривые теплового потока подтверждают, что большая часть тепла будет переноситься к правому выходу из HSHH, что подразумевает асимметричное тепловое выпрямление термодиода макромасштабного типа.Виды сверху смоделированных температурных полей теплового диода в состояниях «ВПЕРЕД» и «ОБРАТНО» показаны на рис. 3. Хорошо видно, что независимо от того, идет ли тепло через левый или правый вход, большая часть тепла уходит. справа от нижнего HSHH, оставляя левую сторону при относительно низкой температуре. Состояние «ВПЕРЕД» с направлением слева направо и состояние «НАЗАД» с направлением справа налево являются ключевыми характеристиками термодиода макроуровня. Виды снизу экспериментальных профилей температуры на рис.3c и 3d показывают, что даже в переходном состоянии большая часть тепловых потоков к сторонам EHU, которые, благодаря переходному коэффициенту термического выпрямления, будет обсуждаться позже.

Рис. 2 (a) Кривые температуры и теплового потока на двух сторонах ( T _A и T _B ) блоков HSHH в ПЕРЕДНЕМ и ОБРАТНОМ состояниях, и (b) сравнение температуры T _A и T _B между моделированием и экспериментами.

Рис. 3 Вид снизу смоделированных температурных профилей макромасштабного термодиода при (а) ВПЕРЕДНОМ и (б) ОБРАТНОМ рабочем состоянии в установившемся режиме. Вид снизу экспериментальных профилей температуры в ОБРАТНЫХ рабочих состояниях термодиода макроуровня при (c) t = 1 минута и (d) в установившемся состоянии.

В установившемся режиме коэффициент термического выпрямления γ , согласно определению, можно рассчитать как 、

(2)

, где h — коэффициент конвекции, A _выход — площадь выхода, T _∞ — температура окружающего воздуха и θ — соответственно превышение температуры.Изменения избыточной температуры при различных мощностях источников тепла и коэффициенты конвекции в установившемся и переходном состояниях представлены на рис. 4а и 4б соответственно. Видно, что с увеличением мощности источника тепла или коэффициента конвекции избыточные температуры, θ _A и θ _B , монотонно увеличиваются. Когда коэффициент конвекции равен 2 Вт / (м ² K), переходные процессы θ _A и θ _B показаны на рис.4b, что указывает на то, что со временем избыточная температура сначала увеличивается, а затем достигает стабильных значений с различным временем равновесия при разных мощностях источника тепла. Коэффициент термического ректификации γ рассчитывается согласно формуле. (1) и построены на рис. 4c и 4d для установившегося и переходного состояний. Для установившегося состояния мы также вычисляем отношение γ по формуле. (2), которые в точности совпадают с результатами по формуле. (1), поэтому мы не повторяем рис. 4в. Как видно на рис.4в видно, что γ увеличивается с увеличением коэффициента конвекции, но не зависит от мощности источника тепла. Причину можно объяснить анализом потерь тепла. Как показано на рис. 5a, входящее тепло рассеивается следующими частями: теплопотери в воздух ( Q _h , не показаны), накопление тепла в четырех частях термодиода макроуровня ( Q ₁ , Q ₂ , Q ₃ и Q ₄ ).В заданный момент времени τ , Q _h можно рассчитать как, где A — общая площадь поверхности диода макромасштабного уровня, θτ — превышение температуры в различное время. Накопление тепла в тепловом диоде макроуровня рассчитывается как, где ρ , c и V — плотность, удельная теплоемкость и объем каждой части, а нижний индекс i обозначает каждую часть на рис. 5а. Для заданного времени 6000 секунд интегральные тепловые потери при постоянной входной мощности P = 10 Вт или при постоянном коэффициенте конвекции ч = 2 Вт / (м ² K) показаны в виде круговой диаграммы на рис.5б соответственно. При постоянном P = 10 Вт видно, что с увеличением на h тепловые потери Q _h увеличиваются с 79% до 95% монотонно, что можно понять, прибегнув к закону Ньютона. При постоянном h Q _h почти постоянно и не зависит от P , потому что увеличение P приводит к увеличению всех тепловых потерь с примерно равной величиной, а процент Q _х практически то же самое.Мы также построим соотношение Q ₄ / Q ₃ по сравнению с h и P на рис. 5c. Видно, что отношение Q ₄ / Q ₃ по сравнению с увеличивается относительно значительно с увеличением на h , но почти не зависит от P . Хотя отношение Q ₄ / Q ₃ не является коэффициентом термического выпрямления γ теплового диода, тенденция должна быть аналогичной, поскольку выходы расположены на двух границах Q ₄ и Q ₃ .Согласно формуле. (1) коэффициент термического ректификации γ зависит только от превышения температуры, что показано на рис. 4a. Выделение избыточной температуры из рис. 4a можно использовать для количественного объяснения рис. 4c, а рис. 5 можно использовать для объяснения рис. 4c качественно.

По сравнению с установившимся коэффициентом термического выпрямления, переходный режим более интересен. На рис. 4г видно, что со временем коэффициент выпрямления резко уменьшается с нескольких десятков и достигает своего установившегося значения через 1000 секунд.Увеличение коэффициента конвекции h приводит к увеличению степени выпрямления, что согласуется с показателем на рис. 4в. Обратите внимание, что большинство существующих коэффициентов термического выпрямления меньше 3, переходный коэффициент здесь может превышать 10 или даже может достигать 50. На самом деле нам не нужно ждать установившегося состояния в реальном приложении, особенно для тепловых вычислений, таким образом, переходного теплового выпрямления достаточно, чтобы помочь в термической логической операции. Для практических применений мы можем разработать некоторые блоки схем термальной логики для извлечения тепловых сигналов (ВКЛ / ВЫКЛ) на основе информации о температуре или тепловом потоке.О сверхвысоком тепловом выпрямлении никогда не сообщалось, поэтому мы полагаем, что это будет полезно для продвижения возможного теплового диода макромасштабного типа. Возможная стратегия для дальнейшего повышения коэффициента выпрямления состоит в том, чтобы спроектировать HSHH из двух разных материалов. Например, если половина ESU изготовлена ​​из материала с более низкой теплопроводностью, считается, что степень термического выпрямления может быть дополнительно увеличена как в установившемся, так и в переходном состояниях.

Рис.4 Избыточная температура T _A и T _B изменения различных мощностей источника тепла и конвективных коэффициентов в (а) установившемся и (б) переходном состояниях. (c) Коэффициент термического выпрямления γ при различных мощностях источника тепла и коэффициентах конвекции в установившихся состояниях. (d) Коэффициент термического выпрямления γ при различных мощностях источника тепла и коэффициенты конвекции в переходных режимах.

Рис. 5 (a) Схема для анализа потерь тепла.(b) Процент потерь тепла при различных коэффициентах конвекции (первая строка) и при разных входных мощностях (вторая строка). (c) Зависимость Q ₄ / Q ₃ от коэффициента конвекции h и входной мощности P .

В заключение, мы предлагаем термодиоды макроуровня, через блоки защиты и сбора энергии, для достижения высокого переходного коэффициента термического выпрямления. Макромасштабный диод, состоящий из блоков защиты и сбора энергии, действует как черный ящик, где прямой и обратный ток на входе генерируют тепловое выпрямление.Как установившееся, так и переходное моделирование было проведено для анализа процесса термического выпрямления и сравнения с экспериментальными результатами. По сравнению с постоянным коэффициентом выпрямления, мы обнаруживаем, что коэффициент переходного процесса может достигать 50, что является новым рекордом по сравнению с существующими в литературе. Переходный процесс более важен и полезен, так как позволяет избежать ожидания теплового равновесия, что будет полезно для тепловых вычислений и тепловых логических операций.

Благодарности

Авторы выражают признательность за финансовую поддержку Национальному фонду естественных наук Китая (51606074, 51625601) и Министерству науки и технологий Китайской Народной Республики (2017YFE0100600).

Каталожный номер

1. Дж. Б. Пендри, Д. Шуриг и Д. Р. Смит, Science , 2006, 312 , 1780-1782.
2. C. Z. Fan, Y. Gao, J. P. Huang, Appl. Phys. Lett. , 2008, 92 , 251907.
3. Y. Li, X. Shen, Z. Wu, J. Huang, Y. Chen, Y. Ni и J. Huang, Phys. Rev. Lett. , 2015, 115 , 195503.
4. D. M. Nguyen, H. Xu, Y. Zhang и B. Zhang, Appl. Phys.Lett. , 2015, 107 , 121901.
5. H. Xu, X. Shi, F. Gao, H. Sun, B. Zhang, Phys. Rev. Lett. , 2014, 112 , 054301.
6. L. Wu, J. Heat Transfer , 2015, 137 , 021301.
7. T. Han, X. Bai, D. Gao, J. T. L. Thong, B. Li и C. W. Qiu, Phys. Rev. Lett. , 2014, 112 , 054302.
8. Y. Zhang, H. Xu and B. Zhang, AIP Adv. , 2015, 5 , 053402.
9. А.Alù, Phys. , 2014, 7 , 12.
10. Y. Liu, Y. Cheng, R. Hu, X. Luo, Phys. Lett. , 2019, А 383 , 2296-2301.
11. R. Hu and X. Luo, Natl. Sci. Ред. . , 2019, 114 .
12. Т. Хан, П. Ян, Ю. Ли, Д. Лей, Б. Ли, К. Хиппалгаонкар и К. В. Цю, Adv. Матер. , 2018, 30 , 1804019.
13. Л. Чжоу, С. Хуанг, М. Ван, Р. Ху и Х.Луо, Phys. Lett. , 2019, А 383 , 759-763.
14. R. Wu, T. Hong, Q. Cheng, H. Zou, Y. Fan и X. Luo, Int. J. Heat Mass Tran. , 2019, 137 , 42-51.
15. F. Chen, D. Y. Lei, Sci. Реп. , 2015, 5 , 11552.
16. S. Narayana, Y. Sato, Phys. Rev. Lett. , 2012, 108 , 214303.
17. C. Lan, B. Li и J. Zhou, Opt. Экспресс , 2015, 23 , 3478.
18.  R. Hu, S. Zhou, W. Shu, B. Xie, Y. Ma and X. Luo, AIP Adv. , 2016, 6 , 125111.
19.  R. Hu, B. Xie, J. Hu, Q. Chen and X. Luo, EPL , 2015, 111 , 54003.
20.  T. Han, X. Bai, J. T. L. Thong, B. Li and C. W. Qiu, Adv. Mater. , 2014, 26 , 1731.
21.  R. Hu, S. Zhou, Y. Li, D. Y. Lei, X. Luo and C. W. Qiu, Adv. Mater. , 2018, 30 , 1707237.
22.  O.Салихоглу, Х. Б. Узлу, О. Якар, С. Аас, О. Балджи, Н. Какенов, С. Балчи, С. Олкум, С. Зюзер и К. Коджабас, Nano Lett. , 2018, 18 , 4541-4548.
23. J. Qin, W. Luo, P. Yang, B. Wang, T. Deng и T. Han, Int. J. Heat Mass Transf. , 2019, 141 , 487-490.
24. С. Чжоу, Р. Ху и Х. Луо, Int. J. Heat Mass Transf. , 2018, 127 , 607-613.
25. Y. Liu, F. Sun and S. He, Opt. Экспресс , 2016, 24 , 5683-5692.
26. R. Hu, S. Huang, M. Wang, L. Zhou, X. Peng, X. Luo, Phys. Rev. Appl. , 2018, 10 , 054032.
27. Р. Шиттны, М. Кадич, Т. Бюкманн и М. Вегенер, Science , 2014, 345 , 427-429.
28. U. Leonhardt. В невидимость и дальше, Nature , 2011, 471 , 292.
29. S. Zhang, C. Xia, N. Fang, Phys. Rev. Lett. , 2011, 106 , 024301.
30. Р. Ху, С.Чжоу, X. Yu и X. B. Luo, J. Phys. D: Прил. Phys. , 2016, 49, 415302.
31. Ф. Гомори, М. Соловьев, Ж. Сук, К. Навау, Дж. Прат-Кэмпс, А. Санчес, Ф. Гоемери, М. Соловьёв, Ж. Сук, К. Навау, Дж. Прат-Кэмпс и А. Sanchez, Science , 2012, 335 , 1466.
.
32. Н. Ли, Дж. Рен, Л. Ван, Г. Чжан, П. Хангги и Б. Ли, Rev. Mod. Phys. , 2012, 84 , 1045.
33. Ю. Ван, А. Валлабханени, Дж. Ху, Б. Цю, Ю. П.Чен и X. Руан, Nano Lett. , 2014, 14 , 592.
34. C. R. Otey, W. T. Lau, S. Fan, Phys. Rev. Lett. , 2010, 104 , 154301.
35. S. Jia, Y. Fu, Y. Su и Y. Ma, Opt. Lett. , 2018, 43 , 5619.
36. А. Фиорино, Д. Томпсон, Л. Чжу, Р. Миттапалли, С. А. Бис, О. Безенснет, Н. Эль-Бондри, С. Бансропун, П. Бен-Абдалла, Э. Мейхофер и П. Редди, ACS Нано , 2018, 12 , 5174.
37. H. Kang, F. Yang, J. J. Urban, Phys. Rev. Appl. , 2018, 10 , 024034.
38. A. L. Cottrill, S. Wang, A. T. Liu, W. J. Wang и M. S. Strano, Adv. Energy Mater. , 2018, 8 , 1702692.
39. E. Pallecchi, Z. Chen, G.E. Fernandes, Y. Wan, J. H. Kim, J. Xu, Mater. Горизонты , 2015, 2 , 125.
40. A. L. Cottrill and M. S. Strano, Adv. Energy Mater. , 2015, 5 , 1500921.
41. H. Tian, ​​D. Xie, Y. Yang, T. Ren, G. Zhang, Y. Wang, C. Zhou, P. Peng, L. Wang и L. Liu, Sci. Реп. , 2012, 2 , 523.

Зависимость ректификации в спиновых выпрямителях органических соолигомеров от длины

† Автор, ответственный за переписку. Эл. Почта: [email protected]

Проект поддержан Национальным фондом естественных наук Китая (грант No.11374195), Фонд естественных наук провинции Шаньдун, Китай (грант № ZR2014AM017), Проект ученых Тайшань провинции Шаньдун, Китай, и Фонд исследований выдающихся молодых ученых Педагогического университета Шаньдуна, Китай.

Молекулярная ректификация — важное понятие в молекулярной электронике, которое широко исследовалось в последние десятилетия. ^[1,2] В экспериментальных и теоретических исследованиях использовались различные конструкции, такие как использование асимметричных границ раздела молекула-электрод ^[3] или асимметричных молекул. ^[4–6] Среди них сопряженные диблочные соолигомеры с донорно-акцепторной (D-A) структурой особенно привлекательны в качестве внутренних молекулярных диодов из-за их воспроизводимых характеристик и контролируемого поведения выпрямления. ^[4,5] В частности, направление выпрямления в таких диодах может быть настроено химическими методами, такими как протонирование ^[7] или изменение группы привязки. ^[8,9]

Использование степени свободы электронного спина в спинтронике также вызвало большой интерес к поиску спиновых выпрямителей. ^[10,11] Спиновые выпрямители означают, что спиновой ток (SC), определяемый как разница между токами вращения вверх и вниз, является асимметричным при изменении направления напряжения смещения. Зарядный ток (CC) является скаляром как сумма токов вращения вверх и вниз, а выпрямление CC легко понять как асимметричную амплитуду тока. Однако СК — это вектор, который содержит две характеристики: амплитуду тока и его спин-поляризованную ориентацию. Концепция выпрямления спинового тока более сложна, чем обычное выпрямление зарядового тока.В природе могут существовать два вида выпрямления спинового тока: асимметричная амплитуда или разные спин-поляризованные ориентации спинового тока при изменении смещения, которые можно назвать параллельным выпрямлением спинового тока или антипараллельным выпрямлением спинового тока, соответственно. ^[12,13] Конструкция спиновых выпрямителей требует асимметричной пространственной структуры по спиновой степени свободы. Первый молекулярный спиновой выпрямитель был разработан Далглишем и Кирченовым, где органическая молекула связана с одним ферромагнитным металлом и одним немагнитным металлом, причем пространственная спиновая асимметрия исходит от внешних электродов. ^[12] Недавно, с использованием органических ферромагнетиков, мы предложили собственный органический спиновой выпрямитель с магнитной / немагнитной соолигомерной структурой, ^[13] , где могут быть реализованы выпрямление зарядового тока и выпрямление спинового тока. одновременно или по отдельности. Также обсуждались эффекты соотношения соолигомера и межфазного взаимодействия с электродами. ^[14,15]

При разработке молекулярных спиновых выпрямителей другой важной проблемой является контролируемое выпрямление с большим коэффициентом выпрямления.В качестве одного из факторов, которыми нельзя пренебречь, длину молекулы можно удобно отрегулировать в экспериментах, которые, как было доказано, позволяют настраивать выпрямление в молекулярных диодах с нормальным зарядовым током с помощью ab-initio и модельных расчетов. ^[16,17] Следовательно, влияние длины в органических спиновых диодах заслуживает рассмотрения, особенно в отношении выпрямления спинового тока. Здесь мы исследуем влияние длины на выпрямление в диодах из органических спиновых соолигомеров, исследуя асимметричную эволюцию спин-зависимых собственных состояний при смещениях.Работа организована следующим образом. В разделе 2 будут представлены модель и метод расчета. В разделе 3 обсуждаются результаты расчетов, а в разделе 4 приводится сводка.

Расчет основан на квазиодномерной модели магнитного соолигомерного спинового выпрямителя. Как показано на рис. 1, магнитный соолигомер зажат между двумя металлическими электродами. Электроды представляют собой невзаимодействующие полубесконечные одномерные металлические цепочки. Центральная молекула состоит из левой магнитной молекулы (такой как поли-БИПО (поли (1,4-бис- (2,2,6,6-тетраметил-4-окси-4-пиперидил-1-оксил) -бутадиин) )) ^[18,19] и правый немагнитный (типа полиацетилена).В магнитном фрагменте боковые магнитные радикалы висят на позициях с четным числом, каждый из которых содержит неспаренный электрон и имеет нескомпенсированный спин S _nR . Магнитный соолигомер можно описать с помощью расширенной модели SSH + Гейзенберга (SSH: Su – Schrieffer – Heeger) ^[20,21]

Схематическая структура спинового диода металл / магнитно-немагнитный соолигомер / металл.

Два металлических электрода симметричны и описываются одномерной однозонной моделью сильной связи с локальной энергией ɛ _f и ближайшим соседним интегралом переноса t _f . Чтобы сосредоточиться на внутреннем свойстве молекулы, межфазное соединение между электродами и молекулой упрощено и установлено равным t _{l m} = t _{r m} = t _{f м} .

При смещении В внешнее поле E будет создаваться из-за смещения между двумя электродами. Пространственный потенциал описывается следующим гамильтонианом:

Ток через устройство со спином σ рассчитывается по формуле Ландауэра – Бюттикера ^[22]

Расчет производится следующим образом. Во-первых, основное состояние изолированной молекулы соолигомера (поли-БИПО + полиацетилен) получается методом самосогласованных итераций. ^[20,23] Обнаружено, что в основном состоянии или при низкой температуре спины радикалов в поли-БИПО образуют ферромагнитный порядок. ^[20,23] Затем вычисляются зависящая от спина функция Грина и вероятность передачи. Наконец, спин-зависимый ток получается из уравнения. (3).

Мы проводим численные расчеты, принимая значения вышеперечисленных параметров за общепринятые. ^[13,20,23] Для магнитного соолигомера мы используем параметры поли-BIPO и полиацетилена с t ₀ = 2,5 эВ, α = 4,1 эВ / Å и Дж = Дж _f / t ₀ = 1,0. Постоянная упругости цепочки атомов углерода составляет K = 21,0 эВ / Å ² . Параметры электродов приняты равными ɛ _f = 0, t _f = 2.5 эВ, а E _F = 0,3 эВ. Связь между молекулой и электродами составляет t _фм = 1,0 эВ. Низкая температура T = 10 K выбрана, чтобы избежать флуктуации спина в процессе переноса электронов.

Чтобы прояснить влияние длины на ректификацию, мы начнем наши расчеты с нескольких конкретных случаев, взяв N = 12, 16, 24 и 30 соответственно. CC и SC через каждое устройство рассчитываются и отображаются на рис.2. Очевидно, что в каждом случае как CC, так и SC являются асимметричными при изменении направления смещения, что означает, что выпрямление зарядового тока и выпрямление спинового тока осуществляются одновременно. Выпрямление спинового тока принимает форму параллельного выпрямления спинового тока, при котором асимметрична только амплитуда СК. ^[13] Между тем можно наблюдать очевидное выпрямление, зависящее от длины. Например, в двух более коротких случаях, N = 12 и 16, ток в области отрицательного смещения больше, чем в области положительного смещения.Однако в более длинных случаях, N = 24, 30, направление выпрямления противоположно с большим током в области положительного смещения. Помимо направления выпрямления, коэффициент выпрямления также зависит от длины. Здесь мы определяем коэффициент выпрямления как RR = — I _c (+ V ) / I _c (- V ) для выпрямления зарядного тока и как SRR = — I _с (+ В ) / I _с (- В ) для выпрямления спинового тока.Для N = 12 и 16 инверсия SRR достигает примерно 10 при +1,0 В, но инверсия RR намного меньше со значением ниже 3,5. Величина RR близка к величине некоторых диодов-соолигомеров из одной молекулы, измеренной в экспериментах. ^[5,24] Для двух более длинных молекул SRR следует за RR для увеличения смещения, где максимальное значение RR (SRR) достигает 4,5 (3,0) для N = 24 и 7,3 (5,7) для N = 30.

Рис.2.

Чтобы получить четкое представление о зависимости степени выпрямления от длины молекулы, мы рассчитали степень выпрямления при | V | = 1.0 V как функция длины молекулы. Результат показан на рис. 3. Влияние длины на выпрямление можно заключить в следующие три условия: во-первых, коэффициент выпрямления остается дробным до N = 20, а затем превышает 1,0, что означает, что направление выпрямления меняется на противоположное. от отрицательного к положительному смещению; во-вторых, для более короткой длины, менее 20, обратный RR на вставленном графике мало увеличивается с длиной, то есть примерно с 1.От 0 до примерно 3,0, но обратный SRR резко падает с 70 до примерно 5,0. В-третьих, когда длина превышает 20, как RR, так и SRR, очевидно, увеличиваются на длину, которая достигает 8,5 и 7,3 при N = 32. Приведенные выше результаты показывают, что длина молекулы может использоваться в качестве действительного метода не только для управления направлением выпрямления, а также для регулировки степени выпрямления. Например, более короткая молекула полезна для получения большого выпрямления спинового тока, но более длинная молекула полезна для выпрямления большого зарядового тока.

Рис. 3.

Теперь попробуем разобраться в механизме влияния длины на выпрямление. Во-первых, индуцированная длиной инверсия выпрямления может быть исследована путем сравнения зависящей от спина передачи N = 16 и N = 30.На рисунке 4 показано зависящее от спина пропускание при 0 В и ± 1,0 В. При нулевом смещении можно обнаружить, что пропускание разделено по спину для двух случаев, и спектр пропускания со спином вверх ближе к энергии Ферми, чем спин вниз один. Изучая собственные состояния молекул, мы обнаруживаем, что ближайший пик пропускания к уровню Ферми в основном обусловлен самой низкой незанятой молекулярной орбиталью со спином вверх (НСМО). Применяя смещение, можно обнаружить, что для короткой молекулы пик пропускания НСМО со спином вверх входит в окно смещения при отрицательном смещении -1.0 В. Однако он исключен за пределами окна смещения при положительном смещении +1,0 В. Таким образом, устройство выпрямляет (спиновый) ток в направлении отрицательного смещения. Для длинной молекулы N = 30 LUMO с раскруткой вверх лежит в окне смещения независимо от того, применяется ли положительное смещение +1,0 В или отрицательное смещение -1,0 В. Однако пик пропускания при положительном смещении намного выше, чем при отрицательном смещении. В результате направление выпрямления меняется на противоположное по сравнению со случаем N = 16.

Рис. 4.

Механизм индуцированной длины инверсии выпрямления в магнитных соолигомерных диодах может быть глубоко понят в отношении механизма соолигомерных зарядно-токовых диодов типа D / A. ^[17] В коолигомерных диодах типа D / A существуют два типа механизмов выпрямления: индуцированный смещением асимметричный сдвиг собственных уровней молекул и индуцированная смещением асимметричная пространственная локализация волновых функций проводящих орбиталей. Эти два типа механизмов очень распространены в молекулярных выпрямителях или даже в выпрямителях из графеновых нанолент, где асимметричная эволюция электронных состояний может происходить из асимметричной встроенной структуры центральных молекул или из асимметричных межфазных контактов с электродами. ^[25,26] В диодах типа D / A два механизма приводят к разным направлениям выпрямления, и доминирующий механизм выпрямления может меняться с изменением длины молекулы. Магнитный соолигомер не является диодом типа D / A, поскольку не существует очевидной структурной асимметрии плотности заряда. Однако из-за спинового расщепления собственных уровней в левом магнитном фрагменте магнитный соолигмер можно рассматривать как комбинацию диода аналого-цифрового типа для каналов со спином вверх и диода типа D / A для каналов со спином вниз. .В данном случае канал со спином вверх доминирует над транспортом. Следовательно, аналогичная индуцированная длиной инверсия выпрямления наблюдается для спинового диода. Это можно проверить, проверив эволюцию спин-зависимых собственных состояний при смещении, которая показана на рис. 5. Здесь электронная локализация орбитали определяется как ^[23] рис. 5.

(a) Bias -зависимые собственные значения вблизи энергии Ферми. (б) Эволюция электронной локализации НСМО со спином вверх и НСМО со спином вниз под действием смещений.Здесь длина молекулы N = 12.

Теперь мы можем прояснить причину различной зависимости коэффициента выпрямления от длины в каждом направлении выпрямления. Перед этим следует прояснить вопрос об изменении собственных состояний молекул, вызванном длиной. На рис. 6 показаны зависящие от длины собственные значения и электронная локализация НСМО со спином вверх при ± 1.0 В. Очевидно, что с увеличением длины НСМО со спином вверх становится ближе к энергии Ферми, в то время как электронная локализация усиливается. Изменение этого собственного состояния выглядит аналогичным при ± 1,0 В. Тем не менее, можно получить некоторое качественное представление о влиянии длины на коэффициент выпрямления, сравнив эволюцию при +1,0 В и -1,0 В. Из рисунка 6 (b), мы замечаем, что разница между электронной локализацией при +1,0 В и -1,0 В становится все больше и больше с увеличением длины.Электронная локализация обычно связана с высотой пика передачи. Таким образом, с увеличением длины будет создаваться большая разница в высоте передачи. Для более длинной цепи ( N > 20) LUMO с раскруткой вверх был включен в окно смещения как при +1,0 В, так и при -1,0 В, а величина передачи доминирует как над значениями CC, так и SC. Вот почему RR и SRR увеличиваются с длиной в этой области.

Рис. 6.

В короткой области ( N <20) мы замечаем из рис. 6 (а), что НСМО со спином вверх при -1,0 В ближе к уровню Ферми, чем при +1,0 В. С увеличением длины (с 12 до 20) при -1,0 В эта орбиталь постепенно входит в окно смещения, в то время как она все еще исключается из окна смещения при +1.0 В. Таким образом, при -1,0 В обеспечивается более эффективная передача, а ток заряда увеличивается. Следовательно, RR будет увеличиваться, значение которого зависит от части передачи в окне смещения при ± 1,0 В. Однако падение SRR не может быть легко понято из этого изображения. Затем мы построили и сравнили спин-зависимый спектр пропускания при N = 10 и 16 (см. Рис. 7). Обнаружено, что на очень короткой длине N = 10 проводящие орбитали далеки от энергии Ферми при +1.0 В, и ток вносится только хвостами пиков пропускания LUMO с раскруткой вверх и LUMO со спином вниз. Спиновое расщепление в хвостах не очевидно, и, таким образом, SC чрезвычайно мал при +1,0 В. Это приводит к чрезвычайно высокому обратному SRR при очень малой длине. Когда длина увеличивается до N = 16, спин-расщепление передачи, участвующее в окне смещения при +1,0 В, становится очень очевидным. Таким образом, SC при +1,0 В для N = 16 намного сильнее, чем у N = 10, как показано на рис.7 (б). В этом причина резкого падения обратного SRR. Спиновое расщепление пиков пропускания от LUMO со вращением вверх и вниз при +1,0 В может быть даже больше с увеличением длины (см. Рис. 4 (f) для N = 30).

Рис. 7.

Итак, мы исследовали влияние длины на выпрямители спина органических соолигомеров. Результаты показывают, что как направление выпрямления, так и коэффициент выпрямления могут сильно зависеть от длины молекулы. Существует критическая длина, при которой направление выпрямления меняется на противоположное. В каждом направлении выпрямления зависимость коэффициента выпрямления от длины сильно различается.Для коротких соолигомеров ниже критической длины обратный RR увеличивается незначительно, в то время как обратный SRR резко падает с увеличением длины. Для длинных соолигомеров как RR, так и SRR быстро увеличиваются с увеличением длины. Анализируя спин-зависимую трансмиссию и асимметричную эволюцию собственных состояний молекул, мы демонстрируем, что причиной разной зависимости отношения выпрямления от длины являются два различных механизма выпрямления, а именно асимметричный сдвиг собственных уровней молекул и асимметричная локализация пространственной электроники проводящие орбитали при изменении смещения.Эта работа указывает на возможный способ управления выпрямлением в органических спиновых диодах по длине молекулы и заслуживает проверки в будущих экспериментах.

Разница между эффективностью выпрямления и коэффициентом использования трансформатора

Основное различие между КПД выпрямления и коэффициентом использования трансформатора (TUF) заключается в том, что первый — это измерение эффективности выпрямителя, а второй — измерение степени использования мощности трансформатора.

Rectification Efficiency — это количественное измерение эффективности выпрямителя. Это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока выпрямителя. Обычно обозначается η и выражается в процентах.

Таким образом, более высокая эффективность выпрямления (RE) будет более высокой выходной мощностью постоянного тока для того же входа переменного тока. Допустим, есть два разных выпрямителя, скажем, X и Y. X имеет эффективность выпрямления 40,5%, а Y — 81%. При входной мощности переменного тока 100 Вт выходная мощность постоянного тока для выпрямителей X и Y будет равна 40.5 и 81 Вт соответственно. Таким образом, мы видим, что чем выше эффективность выпрямления, тем больше будет преобразование входного переменного тока в постоянный.

Напротив, коэффициент использования трансформатора (TUF) — это количественное измерение использования мощности трансформатора VA (вольт-ампер). Это отношение выходной мощности постоянного тока к номинальной мощности трансформатора в ВА. Это дает представление о размере необходимого трансформатора. Обратите внимание, что размер трансформатора увеличивается с его номинальной мощностью в ВА. Следовательно, если требования к рейтингу VA увеличиваются, размер также увеличится.Чем выше значение TUF, тем меньше размер трансформатора, необходимого для выпрямителя, и наоборот.

Давайте теперь свяжем TUF и RE, чтобы лучше понять разницу между этими двумя параметрами. Для этой цели мы возьмем пример полноволнового выпрямителя с центральным отводом. Пусть нагрузка постоянного тока выпрямителя составляет 100 Вт.

Значение TUF и коэффициента выпрямления для полноволнового выпрямителя с центральным ответвлением составляет 0,672 и 81%. Поскольку коэффициент выпрямления составляет 81%, входное напряжение переменного тока, необходимое выпрямителю для питания 100-ваттной нагрузки, будет равно 123.5 Вт (100 / 0,81 = 123,5). Это означает, что нам необходимо подать на выпрямитель входной переменный ток мощностью 123 Вт. Для этого нам понадобится трансформатор. Так каков будет рейтинг трансформатора в ВА? Можно сказать, что это будет что-то около 123 ВА (при коэффициенте мощности, равном единице). Но это не так. Мы не знаем TUF. Чтобы ответить, сначала нам нужно знать TUF. TUF для выпрямителя с центральным отводом составляет 0,672. Следовательно, номинальная мощность требуемого трансформатора в ВА будет (Выходная мощность постоянного тока / TUF), т.е. 149 ВА (100 / 0,672).

Из приведенного выше обсуждения ясно, что даже если потребляемая мощность переменного тока составляет 123.5 ВА, необходимая номинальная мощность трансформатора составляет 149. Это просто из-за ограниченной способности выпрямителя использовать ВА трансформатора. Надеюсь, вы поняли основную разницу между коэффициентом выпрямления и коэффициентом использования трансформатора.

Некоторые из основных различий между коэффициентом выпрямления и коэффициентом использования трансформатора приведены в таблице ниже.

Решенных проблем на выпрямителях — Сообщение электроники

1 кв. Применяемый вход переменного тока. мощность на однополупериодный выпрямитель 100 Вт. Постоянный ток выходная
Получаемая мощность 40 Вт.
(i) Какова эффективность выпрямления?
(ii) Что произойдет с оставшимися 60 Вт?

Решение:

(я)

(ii) КПД выпрямления 40% не означает, что 60% мощности теряется в цепи выпрямителя. Фактически, кристаллический диод потребляет мало энергии из-за своего небольшого внутреннего сопротивления. 100 Вт переменного тока. мощность составляет 50 Вт в положительных полупериодах и 50 Вт в отрицательных полупериодах.50 Вт в отрицательных полупериодах вообще не подаются. Только 50 Вт в положительных полупериодах преобразуются в 40 Вт.

Хотя 100 Вт переменного тока подавалось питание, однополупериодный выпрямитель принимал всего 50 ватт и преобразовывал его в 40 ватт постоянного тока. сила. Следовательно, уместно сказать, что эффективность выпрямления составляет 40%, а не 80%, что является энергоэффективностью.

2 кв. Переменный ток. Напряжение 230 В подается на схему однополупериодного выпрямителя через трансформатор с соотношением витков 10: 1.Найдите (i) выходной постоянный ток. напряжение и (ii) пиковое обратное напряжение. Считаем диод идеальным.

Рис.1

Решение:

Число витков от первичной до вторичной —

Макс. вторичное напряжение

(я)

(ii) Во время отрицательного полупериода переменного тока. При питании диод имеет обратное смещение и, следовательно, не проводит ток.Следовательно, на диоде появляется максимальное вторичное напряжение.

3 кв. Для полуволнового выпрямления используется кристаллический диод с внутренним сопротивлением r _f = 20 Ом. Если приложенное напряжение v = 50 sin ω t и сопротивление нагрузки R _L = 800 Ом, найдите:
(i) Im, Idc, Irms (ii) a.c. потребляемая мощность и постоянный ток выходная мощность (iii) постоянный ток выходное напряжение (iv) эффективность выпрямления.

Решение:

(я)

(ii)

(iii)

(iv)

4 кв.Однополупериодный выпрямитель используется для питания 50 В постоянного тока. до резистивной нагрузки 800 Ом. Диод имеет сопротивление 25 Ом. Рассчитайте переменный ток необходимое напряжение.

Решение:

Q5. Двухполупериодный выпрямитель использует два диода, внутреннее сопротивление каждого диода можно принять постоянным и равным 20 Ом. Среднеквадратичное значение трансформатора. вторичное напряжение от центрального ответвителя до каждого конца вторичной обмотки составляет 50 В, а сопротивление нагрузки составляет 980 Ом. Найдите: (i) средний ток нагрузки (ii) r.РС. значение тока нагрузки.

Решение:

(я)

(ii)

Q6. В схеме с центральным отводом, показанной на рис. 2, предполагается, что диоды идеальны , т.е. имеют нулевое внутреннее сопротивление. Найдите: (i) d.c. выходное напряжение (ii) пиковое обратное напряжение (iii) эффективность выпрямления.

Фиг.2

Решение:

Число витков первичной вторичной обмотки, N1 / N2 = 5

(i) Средний ток, Idc =

(ii) Пиковое обратное напряжение равно максимальному вторичному напряжению, т.е.e

(iii)

Q7. В схеме мостового типа, показанной на рис. 3, диоды считаются идеальными. Найдите: (i) d.c. выходное напряжение (ii) пиковое обратное напряжение (iii) выходная частота. Предположим, что число оборотов между первичными и вторичными частями равно 4.

Рис.3

Решение:

Q8.На Рис. 4 (i) и Рис. 4 (ii) показаны схемы с центральным отводом и мостового типа, имеющие одинаковое сопротивление нагрузки и коэффициент трансформации трансформатора. Первичная обмотка каждого из них подключена к источнику питания 230 В, 50 Гц. (i) Найдите постоянный ток. напряжение в каждом конкретном случае. (ii) PIV для каждого случая для одного и того же постоянного тока. вывод. Считаю диоды идеальными.

Фиг.4

Решение:

(i) Выходное напряжение постоянного тока:

Цепь центрального отвода:

Мостовая схема:

Это показывает, что для того же вторичного напряжения d.c. выходное напряжение мостовой схемы в два раза больше, чем у схемы с центральным отводом

(ii) PIV для того же постоянного тока выходное напряжение:

Постоянный ток. выходное напряжение двух цепей будет одинаковым, если Vm (т. е. максимальное напряжение, используемое каждой цепью для преобразования в постоянный ток) одинаково. Для этого коэффициент трансформации трансформаторов должен быть таким, как показано на рис. 5.

Рис.5

Цепь центрального отвода:

Мостовая схема:

Это показывает, что для того же d.c. выходное напряжение, PIV мостовой схемы вдвое меньше, чем у схемы с центральным отводом. В этом явное преимущество мостовой схемы.

Q9. Четыре диода, используемые в схеме мостового выпрямителя, имеют прямое сопротивление, которое можно считать постоянным при 1 Ом и бесконечным обратным сопротивлением. Напряжение питания переменного тока составляет 240 В среднеквадратичное. сопротивление нагрузки 480 Ом. Рассчитайте (i) средний ток нагрузки и (ii) мощность, рассеиваемую в каждом диоде.

Решение:

Q10.В мостовом выпрямителе, показанном на рис. 6, используются кремниевые диоды. Найдите (i) d.c. выходное напряжение (ii) постоянный ток выходной ток. Используйте упрощенную модель для диодов

Рис.6

Решение:

Условия проблемы предполагают, что переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора составляет 12 В (среднеквадратичное значение).

Q11. Источник питания A выдает 10 В постоянного тока с пульсацией 0,5 В среднеквадратичного значения. в то время как источник питания B выдает 25 В постоянного тока с пульсацией 1 мВ r.РС. Какой блок питания лучше?

Решение:

Чем ниже коэффициент пульсаций источника питания, тем он лучше.

Для источника питания A

Для источника питания B

Q12. Для схемы, показанной на рисунке 7, найдите выходной постоянный ток. Напряжение.

Рис.7

Решение:

Можно доказать, что выход постоянного тока напряжение определяется по формуле:

Q13.Дроссель на рис.8 имеет постоянный ток. сопротивление 25 Ом. Что такое постоянный ток? напряжение, если двухполупериодный сигнал в дросселе имеет пиковое значение 25,7 В?

Рис.8

Решение:

Выход двухполупериодного выпрямителя имеет постоянный ток. компонент и переменный ток. компонент. Из-за наличия переменного тока компонента, выход выпрямителя имеет пульсирующий характер, как показано на рис. 9.

Фиг.9

Максимальное значение пульсирующего выхода составляет Vm и d.c. составляющая V′dc = 2 Vm / π.