WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

лениях, построить вольтамперные характеристики, вычислить коэффиОт величины Ез зависят многие свойства вещества, например, его элекциент выпрямления, сопротивление выпрямителя, построить график тропроводность. У полупроводников ширина запрещенной зоны мала зависимости сопротивления в прямом и обратном направлениях от тока.

(Ез < 3 эв).

Принадлежности: германиевый и кремниевый диоды, селеновый столбик в сборе на лабораторной панели, выпрямитель, миллиамперметр и микроамперметр постоянного тока, вольтметр на постоянное напряжение, источник питания постоянного тока.

21 Энергия Зона проводимости Свободная электронов зона Е Ез Ез ЕЗона Заполненная проводимости зона дырок Рис. В результате переброса электронов с донорных уровней в зону проводимости в полупроводнике возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа).

Рис. Существуют также примеси совершенно другого характера, поВ идеальном полупроводниковом кристалле ( без примесей и делучившие название акцепторов. Акцепторные уровни располагаются фектов решетки) при Т=0 К валентная зона целиком заполнена электровблизи заполненной зоны. При температурах, отличных от абсолютного нами, а зона проводимости пуста. Для участия в электропроводности нуля, на такие уровни могут перейти электроны из заполненной зоны электрон должен иметь возможность за счет электрического поля приЕ1‹Е3 и вероятность перехода их в зону проводимости будет меньше.

обрести дополнительную энергию, т. е. перейти на более высокий уроЕсли на уровень акцепторных примесей перешло несколько электронов вень.

из заполненной зоны, то в последней останется столько же незаполненТаким образом, в электропроводности могут участвовать элекных уровней, т.е. свободных мест – дырок, сколько ушло электронов.

троны частично заполненных зон, например, зоны проводимости. Если Под влиянием электрического поля электроны заполненной зоны будут электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, в валентперемещаться против направления электрического поля. При таком ной зоне образуется незанятое место – дырка. В отсутствие электричепреимущественном перемещении электронов дырки будут заполняться ского поля дырка беспорядочно перемещается в направлении поля, т. е.

именно теми электронами, которые подходят к ним под действием поля, ведёт себя как частица с положительным зарядом, равным по величине но эти электроны будут оставлять после себя новые дырки, которые заряду электрона. Следовательно, дырка является носителем тока в потакже будут заполняться электронами. В результате такого процесса в лупроводнике.

полупроводнике, находящемся в электрическом поле, электроны будут Введение в полупроводник ничтожного количества примесей чрезперемещаться от отрицательного полюса к положительному, в то время вычайно сильно увеличивает удельную электропроводность полупрокак дырки – в обратном направлении. Описанный тип проводимости водников. Это объясняется тем, что электрические уровни примесных называется проводимостью p-типа, а полупроводники с такой проводиэлектронов располагаются вблизи дна зоны проводимости. Для перехомостью – дырочными, или полупроводниками p-типа.

дов в свободную зону примесные электроны должны повысить свою Таким образом, возможны два механизма проводимости: электронэнергию на величину Е1, которая меньше Е3 (рис. 2). Подобные приный и дырочный. Первый – соответствует движению электронов в свомесные уровни называются донорными уровнями, а сами примеси дободной зоне, второй – движению дырок в заполненной зоне.

норами.

Два полупроводника (дырочный и электронный), приведенные в соприкосновение, образуют p-n переход. Полупроводник, содержащий 23 Уровень доноров Уровень акцепторов Уровни свободного атома один p-n переход, называется полупроводниковым диодом. Если к полу- В данной работе применяются селеновый и германиевый выпряпроводниковому диоду типа p-n приложить такую разность потенциа- мители. Селеновый выпрямитель устроен следующим образом. Одним лов, чтобы полупроводник p имел знак «+», а полупроводник n знак «–», электродом является железный никелированный диск с нанесенным на то электроны начнут двигаться к положительному полюсу, дырки – к него тонким слоем кристаллического селена (около 0.1 мм), вторым – отрицательному, и по цепи пойдет большой ток (прямой). железный диск, на котором нанесен слой селена, покрытый пленкой из Если поменять полярность внешней батареи, то приложенное по- сплава висмут-кадмий-олово (рис. 3).

ле стремится оттянуть заряды обоих типов от границы. Это приведет к Под действием термической обработки в селене около второго увеличению толщины запирающего слоя и росту его сопротивления. электрода образуется слой селенистого кадмия, обладающий электронВеличина тока в этом случае очень мала и обусловлена тепловой диф- ной проводимостью (селен обладает дырочной проводимостью). Запифузией электронов и дырок. Такой ток называют обратным током. Если рающий слой возникает на границе между дырочным селеном и элеквнешнюю батарею заменить источником переменного тока, то в течение тронным селенистым кадмием. Пропускным направлением тока являетодного полупериода будет наблюдаться значительный ток, а в течение ся направление от селена к селенистому кадмию (направление движедругого – очень малый, т. е. система будет служить выпрямителем. ния дырок). Один такой выпрямляющий элемент называют выпрямляюСвойства выпрямителей характеризуется коэффициентом выпря- щей шайбой, отдельные шайбы собирают в выпрямительный столбик.

мления, который равен отношению прямого тока Iпр к обратному Iобр, Германий обладает электронной проводимостью. Для получения измеренными при одинаковых по величине прямом и обратном напря- электронно-дырочного контакта (p-n перехода) поверхность пластинки жениях: электронного германия подвергают специальной обработке, в результаIпр те чего образуется слой германия, обладающий дырочной проводимоб=. (1) стью.



Iобр Пропускным направлением тока является направление от дырочКривая зависимости тока I от напряжения U, приложенного к поного слоя (p) германия к электронному (n). Германиевый выпрямитель лупроводнику, называется его вольт-амперной характеристикой.

практически пропускает ток только в одном направлении (обратный ток в сотни раз меньше прямого тока).

Описание установки В работе в качестве источника постоянного напряжения используется выпрямитель. Напряжение на потенциометре контролируется вольтметром. Прямой ток измеряют амперметром, а обратный – микроамперметром.

Порядок выполнения работы Прежде чем приступить к практической работе с электроприборами и устройствами данной лабораторной работы, необходимо предварительно выяснить их назначение и параметры. Желательно также придерживаться именно той последовательности действий и экспериментов, которая предлагается в данном описании ниже. Поскольку в данной лабораторной работе могут использоваться комбинированные универсальные электроизмерительные приборы, измеряющие и напряжение, и Рис. 3: 1 – железная шайба, 2 – слой никеля, 3 – слой селена, силу тока, необходимо определиться, какой именно прибор лучше ис4 – слой сплава Bi-Cd-Sn, 5 – запирающий слой пользовать для измерения конкретной величины. Следует учесть, что постоянное напряжение измеряется в общем интервале от 0 до 3В как 25 минимум, а сила тока будет иметь величину порядка сотен миллиампер в прямом и единиц, десятков и сотен микроампер в обратном направле+ + + нии. Учитывая, что лабораторное оборудование может быть заменено Se вместо устаревшего или пришедшего в негодность, необходимо полуV чить консультации по использованию электроприборов у учебно-вспомогательного персонала.

Вначале снимаются данные U и I в прямом направлении для всех диодов, а затем U и I в обратном направлении. Величины напряжений в м прямом направлении – десятые и сотые доли вольта. Величины напря+ жений в обратном направлении могут достигать единиц вольт (при необходимости). Для наглядности и графического сравнения между собой Рис. 1: 1 – источник питания постоянного тока, графики ВАХ строятся на одной системе координат. Графики ВАХ дио- 2 – селеновый полупроводниковый диод на лабораторной панели дов в прямом направлении строятся в положительной четверти, а граЗадание 2. Исследование германиевого полупроводникового диофики ВАХ диодов в обратном направлении – в отрицательной четверти да (Ge) (снятие данных ВАХ в прямом направлении).

системы координат. По оси X откладываются значения постоянного Поскольку полупроводниковые диоды от проходящих прямых напряжения, а по оси Y – значения силы тока в прямом и обратном натоков могут нагреваться и, следовательно, их ВАХ могут искажаться от правлениях в масштабе милли- или микроампер соответственно. Для этого, необходимо снимать прежде значения U и I в прямом направлепостроения каждого графика ВАХ необходимо отметить при измерении у всех диодов, а затем в обратном также у всех диодов.

нии не менее пяти точек зависимости I от U.

Собирают цепь по схеме (рис. 2). Повторяют все действия по сбору экспериментальных данных, подобно предыдущему заданию. НеобЗадание 1. Исследование селенового полупроводникового диода ходимо учитывать то, что вся предыдущая схема полностью не разбира(Se) (снятие данных ВАХ в прямом направлении).

ется, а переключаются лишь проводники с клемм Se-диода на клеммы Поскольку селеновый полупроводниковый диод – самый старый Ge-диода в прямом направлении.

из предлагаемых по времени изготовления и применения, то он исслеПри переключении проводов нужно уменьшить подаваемое с исдуется первым.

точника питания напряжение до нуля! Тумблер «СЕТЬ» в этом случае Необходимо собрать цепь по рис. 1. Se – диод включён в прямом на источнике можно не выключать.

направлении.

При сборе цепи и перед включением источника питания подаваемое постоянное напряжение должно быть минимальным, нулевым! 1 + + После проверки правильности сбора схемы преподавателем или G + учебно-вспомогательным персоналом необходимо включить в сеть исV точник питания тумблером «СЕТЬ» и, изменяя напряжение, снять точки зависимости I от U в прямом направлении.

Количество точек для графика ВАХ и правила построения графика см. в предисловии к ходу работы.

мА Полученные данные U и I в прямом направлении для Se-диода за+ носят в таблицу и по ним строят график ВАХ.

Рис. 2: 1 – источник питания постоянного тока, 2 – германиевый полупроводниковый диод на лабораторной панели 27 Задание 3. Исследование кремниевого полупроводникового диода (Si) (снятие данных ВАХ в прямом направлении). + + Повторить все действия по снятию экспериментальных данных U Se и I для Si-диода в прямом направлении в соответствии с предыдущими V заданиями, собрав схему по рис. 3. Предыдущая экспериментальная схема также полностью не разбирается, а переключаются диоды на лабора+ торной панели.

µА 1 + + + Si + V Рис. 4: 1 – источник питания постоянного тока, 2 – селеновый полупроводниковый диод на лабораторной панели мА + + + Ge или Рис. 3: 1 – источник питания постоянного тока, V 2 – кремниевый полупроводниковый диод на лабораторной панели Si + Задание 4. Исследование селенового, германиевого и кремниевого полупроводниковых диодов (снятие данных ВАХ в обратном направµА лении).





+ В соответствии с рис. 4 и рис. 5 собрать экспериментальные схемы для снятия данных U и I в обратном направлении для селенового, Рис. 5: 1 – источник питания постоянного тока, 2 – германиевый германиевого и кремниевого полупроводниковых диодов. Руководствоили кремниевый полупроводниковый диод на лабораторной панели ваться порядком работы в предыдущих заданиях.

Полностью схему не разбирать, менять лишь полярность диодов Задание 5. Построить графики ВАХ селенового, германиевого и на лабораторной панели. Напряжение на источнике при изменениях в кремниевого диодов в прямом и обратном направлениях.

схеме обязательно выводить на нуль! (См. выше примечания к ходу работы).

На амперметре перед снятием данных обратных U и I диодов изменить предел измерения в сторону уменьшения, т. к. обратные токи Задание 6. Вычисление по формуле коэффициента выпрямления.

диодов значительно меньше прямых. Напряжение для обратных токов, Коэффициент выпрямления для диодов вычисляют по формуле наоборот, может быть гораздо большим, чем для прямых. Оно может (1) несколько раз. Необходимо учитывать, что вычисляется только составлять единицы вольт.

при одинаковых значениях напряжения, приложенного к диодам. Чем больше значение, тем более технологически совершенен данный полупроводниковый диод.

29 Задание 7. Определить сопротивления (R) диодов и построить Лабораторная работа № графики зависимости сопротивления диодов от токов в прямом и обратОпределение коэффициента самоиндукции, емкости и проверка ном направлениях в соответствии с целями работы, обозначенными вызакона Ома для цепи переменного тока ше, по формуле ДU Цель работы: проверка закона Ома для переменного тока, измеR= = f(I).

ДI рение индуктивности катушки, емкости конденсатора и определение После проделывания лабораторной работы необходимо выклюсдвига фаз между током и напряжением.

чить оборудование тумблерами «СЕТЬ» на передних панелях приборов Приборы и принадлежности: блок питания переменного тока, каи разобрать схему.

тушка индуктивности, батарея конденсаторов, амперметр, вольтметр, Разборку экспериментальной схемы, как и её сборку, необходимо ваттметр.

производить начиная с клемм источника питания постоянного тока! 1. Закон Ома для переменного тока Контрольные вопросы Рассмотрим цепь с резистором, катушкой и конденсатором (рис. 1).

1. Что называется полупроводниковым диодом Пусть в цепи имеется генератор, ЭДС которого изменяется периодически:

2. Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков =0sint. (1) по своим свойствам 3. Каков характер заполнения валентной зоны и зоны проводимости в полупроводниках, металлах и диэлектриках 4. Объясните устройство селенового и германиевого выпрямителей.

5. Что называется коэффициентом выпрямления 6. Для чего в физике и технике применяются полупроводниковые диоды 7. Нарисуйте принципиальную схему полупроводникового диодного выпрямителя мостового типа и объясните принцип действия устройства.

Литература Рис. 1. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. М., 1963. Т. 2.

Будем считать переменный ток квазистационарным, то есть буС. 146–160.

дем предполагать, что время, в течение которого электрические ве2. Квантовая электроника / Под ред. С.А. Ахманова. М.: Советличины принимают установившиеся значения, мало по сравнению с пеская энциклопедия, 1963. С. 348–362.

риодом колебаний Т.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. М., 1973. С. 146–160.

Будем рассматривать только такие токи, сила которых меняется 4. Электричество и оптика: Физический практикум / Под ред.

по синусоидальному закону:

Ивероновой. М.: Наука, 1968. С. 189–205.

I=I0sin(t-), (2) где – разность фаз между током и напряжением, которая появляется за счет возникновения ЭДС самоиндукции в катушке индуктивности и процессов перезарядки конденсатора.

31 Положительное направление обхода контура выберем по часовой UL+UR +UC=0sin t, (10) стрелке. Ток в контуре определяется так:

где слева записана сумма напряжений на индуктивности L, сопротивлеdq нии R и емкости С. Таким образом, видно, что сумма этих напряжений в I =. (3) dt каждый момент времени равна внешней эдс. Учитывая соотношения Если I>0, то и dq>0 (то есть знак I совпадает со знаком dq).

(9), запишем:

По закону Ома для участка цепи 1RL2:

UR =RI=RI0sin( t-), (11) RI = - + е + е, (4) 1 2 1 q q0 I0 р UC= = sin( t - )= sin( t - - ), (12) где s – эдс самоиндукции, 1 и 2 – потенциалы обкладок конденсатора.

C C щC В нашем случае:

dI UL=L =LI0cos(t - )=LI0sin(t - + ). (13) dI q = - L ; 1-2= ; (5) dt s C dt Из последних трех формул видно, что U2 находится в фазе с то(знак q должен совпадать со знаком разности 2 – 1, так как С>0). Поком I, UC, отстает по фазе от I на /2. Все это опережает I на /2. Все это этому уравнение (4) можно переписать в виде:

можно наглядно представить с помощью векторной диаграммы, изобраdI q зив амплитуды напряжений L + RI + =, (6) dt C IUR0 =RI0, UC0=, UL0=щLI0 (14) или с учетом (3) и (1) щC d2q dq и их векторную сумму Uo, равную, согласно (10), вектору величины e L + R + q=е0sinщ t. (7) dt dt C (рис. 2).

Решение этого уравнения, как известно из математики, представщLI ляет собой сумму общего решения однородного уравнения (без правой части) и частного решения неоднородного уравнения.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.