...
Електричний струм у напівпровідниках PDF Печать E-mail

Електричний струм у напівпровідниках

Мета роботи: ознайомитись з набором напівпровідникових приладів та методикою і технікою проведення навчального експерименту при вивченні властивостей та застосувань напівпровідників.
Обладнання: набір напівпровідникових приладів; гальванометр-амперметр демонстраційний; реле поляризоване на підставці РП-5, вимикач демонстраційний; реостат; електрична лампа в патроні на підставці з клемами; з’єднувальні провідники, ящик-підставка, демонстраційна панель з напівпровідниковими діодами, шкільна магнітоелектрична машина, штатив, прямокутна фанерна, кульки однакового діаметра; пластинка з отворами, транзистор П14 (П13, П15), змонтований на вертикальній  панельці з клемами, радіотехнічний   потенціометр з номінальним опором 3—10 кОм, змонтований на вертикальній панельці з клемами, гальванічний елемент або інше джерело постійного струму, напівпровідниковий діод д7ж на панелі, міліамперметр м45м з верхніми межами вимірювання 1,5-7,5-15-30 мА.


ТЕОРЕТИЧНІ   ВІДОМОСТІ
При виконанні демонстраційних дослідів в темі “Електричний стум в напівпровідниках” потрібно мати на увазі таке:
1.    Для демонстрування властивостей напівпровідників та напівпровідникових приладів в школах зустрічається набір, до складу якого входять термістор типу ММТ-4, фоторезистор типу ФСК-1, термоелемент, фотоелемент селеновий типу СФ-10, два діоди площинні типу Д7 або інші аналогічні, транзистор (мал. 1).
2.    Кожний напівпровідниковий прилад змонтований на окремій металевій панелі розміром 100х150 мм і з’єднаний за допомогою монтажних провідників з універсальними клемами, встановленими на панелях. Діоди і транзистор змонтовані на панелях, що мають рисунки з схематичними зображеннями цих приладів.
3.    Термістор має холодний опір (опір при температурі +200С) 10-12 кОм; температурний коефіцієнт опору - 2,4 до - 3,4% на градус; інтервал робочих температур від -70 до +1200С; максимально допустима потужність розсіювання 0,4Вт; стала часу в повітрі 115секунд.
4.    Термістор змонтований на панелі, яка складається з двох частин. Верхня частина кріпиться до нижньої за допомогою гвинта, і на ній закріплено спіраль для нагрівання термістора електричним струмом, опір якої 4 Ом. Між середньою і правою клемами увімкнено резистор опором 1,3 кОм для обмеження струму через терморезистор. Якщо немає набору напівпровідникових приладів, для демонстрування дослідів можна використати практично термістор будь-якого типу, виготовивши відповідну підставку для його кріплення.
5.    Фоторезистор має світлочутливий шар товщиною близько одного мікрометра з сірчистого кадмію. Його темновий опір становить більш як107 Ом, а питома чутливість 3000 мкА/лмВ. Максимально робоча напруга 400 В.
6.    Термоелемент демонстраційний складається з двох термоелементів, один з яких виготовлено з напівпровідникової речовини з електронною провідністю, а інший – з речовини з дірковою провідністю. Напівпровідник з електронною провідністю є сплавом вісмуту, телуру і селену, а напівпровідник з дірковою провідністю – це сплав вісмуту, телуру і сурми.
7.    Напівпровідникові елементи зверху припаяні до пластинки,  яку при виконані дослідів можна нагрівати паяльником. Внизу до напівпровідникових елементів припаяні металеві радіатори, які відводять тепло від елементів у повітря. Так підтримується різниця температур на кінцях  напівпровідникових речовин, яка потрібна для утворення термоелектрорушійної сили.
8.    Діоди використовують для демонстрування односторонньої провідності p-n-переходу та для показу застосування цього явища у випрямлячах.
9.    Транзистор, що входить до набору, дає можливість показати підсилення електричного сигналу цим важливим приладом, утворення та використання незатухаючих електромагнітних коливань, тощо. Якщо немає набору напівпровідникових приладів, то діоди, транзистор можна самостійно закріпити на відповідних панелях і з успіхом використовувати в навчальному експерименті.
10.    У наборі використано селеновий фотоелемент з активною площею 12,3 см2. Якщо фотоелемента немає, то для демонстрування появи фото електрорушійної сили можна використати будь-який діод, в якому є можливість освітлювати p-n-перехід. Наприклад, у діода Д7 напилком можна зробити отвір і освітити перехід. При зовнішньому навантаженні 500 Ом чутливість фотоелемента становить близько 500 мкА/лм. У холостому режимі електрорушійна сила фотоелемента СФ-10 дорівнює 250 мВ. При температурі понад +50С фотоелемент не працює. Зовнішня напруга, яку можна прикладати до фотоелемента, не повинна перевищувати 0,2 В, що потрібно пам’ятати при виконанні дослідів з ним.

ХІД РОБОТИ
1. Повторіть матеріал, що стосується електричних властивостей напівпровідників і їх застосувань, який вивчається у школі та в курсі фізики університету. Докладно ознайомтесь з літературою, вказаною в цій інструкції. Ознайомтесь з рекомендаціями з програми фізики для демонстрацій при вивченні в школі даної теми.
2. Продемонструвати залежність опору напівпровідникової речовини від температури.
Для демонстрування залежності напівпровідникової речовини від температури складіть електричне коло з послідовно з’єднаних термістора, демонстраційного гальванометра - амперметра та батареї 3336. Якщо при цьому стрілка гальванометра виходить за межі верхнього значення шкали, то установку слід скласти за схемою, у якій використано реостат як подільник напруги. Реостат може мати опір 20 Ом і більше. При використанні такої схеми в досліді можна брати термістор з будь-яким значенням холодного опору. Підігріваючи термістор над полум’ям сірника або спиртівки, можна спостерігати зростання сили струму в колі, що свідчить про зменшення опору напівпровідниковою речовини при нагріванні її.
Далі змініть на протилежне вмикання термістора в електричне коло. Сила струму встановиться такою ж. Це свідчить про те, що напівпровідникові речовини односторонньої провідності не мають. Таку властивість мають лише p-n переходи.
3    Залежність опору напівпровідника від освітленості.
Пояснюють учням будову фотоопору ФС-К1 і складають коло з батарейки КБС-0,5, фотоопору та демонстраційного гальванометра спостерігають невелике відхилення стрілки гальванометра. Повільно

наближають до фотоопору лампочку (мал. 3) і спостерігають збільшення в колі струму, що свідчить про зменшення  величини фотоопору при збільшенні освітленності. Якщо  фотоопір закрити рукою, то величина струму різко зменшується , отже опір збільшується. Якщо немає фотоопору, залежність опору напівпровідника від освітленності можна продемонструвати, за допомогою напівпровідникового діоду типу ДГЦ. Причому діод вмикають у непрохідному напрямі.
4    Одностороння провідність напівпровідникового діода
Односторонню провідність електронно-діркового переходу можна продемонструвати за допомогою установки. Діод вмикають у прохідному напрямку і підбирають величину опору з таким розрахунком, щоб стрілка гальванометра відхилилась приблизно до кінця шкали. Величина опору залежить від чутли¬вості гальванометра і напруги джерела струму. Замість постій¬ного опору можна застосувати радіотехнічний потенціометр з но-мінальним значенням опору 20—25 кОм. Якщо застосовують саморобну панель з діодами, постійний опір зручно вмикати між клемами K4 і К5.
Демонструють, що при вмиканні діода в прохідному напрямі струм у колі відхиляє стрілку гальванометра приблизно до кінця шкали, а при зміні полярності прикладеної до діода напруги, тобто при вмиканні діода в непрохідному напрямі, струм у колі практично дорівнює нулю.
5    Випрямляння змінного струму напівпровідниковим діодом
Після демонстрування односторонньої провідності напівпро-відникового діода треба показати випрямляння діодом змінного струму. Щітки  магнітоелектричної маши¬ни ставлять на кільця для добування змінного струму. Спочатку складають коло за схемою, повільно обертаючи якір магнітоелектричної машини, демонструють коливання стрілки гальванометра навколо нульового положення, що свідчить про наявність у колі змінного струму.
Послідовно з опором у коло вмикають  напівпровідниковий діод і, обертаючи якір, помічають, що стрілка відхиляється в один бік. Це свідчить про випрямляння діодом змінного струму. Якщо перемкнути проводи, які підводять струм до діода, то на¬прям відхилення стрілки гальванометра змінюється на проти¬лежний. При повільному обертанні якоря машини можна помітити невеликі коливання стрілки гальванометра навколо ненульового її положення, що доводить наявність пульсацій випрямленого струму. Для досліду можна використати змінний струм від сітки, але в цьому разі наявність пульсацій напрямленого струму пока¬зати не можна.
6    Механічна аналогія діркової провідності напівпровідника
У фанерній пластинці прямокутної форми (приблизні розміри 6 X ЗО см) висвердлюють 8—10 рівно - віддалених отворів, діаметри яких однакові і трохи  менші від діаметра наявних кульок. Центри отворів розміщують на одній прямій. Пластинку закріплюють у горизонтальному положенні в лапці штатива і в отвори вставляють кульки, залишаючи один з крайніх отворів вільним.
Переставляючи кульки послідовно одну за одною в отвори, що звільняються, демонструють рух вільного місця — дірки — в напрямі, протилежному напряму переміщення кульок, які відіграють роль електронів.
7    Дія напівпровідникового термоелемента
Гальванометр з малим внутрішнім опором (від демонстраційного вольтметра) сполучають спочатку з кінцями бруска з електронною провідністю (середню і праву клеми демонстраційного термоелемента сполучають з клемами гальванометра). Обережно, щоб не розплавити олова, яким сполучну пластину припаяно до верхніх кінців брусків, нагрівають сполучну пластину і верхні кінці брусків не дуже гарячим паяльником або полум'ям сірника. Спостерігають відхилення стрілки гальванометра. Знаючи, як залежить напрям відхилення стрілки від полярності прикладеної напруги (звичайно стрілка відхиляється до клеми, сполученої з плюсом генератора), установлюють, що холодний кінець бруска з електронною провідністю має негативний потенціал, а гарячий — позитивний.
Вмикають брусок з дірковою провідністю, для чого провід, що був затиснутий під праву клему термоелемента, затискують під ліву його клему. Напрям відхилення стрілки гальванометра змінюється на протилежний, отже, напруга на кінцях бруска з дірковою провідністю має протилежну полярність — холодний кінець бруска має позитивний потенціал, а гарячий — негативний.
8    Наявність двох  р — n переходів у транзистора.
Внутрішня будова транзистора показана на мал. 10. Кожний транзистор має два р — n-переходи. Показати це можна, склавши електричні кола за схемою. Спочатку демонструють наявність р — n переходу між емітером і базою транзистора П14 (П13, П15). Ці транзистори, як було сказано, належать до р — n — р  типу, через що емітер і колектор будь-якого з цих транзисторів мають діркову, а база — електронну провідність (мал. 10). Емітер-базовий перехід має менший опір, бо емітер сполучено з плюсом джерела напруги, а базу — з його мінусом. Цей напрям для емітер-базового переходу є прохідним. Це демонструють, склавши коло за схемою, а. Перед уроком, змінюючи опір R, добиваються відхилення стрілки гальванометра на всю шкалу при   вмиканні емітер-базового переходу в прохідному напрямі. Перед вмиканням у коло в гальванометр слід вставити шкалу з десятьма поділками і механічним коректором перевести стрілку на нульову її поділку.
Спочатку демонструють, що емітер-базовий перехід добре проводить струм при під'єднанні до емітера плюса, а до бази мінуса джерела струму. Змінюють полярність під'єднаногоджерела і показують, що в цьому разі струм набагато менший. Звідси роблять висновок про наявність між емітером і базою транзистора р — n — переходу, для якого напрям від емітера до бази є прохідним.
Аналогічним способом, склавши коло за схемою, демонструють наявність р — n — переходу між  колектором і базою транзистора.  Для цього переходу,  прохідним є напрям, при якому колектор сполучено з плюсом, а базу з мінусом джерела струму. При протилежній полярності прикладеної до колектор-базового переходу напруги він вмикається в запірному напрямі і струм у колі буде дуже малий.
9    Керування колекторним струмом транзистора зміною струму його бази
Цей дослід дає можливість показати, те що незначні зміни струму бази транзистора зумовлюють набагато більші зміни колекторного струму при вмиканні транзистора за схемою із спільним емітером. Дослід методично цінний тим, що на його підставі можна пояснити використання транзистора для генерування електричних коливань і для їх підсилення.
Для досліду використовують установку, складену за схемою, поданою. До емітера і колектора, змонтованого на вертикальній панельці з клемами транзистора П14  (П13, П15), під'єднують послідовно сполучені батарейку КБС-0,5  або інше джерело постійного струму з напругою 3—5 В і демонстраційний гальванометр Г2- Послідовно з емітер-базовим переходом   транзистора вмикають гальванічний елемент, баластний опір   R1=1,8 кОм, змінний опір з номінальним значенням 33 ком   і вимикач. Баластний опір R1 і змінний опір R2 доцільно змонтувати на вертикальній панельці з клемами, намалювавши на ній схемні позначення опорів. Плюси обох джерел струму сполучають з емітером. При цьому емітер-базовий перехід буде ввімкнено  в прохідному напрямі.
Демонструють, що при відсутності струму в емітер-базовому переході колекторний струм зовсім малий. Якщо, замкнувши вимикач, подати на емітер-базовий перехід напругу, то виникає струм бази, величина якого невелика, оскільки послідовно з емітер-базовим переходом увімкнений значний опір. Цей струм спричинює незначне відхилення стрілки гальванометра Г1. Одночасно з цим колекторний струм набагато збільшується, що фіксується гальванометром Г2. Змінюючи величину струму бази, спостерігають відповідні зміни струму колектора. Зміни величини струму бази невеликі, бо вони обмежені значним опором, увімкненим послідовно з емітер-базовим переходом, і спричинюють незначні зміни положення стрілки гальванометра Г1, а відповідні їм зміни колекторного струму, фіксовані гальванометром Г2, перевищують зміни струму бази в десятки разів.
Пояснюють, що відношення зміни колекторного струму до відповідної зміни струму бази при сталій напрузі на колекторі     називають коефіцієнтом підсилення транзистора за струмом.  Звертають увагу учнів на можливість використання транзистора, як це випливає з досліду, для підсилення як змінного, так  і постійного струмів.

 

Яндекс.Метрика >