|
|
Практикум. Г. А. Зверев Л. К. Митрюхин
Контрольные вопросы и задания
Объясните схему и работу установки.
Объясните остаточную намагниченность ферромагнетиков.
Объясните механизм необратимости процесса намагничивания ферромагнетиков.
Объясните (качественно) механизм обменных взаимодействий. Почему в отсутствии внешнего поля домены ферромагнетиков ориентируются хаотично?
Какова природа ферромагнетизма?
Объясните графики зависимости f для пара- и диамагнетиков.
Объясните (качественно), почему график f начинается не с нуля и не с единицы.
Что происходит в ферромагнетиках при max, =1.
Объясните полученные графики В=f и f.
Почему сердечники трансформаторов и дросселей набираются из отдельных пластин?
Литература
1. Гл.16. §131-136. С.234-245. 2. Гл.24. §24.5. С.324-328.
4. Гл.ХI. §109-110. С.221-230. 8. Гл. IV. §4.1. 4.2, 4.5. С.74-76.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13
СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Приборы и принадлежности: диод (селеновый, германиевый и кремниевый), амперметр, микроамперметр, вольтметр, источник питания В-24.
Цель работы: изучение принципа действия селенового, германиевого и кремниевого полупроводниковых диодов, снятие их вольтамперных характеристик и определение коэффициентов выпрямления.
Теоретическое введение
В настоящее время в технических приборах и аппаратах широко применяются полупроводниковые элементы. Полупроводники – это материалы, электропроводность которых имеет промежуточные значения между электропроводностью проводников и диэлектриков. Сравнительно малые размеры, механическая прочность, малая потребляемая мощность- все эти преимущества полупроводниковых устройств открывают широкие возможности для их применения.
Полупроводники обладают рядом свойств, отличных от свойств проводников: их сопротивление уменьшается при повышении температуры, сопротивление зависит от освещённости и интенсивности ионизирующего облучения.
Чистый кристаллический полупроводник при Т=0 К и отсутствии освещённости и ионизирующего облучения не проводит электрический ток, так как его валентные электроны образуют правильные ковалентные связи и свободные носители заряда отсутствуют. При повышении температуры (Т>0 К), освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приводит к отрыву электрона, который становится носителем тока, и образованию вакантного места – дырки, которая соответствует положительному заряду.
При воздействии электрическим полем электроны перемещаются против направления линий напряжённости, а дырки – по этим линиям. Электропроводность чистых полупроводников называется собственной. При собственной проводимости число свободных электронов и дырок одинаково.
Внесение примесей в чистые полупроводники оказывает сильное воздействие на их электропроводность. С помощью примесей можно получить полупроводники с избыточным количеством носителей заряда того или иного знака. В зависимости от знака преобладающих носителей заряда различают p и n – полупроводники. Основными носителями заряда в полупроводнике n – типа являются электроны. Их концентрация значительно превышает при комнатной температуре концентрацию неосновных носителей- дырок. Основными носителями заряда в полупроводнике p – типа являются дырки, а неосновные – электроны.
Особый интерес для практического использования представляют явления, происходящие при контакте двух полупроводников.
Р ассмотрим контакт двух полупроводников с p- и n- проводимостью (рис. 13.1). На границе соприкосновения этих полупроводников возникает слой, который называется электронно-дырочным переходом (p-n переход). Такой переход нельзя создать простым соприкосновением двух полупроводниковых пластин p и n- типа, т.к. вследствие шероховатостей и неровностей соприкасающихся поверхностей плотность контакта не будет одинаковой в различных точках. Обычно p-n- переходы получают в одном и том же кристалле полупроводника, создавая в нем различными способами области с различной проводимостью. Это можно сделать, например, производя местную термическую обработку кристалла германия. Другим способом получения p-n- перехода является внесение необходимых примесей в расплавленный полупроводник при вращении монокристалла.
При контакте р- и n- полупроводников начинается диффузия основных носителей заряда. Электроны из n- области будут перемещаться в р- область, и их концентрация в приконтактном слое в n- полупроводнике начнёт уменьшаться. Вследствие этого здесь возникает некомпенсированный положительный заряд ионов. Аналогично, при переходе дырок из р- области в n- область в приконтактном слое р- полупроводника возникает избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе р- и n- полупроводников получается контактный слой, в котором создаётся электрическое поле напряжённостью Ер-n, направленный от n- области к р- области. Толщина контактного слоя обычно имеет порядок
10-6 – 10-7 м.
Возникающее электрическое поле препятствует диффузии основных носителей заряда из одной области в другую. Поэтому по мере увеличения плотности заряда в контактном слое диффузионный ток основных носителей уменьшается, а затем почти совсем прекращается. На границе полупроводников создаётся разность потенциалов (потенциальный барьер), для преодоления которой электроны и дырки должны обладать энергией, соответствующей энергии их теплового движения при температуре в несколько тысяч градусов. Таким образом, для основных носителей зарядов контактный слой является запирающим, т.е. обладает повышенным сопротивлением.
Для неосновных же носителей зарядов (электронов в р- области и дырок в n- области) контактное поле является ускоряющим. Те неосновные носители, которые оказываются в зоне перехода, под действием поля свободно переходят через границу полупроводников, образуя ток не основных носителей Iн. (рис. 13.1).
Однако даже при комнатной температуре некоторые основные носители зарядов в обеих областях обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Эти носители диффундируют через границу полупроводников, образуя ток основных носителей I0, направленный навстречу току неосновных носителей. Таким образом, при контакте полупроводников устанавливается динамическое равновесие, при котором I0=Iн .
Если к р-n- переходу присоединить источник тока так, чтобы напряженность создаваемого им внешнего электрического поля Евн имела направление, противоположное Ер-n (рис. 13.2,а), то высота потенциального барьера на границе полупроводников будет уменьшаться. При этом толщина контактного слоя делается меньше, его сопротивление уменьшается и сила тока основных носителей через р-n- переход возрастает. Такое направление называется прямым или пропускным.
Е  сли же источник тока присоединить к контакту так, чтобы его поле совпало по направлению с собственным полем р-n- перехода (рис. 13.2,б), то потенциальный барьер возрастает. Толщина контактного слоя увеличивается, его сопротивление возрастает и сила тока основных носителей зарядов уменьшается почти до 0. При этом через р-n- переход будет идти только малый ток не основных носителей. Такое направление тока называют обратным или запирающим.
Зависимость силы тока, текущего через р-n- переход, от приложенного к нему напряжения (вольтамперная характеристика) изображена на рис. 13.3. Положительные значения силы тока соответствуют прямому направлению, отрицательные – обратному. Как видно из графика, сила прямого тока зависит от напряжения – при увеличении напряжения сила тока возрастает. Сила же обратного тока от напряжения практически не зависит. Она определяется количеством неосновных носителей, образующихся в полупроводнике в единицу времени, а это количество при постоянной температуре остаётся неизменным. Если приложенное запирающее напряжение превышает некоторые значение Uобр, то сила обратного тока резко возрастает, т.е. происходит пробой электронно-дырочного перехода. Причина этого заключается в следующем: под действием сильного электрического поля электроны приобретают значительную скорость и, сталкиваясь с нейтральными атомами в области р-n- перехода, ионизируют их. Таким образом, число неосновных носителей заряда в полупроводниках резко увеличивается и сила обратного тока возрастает.
Следовательно, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство позволяет использовать контакт полупроводников с р-n- проводимостью для выпрямления переменного тока. Приборы, действие которых основано на этом свойстве, получили название полупроводниковых диодов.
Одной из характеристик диодов является коэффициент выпрямления, равный отношению сил токов прямого к обратному, измеренных при одинаковых напряжениях:
К=Iпр/Iобр |Uпр|=|Uобр| (1)
При работе с полупроводниковыми диодами следует учитывать значение наибольшего обратного напряжения, т.е. такого напряжения, которое может быть приложено к диоду в запирающем направлении в течение длительного времени без опасности нарушений его нормальной работы.
В зависимости от способа получения р-n- перехода различают два типа полупроводниковых диодов: плоскостные и точечные.
Рассмотрим устройство плоскостного селенового диода, схематический разрез которого изображён на рис. 13.4. Селеновый диод состоит из железного диска 1, покрытого слоем никеля 2. Этот диск является одним из электродов. На него наносят слой селена 3, обладающего р- проводимостью.
В торым электродом служит тонкий слой 4 из сплава металлов кадмия, висмута и олова. Атомы сплава диффундируют в селен, который приобретает при этом n- проводимость, и на границе второго электрода и проводника возникает электронно-дырочный пере-ход. В селеновых диодах прямой ток идёт от железного диска через слой селена ко второму электроду.
Наибольшее обратное напряжение селеновых диодов составляет 20-25 В. Для выпрямления большего напряжения соединяют последовательно несколько селеновых шайб. Для этого их надевают на изолированный стержень и стягивают гайками. Контакт между отдельными шайбами производится с помощью пружинящих металлических дисков. Выпрямленный ток подводится к латунным выводам на концах селенового столбика.
Д ля выпрямления слабых высокочастотных токов применяют точечные полупроводниковые диоды. Схематическое устройство точечного германиевого диода дано на рис. 13.5. Внутри керамической трубки 1 на металлических втулках укреплены пластинка германия 2 и контактная металлическая проволочка 3, упирающаяся в германиевую пластинку. В месте контакта металлической проволоки с кристаллом полупроводника обра-зуется p-n- переход. Сила выпрямленного тока в точечных диодах не должна превышать 10-30 mA.
Описание установки
С хема установки представлена на рис. 13.6. С помощью переключателя К1 на полупроводниковый диод подаётся напряжение U от источника тока В-24 в прямом и обратном направлении. Ключ К2 переключает напряжение на Se или Ge диоды.
Порядок выполнения работы
Снятие вольтамперной характеристики селенового диода
Соберите рабочую схему.
Включите источник питания В-24.
Поставьте переключатель К2 в положение 5 (включен селеновый диод).
Поставьте переключатель К1 в положение 1-2, соответствующее прямому направлению тока на диод .
Измените реостатом R напряжение Uпр на диоде, измеряя каждый раз силу тока Iпр в цепи.
Поставьте переключатель К1 в положение 3-4, соответствующее обратному направлению тока на диод.
Измените реостатом R напряжение Uобр на диоде, измеряя каждый раз силу тока Iобр в цепи.
Результаты измерений занесите в таблицу 13.1.
Таблица 13.1
№
|
Uпр,
В
|
Iпр,
A
|
Uобр,
B
|
Iобр,
A
|
К
|
1
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
|
4
|
|
|
|
|
|
5
|
|
|
|
|
|
Постройте вольтамперную характеристику селенового диода.
Вычислите коэффициент выпрямления К селенового диода при двух значениях напряжения.
11. Определите абсолютную погрешность измерения К.
Снятие вольтамперной характеристики германиевого (кремниевого) диода
Включите с помощью К2 положение 6 – германиевый (кремниевый) диод и выполните задание с 4 по 11 пункты.
Контрольные вопросы и задания
Дайте определениеp-n- перехода.
Чем обусловлен диффузионный ток через p-n- переход?
Опишите процессы, происходящие в p-n- переходе при прямом и при обратном включении тока.
Изобразите вольтамперную характеристику полупроводникового диода.
Что называется коэффициентом выпрямления диода?
Опишите устройство и принцип работ селенового и германиевого диодов.
Дайте определение полупроводников p- и n- типа.
В чём отличие полупроводников от проводников?
Укажите факторы, влияющие на проводимость полупроводников?
|
|
|
Скачать 1.62 Mb.