Электрический ток в полупроводниках и электролитах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрический ток в полупроводниках и электролитах

1. Электрические свойства полупроводников

Опыты по этой теме проводятся главным образом с комплектом полупроводниковых приборов, разработанных В. А. Буровым. Комплект позволяет демонстрировать основные электрические свойства полупроводников и некоторые наиболее важные технические применения полупроводниковых приборов.

В состав комплектов входят шесть приборов. Все они смонтированы на отдельных панелях размером 100х150мм и соединены монтажными проводниками с универсальными зажимами. К каждой панели прикреплен стержень для установки прибора в подставке или закрепления в штативе.

Термистор ММТ-4 служит для демонстрации зависимости сопротивления полупроводников от температуры и технического применения этого явления. Он имеет следующие основные параметры: величина сопротивления при 20°С 10 ком; температурный коэффициент сопротивления -- 2,4% на 1°С; максимальная рабочая температура 120° С; допустимая мощность рассеивания на приборе 0,4 вт, при изменении температуры от0 до 100° величина сопротивления термистора уменьшается примерно в 15 раз. Термистор укреплен в пластмассовой стойке 2, находящейся на нижней части разъемной панели 3. Выводы от термистора герметизированы и через изолирующую стойку подведены к левому и среднему зажимам.

Комплект полупроводниковых приборов: а - термистор; б - фоторезнсгор; в - термоэлемент; г - фотоэлемент; д - диоды; е-транзистор.

Такая конструкция позволяет опускать термистор в жидкость без погружения в нее монтажной панели.

Во время опытов термистор нагревается лабораторной спиртовкой или специальным электрическим нагревателем в виде проволочной спирали сопротивлением 5 ом. Для его питания применяется, источник постоянного тока напряжением около 4 в. Нагреватель 4 смонтирован на съемной части панели, которая прикреплена к основной панели винтом.

В некоторых опытах термистор разогревается электрическим током 5--6 ма, проходящим непосредственно через термистор. В таких случаях применяется источник переменного тока напряжением 50--60 в.

При больших электрических нагрузках термистор включается в цепь через дополнительный резистор сопротивлением 1 ком, который присоединен на панели к правому и среднему зажимам. Он ограничивает ток в цепи, который, возрастая, может вывести термистор из строя.

Фоторезистор ФС-К1 служит для демонстрации зависимости сопротивления полупроводников от: освещенности и применения этого явления в фотоэлектронной автоматике. Его светочувствительный слой толщиной около 1 м состоит из сернистого кадмия, нанесенного на стеклянную пластинку, запрессованную в пластмассовую оправу со штырьками. Штырьки вставлены в специальные гнезда, укрепленные в середине панели и соединенные проводами с двумя универсальными зажимами.

Фоторезистор имеет следующие основные параметры: размер светочувствительной поверхности 30 мм2; темповое сопротивление больше 107 ом; максимальное рабочее напряжение 400 в; допустимая мощность при длительной нагрузке 0,1 вт, удельная чувствительность 3000 мка/лм*в.

Транзистор германиевый, плоскостной П14. Он служит для демонстрации усиления, детектирования и генерирования электрических колебаний.

Транзистор укреплен в середине панели на фоне его схематического изображения. Выводы базы, коллектора и эмиттера соединены проводами с зажимами и обозначены на панели соответственно буквами Б, К, Э.

Транзистор имеет следующие электрические и эксплуатационные данные: коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером 50; граничная частота усиления по току 1,0 Мгц; сопротивление базы не более 300 ом; напряжение на коллекторе 5 в; ток коллектора 10 ма; обратный ток коллекторного перехода не более 15 мка; ток эмиттера 10 ма; обратный ток эмиттерного перехода не более 15 мка; допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, 150 мет.

В электрическую цепь транзистор может быть включен тремя различными способами: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. В большинстве опытов применяется схема включения с общим эмиттером.

Независимо от выбранной схемы следует строго соблюдать основные правила включения транзистора в электрическую цепь: коллекторный переход всегда включается в обратном (не пропускном) направлении, а эмиттерный переход -- в прямом (пропускном) направлении. Для транзистора с проводимостью типа р-п-р это означает: эмиттер соединяется с положительным полюсом источника, а коллектор -- с отрицательным. В режиме усиления и генерации на базу транзистора подается напряжение порядка 0,1--0,15 в.

Следует помнить также о недопустимости включения транзистора в цепь, находящуюся под током. Питание транзистора от источников, напряжение которых превышает максимально допустимое, ведет к его пробою. Опасным является даже кратковременная подача напряжения обратной полярности (за исключением малых значений). При работе следует избегать замыкания выводов базы и коллектора. Мощность, рассеиваемая на коллекторе, не должна превышать предельно допустимую. При включении транзистора в цепь вывод базы присоединяют первым, а все переключения производятся при отключенном, источнике питания.

Во время демонстрации приборы комплекта, как правило, применяются совместно с другим учебным оборудованием физического кабинета: демонстрационными гальванометрами, источниками постоянного тока, регуляторами напряжения, электромагнитными реле и т. п.

Из вспомогательных приборов довольно часто применяется поляризованное реле РП-5 на подставке. Общий вид этого реле и детали монтажа показаны на рисунке.

Поляризованное реле РП-5 на подставке

Реле 1 укреплено на изолирующей панели 2 и с помощью металлического стержня 3 устанавливается на подставке 4.

Собственно реле 1 состоит из постоянного магнита, электромагнита, контактной системы и двух соединительных колодок с выводами. Все детали закрыты алюминиевым чехлом.

Электромагнит реле имеет две отдельные обмотки с сопротивлением около 900 ом каждая. Обмотки соединены между собой последовательно. Концы обмоток подведены к двум винтовым зажимам 5 и 6, расположенным на обратной стороне монтажной панели. Обмотки реле соединены также через высокочастотные дроссели 7 с двумя парами пружинящих зажимов 8 и 9, предназначенных для включения приемного диполя и полупроводникового детектора. Выводы от контактной системы реле подведены к трем винтовым зажимам 10, 11 и 12 (зажим 11 сделан дополнительно: в промышленном образце его нет, что ограничивало возможности применения прибора).

Реле РП 5 трехпозиционное, его якорь может занимать три различных положения: два крайних и нейтральное; в нейтральном положении при обесточенном реле все контакты разомкнуты. В большинстве же описываемых опытов реле работает как двухпозицпонное, т. е. при отсутствии тока в обмотке реле его якорь замыкает один из контактов. В двухпозицпонное положение реле переводится перемещением контактных винтов. Реле РП-5 обладает быстродействием и высокой чувствительностью. Ток срабатывания его может изменяться от 0,058 до 0,24 ма, в зависимости от регулировки его контактов.

При установке реле на наибольшую чувствительность просвет между контактами должен составлять несколько десятых долей миллиметра. Контакты реле можно нагружать током не более 0,5 а.

При изучении полупроводников в средней школе, кроме приборов, важное значение имеют следующие стенные таблицы, содержащие необходимый иллюстративный материал к рассказу учителя: 1) термистор; 2) фоторезистор; 3) диод; 4) фотоэлемент; 5) термоэлемент; 6) транзистор.

На этих таблицах крупным планом изображено устройство полупроводниковых приборов, которые входят в демонстрационный комплект. Вместе с устройством приборов на таблицах даны их условные обозначения, схемы действия и основные характеристики, выполненные в виде графиков. Графики снабжены крупной координатной сеткой. Это позволяет применять их па уроках при решении графических задач.

Кроме основных приборов, почти на всех таблицах как бы вторым планом дано изображение внешнего вида разнообразных полупроводниковых приборов и их практического применения.

Методика применения таблиц подробно раскрывается далее при описании опытов.

Изменение сопротивления полупроводников при нагревании и охлаждении

Оборудование: 1) термистор ММТ-4 на подставке, 2) лабораторный прибор с термистором ММТ-1, 3) гальванометр демонстрационный от амперметра, 4) батарея аккумуляторов, 5) выключатель демонстрационный, 6) спиртовка, 7) провода соединительные, 8) стакан со снегом или с холодной водой, 9) стенная таблица 1 -- «Термистор».

Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с устройством термистора ММТ-4 по стенной таблице 1.

Термистор ММТ-4 изображен на таблице крупным планом в разрезе. Буквы ММ обозначают полупроводниковый материал, из которого сделан термистор (окислы марганца и меди); буква Т --термистор; цифра 4 --условное обозначение конструктивного оформления.

Термистор ММТ-4 в разрезе

Установка и схема для демонстрации действия термистора

Термистор имеет форму цилиндрического стержня 5 длиной 12 мм и диаметром 2 мм. На концы стержня надеты контактные колпачки 3 с выводами из медной проволоки 7. Поверхность стержня покрыта слоем эмалевой краски и обернута металлической фольгой 4, которая улучшает теплообмен между термистором и окружающей средой. Один вывод термистора припаян оловом 6 ко дну металлического корпуса 2, а другой -- проходит в трубочке, вваренной в стеклянный изолятор 1. Герметизация термистора обеспечивает его устойчивую работу в условиях повышенной влажности и непосредственно в жидкостях.

После рассмотрения таблицы вычерчивают на классной доске схему и по ней собирают установку, показанную на рисунке. Термистор укрепляют на подставке в горизонтальном положении и включают в электрическую цепь последовательно с демонстрационным гальванометром, батареей аккумуляторов (напряжением около 4 в) и выключателем.

При замыкании цепи гальванометр отмечает небольшой ток: стрелка гальванометра отклоняется примерно на два деления шкалы «0--10». Величина этого тока зависит (по закону Ома) от напряжения источника тока и начального, так называемого холодного сопротивления термистора, т. е. его сопротивления при комнатной температуре.

После этого термистор медленно нагревают над пламенем спиртовки (пламя не должно касаться прибора) и наблюдают постепенное увеличение тока. Когда стрелка гальванометра будет подходить к последним делениям шкалы, нагревание прекращают.

Далее показывают обратный процесс -- охлаждение термистора: снимают термистор со штатива и погружают в стакан со снегом пли холодной водой. Стрелка гальванометра быстро перемещается в обратную сторону и через некоторое время останавливается почти у нуля шкалы.



График зависимости сопротивления термистора ММТ-4 от температуры

Проделанный опыт позволяет прежде всего сделать вывод, что сопротивление полупроводников с повышением температуры уменьшается и, наоборот, с понижением температуры увеличивается. Для уточнения этого вопроса внимание учащихся снова возвращают к указанной выше таблице 1 и рассматривают график температурной зависимости сопротивления термистора. Этот график показывает, что сопротивление полупроводников резко уменьшается с повышением температуры, причем температурная чувствительность на различных участках температуры неодинакова. Электропроводность полупроводников при высоких температурах близка по величине к электропроводности металлов, а при низких температурах полупроводники фактически становятся изоляторами.

Лабораторный прибор для снятия температурной характеристики термистора

Учащимся известно, что величина электропроводности определяется концентрацией свободных носителей заряда (электронов, ионов). Следовательно, проделанный опыт дает основание сделать вывод, что концентрация электронов проводимости полупроводников в отличие от металлов зависит от температуры: с повышением температуры концентрация возрастает, а с понижением температуры -- уменьшается. Тепловое движение является главной причиной возникновения электропроводности полупроводников. Этот вывод имеет глубоко принципиальное значение. Он показывает, что без затраты внешней энергии образование носителей заряда в полупроводнике невозможно, а следовательно, невозможно и возникновение электрического тока.

С целью подготовки к выполнению в практикуме лабораторной работы «Снятие температурной характеристики термистора» учащихся знакомят с устройством лабораторного прибора и кратко с порядком выполнения этой работы.

Прибор надо спроецировать на экран с помощью эпидиаскопа или проекционного аппарата и рассказать, что здесь применен термистор 1 типа ММТ-1. Его выводы припаяны к двум медным проводам 2, которые проходят через отверстия и монтажной панели 3 и заканчиваются двумя зажимами. В середине панели сделано отверстие 4, в которое вставлена небольшая трубочка. Термистор вместе с трубочкой заключен в стеклянную пробирку.

При выполнении работы пробирку с термистором погружают в стакан с водой, а внутрь трубочки вставляют технический термометр. Сопротивление термистора при различных температурах измеряют омметром.

В заключение следует отметить, что в настоящее время промышленность выпускает различные типы термисторов с разнообразными электрическими характеристиками и конструкциями исполнения. С внешним видом различных термисторов и их назначением можно ознакомить учащихся по стенной таблице 1.

2. Устройство и действие электрического термометра сопротивления

Оборудование: 1) термометр демонстрационный электрически», 2) термометр демонстрационный капиллярный, 3) стаканы с водой разной температуры--2 шт., 4) провода соединительные, 5) стенная таблица 1 -- «Термистор».

Перед демонстрацией опыта учащихся кратко знакомят с устройством школьного электрического термометра сопротивления, который дает возможность измерять температуру в интервале от -20 до +120° С.

Прибор (конструкция В. А. Бурова) состоит из трех частей: датчика температуры 1 в виде термистора ММТ-4, который при комнатной температуре имеет сопротивление приблизительно 1 ком, специального измерительного мостика 2, смонтированного в пластмассовом корпусе, и школьного демонстрационного гальванометра 3.

На доске вычерчивают схему прибора по рисунку и поясняют, что резисторы R1 = 1000 ом, R2 = 510 ом, R3 = 2,2 ком и датчик температуры Rt = 1 ком образуют измерительный мостик. В диагональ мостика включается демонстрационный гальванометр. Питается мостик от источника постоянного тока напряжением 4 в через потенциометр R4 = 470 ом. Мостик сбалансирован при температуре 0° С с помощью переменного резистора R3.

Термистор укреплен на конце металлической трубки. К выводам термистора припаяны гибкие изолированные провода длиной около метра. Они выведены через трубку и оканчиваются двумя штепселями.

На крышку корпуса выведены следующие детали (см. схему): зажимы К1 и К2 для включения датчика, зажимы К3 и К4 для демонстрационного гальванометра, ручка потенциометра R4 и выключатель Вк источника питания.



Электрический термометр сопротивления и его схема

Зажимы для включения датчика помечены на приборе знаком «ТС», а зажимы для включения гальванометра -- буквой «Г». Источник питания (батарея от карманного фонаря) находится вместе с остальными деталями мостика внутри корпуса и отделен от них перегородкой. Батарея вставляется в корпус через съемное дно.

К двум зажимам, расположенным также на крышке корпуса (на схеме они обозначены буквами К5 и К6), в случае необходимости можно присоединить внешний источник тока.

При температуре датчика, отличной от 0° С, баланс мостика нарушается и через гальванометр идет ток, величина которого находится в прямой зависимости от температуры. При указанных величинах сопротивлений плеч мостика эта зависимость является почти линейном.

Ток в диагонали мостика зависит также от величины напряжения питания, которое регулируется потенциометром R4. Это позволяет плавно изменять чувствительность термометра и в случае надобности уменьшать интервал рабочих температур, повышал тем самым точность измерений. В связи с этим термометр снабжен тремя сменными шкалами, которые содержат по 20 делений и отличаются лишь оцифровкой, характеризующей интервал измеряемых температур: первая шкала от 0 до 40° С, вторая -- от 0 до 60° С и третья --от 0 до 100° С. Цена делений шкал соответственно равна 2,3 и 5° С.

Затем показывают этот термометр в действии, для чего в измерительный мостик включают датчик температуры и демонстрационный гальванометр с температурной шкалой 0--100°С.

Датчик вместе с демонстрационным капиллярным термометром погружают в стакан с водой и, вращая ручку потенциометра, добиваются совпадения показаний обоих термометров. Для контроля измеряют температуру воды в другом стакане обоими термометрами и наблюдают их одинаковые показания.

Далее демонстрируют возможность изменения чувствительности электрического термометра. Для этого в гальванометр вставляют температурную шкалу 0--40 С и повторяют описанный опыт.

Для ускорения перехода с одной температурной шкалы на другую можно заранее подобрать три постоянных резистора, сопротивление которых равно соответственно сопротивлению термистора при температурах 40, 60 и 100° С. В этом случае вначале к зажимам К1 и К2 вместо термистора подключают соответствующий резистор и, вращая ручку потенциометра R4, добиваются отклонения стрелки гальванометра до последнего деления температурной шкалы (40, 60 пли 100° С). После этого к зажимам К1 и К2 вместо резистора подключают датчик температуры и производят измерения.

Отмечают, что датчики из термисторов отличаются от других следующими качествами: высокой температурной чувствительностью, малой тепловой инерцией, высоким омическим сопротивлением и др.

Все это дает возможность быстро отмечать малые изменения температуры (порядка тысячных долей градуса) и пренебрегать сопротивлением подводящих проводов (измерять температуру удаленных объектов).

Изменение сопротивления полупроводников при освещении

Оборудование: 1) фоторезистор ФС-К1 на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) батарея аккумуляторов 4) электрическая лампа мощностью 60--100 вт на подставке, 5) провода соединительные, 6) стенная таблица 2 -- «Фоторезистор».

Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с устройством полупроводникового фоторезистора ФС-К1 по таблице 2 -- «Фоторезистор», где этот фоторезистор изображен крупным планом в разрезе.

Фоторезистор представляет собой тонкий светочувствительный слой полупроводника 1, состоящий из сернистого кадмия, нанесенного на круглую изолирующую пластинку 4, края которой запрессованы в кольцеобразную пластмассовую оправу 2. С противоположных сторон полупроводникового слоя сделаны токоотводы 3, которые соединены с двумя запрессованными в оправу электродами в виде вилки 5. Для защиты полупроводникового слоя от загрязнения и атмосферного влияния поверхность его покрыта прозрачным лаком.

Конструкция фоторезистора ФС-К1

Затем собирают установку по рисунку. Фоторезистор ФС-К1 включают в цепь источника постоянного тока напряжением около 4 в последовательно с демонстрационным гальванометром от амперметра. Обращают внимание на малую величину начального тока. Этот ток называют темновым. Он зависит от электрического сопротивления, которым обладает фоторезистор, и от приложенного к нему напряжения.

Далее зажигают электрическую лампу и, медленно приближая и удаляя ее от фоторезистора, наблюдают увеличение и уменьшение тока в цепи. Делают вывод, что сопротивление полупроводников при увеличении их освещенности уменьшается.

Изменение сопротивления под действием света объясняют увеличением количества свободных носителей заряда. Это явление называют внутренним фотоэффектом, а разность между световым и темновым током -- фототоком.

Для уточнения зависимости тока от освещенности внимание учащихся возвращают к таблице 2 и рассматривают изображенные на ней графики. Первая кривая снята при напряжении 10 в, вторая -- при напряжении 4 в. Графики показывают, что ток по мере увеличения освещенности приближается к насыщению, и тем быстрее, чем меньше напряжение на фоторезисторе.

Демонстрация действия фоторезистора

Снова возвращаются к демонстрационной установке и при постоянной освещенности изменяют полярность включения фоторезистора в цепь. При этом наблюдают, что величина тока остается неизменной.

Делают вывод, что фоторезистор одинаково хорошо проходит ток как в одном, так, и в другом направлении. Он представляет собой в электрическом отношении обычный высокоомный резистор.

Затем показывают, что ток в цепи с фоторезистором зависит также от величины приложенного внешнего напряжения. Для этого, не изменяя освещенности фоторезистора, включают в электрическую цепь один, два, а затем три аккумулятора.

Отмечают линейную зависимость между током и приложенным напряжением.

По таблице 2 учащимся объясняют вольт-амперную характеристику фоторезистора, снятую в темноте и при освещенности в 200 л/с. Обращают внимание, что фототек не имеет насыщения и, следовательно, световая чувствительность фоторезистора пропорциональна приложенному напряжению.

В заключение отмечают широкое применение фоторезисторов в автоматике и контрольно-измерительной технике. С внешним видом некоторых фоторезисторов можно ознакомить учащихся по указанной выше таблице.

Действие простейшего фотореле

Оборудование: 1) фоторезистор ФС-К1 на подставке, 2) поляризованное реле РП-5 на подставке, 3) батарея аккумуляторов, 4) электрическая лампа мощностью 60 вт на подставке, 5) фонарь электрически!! карманным, 6) кюпета стеклянная с плоскопараллельными стенками на подставке, 7) стаканы химические с водой -- 2 шт., 8) резиновая трубка длиной около 50 см, 9) подъемный столик, 10) выключатель демонстрационный, 11) пипетка, 12) пластинка из белой жести, 13) наждачная бумага, 14) провода соединительные.

Для демонстрации фотореле собирают установку по рисунку. В цепь батареи аккумуляторов включают последовательно фоторезистор ФС-К1, поляризованное реле РП-5 и однополюсный выключатель. Контакты реле регулируют так, чтобы якорь мог занимать только два крайних положения, а лампа, включенная в исполнительную цепь, загоралась при освещенном фоторезисторе и гасла при его затемнении.

С этим фотореле показывают следующие опиты, раскрывающие принципы работы простейших фотоэлектронных устройств автоматики.

1. Фоторезистор освещают электрическим фонариком. Фотореле реагирует на свет и включает сигнальную лампу. Затем пучок света, падающий на фоторезистор, неоднократно и с различной скоростью пересекают рукой. Фотореле успевает каждый раз включить и выключить сигнальную лампу. Учащимся сообщают, что по этому принципу работают разнообразные автоматические счетчики и сортировщики изделий.

Далее переключают контакты реле, так чтобы лампа в исполнительной цепи загоралась при затемненном фоторезисторе, и продолжают опыты.

2. На пути пучка света от электрического фонарика, направленного на фоторезистор, устанавливают на подъемном столике химический стакан.

В начале опыта стакан пуст; пучок света свободно проходит через стекло и попадает на фоторезистор. Реле удерживает свои контакты, и сигнальная лампа не горит.

Затем в стакан медленно наливают подкрашенную чернилами воду и наблюдают за поднятием ее уровня. Как только вода закроет доступ лучам света к фоторезистору, фотореле включит сигнальную лампу.

Установка и схема фотореле с фоторезистором

3. Электронная и дырочная электропроводность полупроводников

Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от вольтметра, 3) провода соединительные, 4) нагреватель --электрический паяльник или спиртовка, 5) кинофильм «Полупроводники и их применение в технике», 6) кинопроектор.

Для демонстрации двух видов электропроводности примесных полупроводников берут полупроводниковый термоэлемент. Вид электропроводности определяют по направлению термотока в цепи. Опыт начинают с демонстрации электронной проводимости.

Собирают установку по рисунку. Индикатором термотока служит демонстрационный гальванометр с малым внутренним сопротивлением (от вольтметра) и шкалой «5-0-5». Его стрелку предварительно устанавливают на нуль шкалы с помощью механического корректора, а сам прибор подключают к термоэлементу так: зажим гальванометра со знаком « + » соединяют с нижним холодным концом полупроводника, обладающего электронной проводимостью (с правым зажимом термоэлемента), а второй зажим гальванометра -- с верхним концом полупроводника (средним зажимом термоэлемента).

Пока температура обоих концов полупроводника одинакова, тока в цепи нет. Затем верхний конец полупроводника (к нему припаяна медная пластинка) осторожно нагревают, например, слегка разогретым электрическим паяльником. Стрелка гальванометра отклоняется влево. По направлению тока легко определить полярность концов включенного полупроводника. Проверка показывает, что ток в цепи идет от горячего конца полупроводника к холодному. Следовательно, горячий конец полупроводника зарядился положительно, а холодный--отрицательно.

По рисунку, который следует изобразить на классной доске, учащимся объясняют, что такое явление возможно в том случае, если основными носителями заряда в полупроводнике являются электроны. Действительно, при нагревании полупроводника за счет атомов примеси увеличивается число свободных электронов. Эти электроны по законам диффузии начинают перемешаться в полупроводнике в сторону холодного конца и заряжают его отрицательно. Горячий конец при этом заряжается положительно. Разделение зарядов приводит к образованию электрического поля, под действием которого и создается термоток в цепи.

Для демонстрации дырочной проводимости гальванометр подключают к концам второго полупроводника термоэлемента, причем нагретый конец полупроводника (средний зажим) соединяют с тем же зажимом гальванометра, что и в первом случае при нагревании одного конца.

Демонстрация электронной проводимости полупроводников

Схема движения электронов в полупроводнике с электронной проводимостью при нагревании одного конца

Демонстрация дырочной проводимости полупроводников



Схема движения дырок в полупроводнике с дырочной проводимостью

Теперь стрелка гальванометра отклоняется в правую сторону, несмотря на одинаковое включение гальванометра. Обратное направление тока в цепи указывает на обратную полярность концов полупроводника: горячий конец зарядился отрицательно, а холодный -- положительно. Значит, во втором полупроводнике изменился знак носителей заряда. Теперь носителями заряда являются дырки, которые ведут себя как положительные заряды.

По ходу демонстрации дают объяснение второй части опыта. На горячем конце полупроводника возникают дополнительные свободные электроны. Но теперь освободившиеся электроны захватываются атомами примеси и вновь теряют возможность перемещаться и участвовать в проводимости. В то же время в основных атомах полупроводника, из которых эти электроны вырвались, остаются свободные места -- дырки. Таких дырок образуется больше в нагретом конце полупроводника. Из соседних атомов на место образовавшихся дырок переходят валентные электроны. Дырки в первых атомах заполняются электронами, но зато они появляются в других атомах. В результате таких своеобразных переходов электронов дырки перемещаются от горячего конца к холодному и заряжают его положительно; горячий же конец полупроводника заряжается отрицательно.

В заключение необходимо подчеркнуть, что дырки не являются реальными частицами; в обоих видах проводимости полупроводников движутся только валентные электроны и никаких других свободных зарядов в полупроводнике нет. Проводимости отличаются друг от друга лишь механизмом движения электронов.

Электронная проводимость обусловлена направленным движением свободных электронов, а дырочная вызвана движением связанных электронов, которые переходят от атома к атому, поочередно замещают друг друга в связях, что эквивалентно движению дырок в противоположном направлении. Фиктивная частица-дырка вводится лишь для простоты описания сложного процесса движения электронов в полупроводнике.

В разъяснении изучаемых явлении большую помощь может оказать демонстрация учебного кинофильма «Полупроводники и их применение в технике». Здесь следует показать второй и третий фрагменты, которые называются соответственно «Собственная проводимость полупроводников» и «Примесная проводимость полупроводников».

Односторонняя электропроводность электронно-дырочного перехода

Оборудование: I) диоды полупроводниковые на подставке, 2) лабораторный прибор с полупроводниковым диодом, 3) гальванометр демонстрационный от амперметра, 4) батарея аккумуляторов напряжением около 4 в, 5) реостат на 3000 ом и 6,3 а, б) провода соединительные, 7) стенная таблица 3 --«Диод», 8) кинофильм «Полупроводники и их применение я технике». 9) кинопроектор.

Перед демонстрацией опыта учащимся следует дать понятие об электронно-дырочных переходах и способах их получения, а также рассмотреть физическую сущность процессов, приводящих к образованию запирающего слоя. Эти сведения необходимы для лучшего понимания опыта.

После этого учащихся знакомят с устройством полупроводникового диода по таблице 3, где он представлен в разрезе.

Полупроводниковый диод Д7Ж состоит из монокристаллической пластинки германия 6, обладающей электронной проводимостью. В верхнюю часть пластинки вплавлена капля индия 5, а нижняя часть припаяна оловом 7 к металлическому корпусу 4. В процессе плавления атомы индия диффундировали внутрь германия и образовали поверхностную область с дырочной проводимостью. Остальная часть пластинки, куда атомы индия не попали, осталась с электронной проводимостью. В результате в пластинке образовались две резко разграниченные области с различным видом проводимости, т. е. электронно-дырочный переход толщиной в несколько микрон.

Конструкция диода Д7Ж

Схема демонстрационного омметра

Пластинка германия помещена в герметически закрытый сварной металлический корпус 4, который изолирует ее от атмосферного воздуха и света, обеспечивая устойчивую работу электронно-дырочного перехода при изменении. влажности окружающей среды и давления. От пластинки сделаны два вывода 3, причем один из них проходит в металлической трубке 1, изолированной от корпуса стеклом 2.

Рассмотрев устройство диода, приступают к демонстрации зависимости сопротивления его электронно-дырочного перехода от полярности приложенного напряжения. Для этого сначала собирают демонстрационный омметр по схеме, показанной на рисунке, и с помощью реостата устанавливают в цепи ток такой величины, чтобы стрелка гальванометра отклонилась до последнего деления шкалы «0-10» (нуль омметра).

Затем в цепь омметра включают полупроводниковый диод в проходном направлении, как показано на схеме пунктиром и получают установку, изображенную на рисунке. Омметр показывает, что сопротивление диода в проходном направлении мало.

По схеме (рис. 186, а) объясняют результаты этого опыта. При действии внешнего электрического поля, направленного от дырочного полупроводника к электронному, основные носители заряда в каждом полупроводнике движутся к границе раздела полупроводников и разрушают запирающий слой, обогащая его свободными носителями заряда. Это приводит к уменьшению его сопротивления. Электрический ток, созданный основными носителями заряда, называют прямым током диода.

Демонстрация односторонней проводимости полупроводникового диода

После этого в прежней установке изменяют полярность включения диода. Ток в цепи уменьшается почти до нуля. Это указывает на значительное увеличение сопротивления запирающего слоя и его одностороннюю электропроводность.

Выясняют причину этого явления. Свободные электроны в электронном полупроводнике движутся теперь к положительному полюсу источника тока, а дырки в дырочном полупроводнике-- к отрицательному. В результате основные носители заряда удаляются от границы полупроводников, толщина запирающего слоя увеличивается и сопротивление его возрастает. Лишь очень небольшой по величине ток, который называют обратным током диода, поддерживается теперь движением неосновных носителей заряда к границе полупроводников.

На схеме действия полупроводникового диода основные носители заряда в каждом полупроводнике обозначены большими кружочками, а неосновные носители заряда -- маленькими.

Диод Д7Ж на панели (лабораторный прибор)

Для подготовки учащихся к выполнению в практикуме лабораторной работы «Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода» необходимо пояснить устройство лабораторного прибора и порядок выполнения работы. Выпрямление переменного тока полупроводниковым диодом

Оборудование: 1) полупроводниковые диоды на подставке, 2) трансформатор универсальный, 3) реостат на 3000 ом и 0,3 а, 4) гальванометр демонстрационный от амперметра, 5) осциллограф школьный, 6) провода соединительные.

Для демонстрации однополулериодного выпрямления переменного тока собирают установку, как показано на рисунке. Переменный ток берут от осветительной сети через школьный универсальный трансформатор с катушками на 120 и 12 в. К половине вторичной катушки трансформатора включаются последовательно полупроводниковый диод, демонстрационный гальванометр от амперметра и реостат, как показано на схеме.

Демонстрация однополупериодного выпрямления переменного тока полупроводниковым диодом

Схема однополупериодного выпрямления переменного тока а; графики напряжения б и тока в во вторичной цепи

При замыкании первичной цепи трансформатора гальванометр обнаруживает постоянный по направлению ток. Учащимся объясняют, что под действием внешнего переменного напряжения, график которого показан на рисунке б, запирающий слой полупроводникового диода «пульсирует»: меняется его толщина и сопротивление. Это создает благоприятные условия для прохождения электрического тока от дырочного полупроводника к электронному (пропускное направление) и неблагоприятные условия для прохождения тока в обратном направлении; Иначе говоря, в течение одного полупериода ток проходит через диод, в течение второго полупериода он становится настолько слабым, что практически его можно не принимать во внимание.

Затем в цепь вторичной катушки трансформатора включают оба диода и демонстрируют двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Демонстрация двухполупериодного выпрямления переменного тока полупроводниковыми диодами

Схема двухнолупериодного выпрямления переменного тока а; график напряжения б и тока в во вторичной цепи

Установку собирают по рисунку, где представлена схема а включения приборов, графики напряжения б и тока в во вторичной цепи при двухполупернодном выпрямлении. При сборке установки левые зажимы диодов соединяют с крайними зажимами вторичной катушки трансформатора, а правые -- замыкают накоротко. Между общей точкой диодов и средним зажимом катушки трансформатора включают демонстрационный гальванометр с нагрузочным реостатом 3 ком. По сравнению с первым опытом ток в цепи увеличивается примерно в два раза.

При наличии в школе электронного осциллографа полезно показать формы кривых выходных напряжений и выпрямленных диодами токов. Установки для опытов остаются прежними с той разницей, что из цепи убирается гальванометр и для получения кривой напряжения осциллограф соединяют с зажимами вторичной катушки трансформатора, а для наблюдения кривых тока -- с зажимами нагрузочного реостата.

В заключение отмечают основные преимущества полупроводниковых диодов по сравнению с диодами с подогревным катодом: более длительный срок службы, большая механическая прочность, значительно меньший вес и размеры и, наконец, высокая экономичность. Эти преимущества обеспечили полупроводниковым диодам широкое практическое применение в различных областях современной техники.

Действие полупроводникового термоэлемента

Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от вольтметра, 3) нагреватель -- электрический паяльник или спиртовка. 4) провода соединительные, 5) стенная таблица 4.--«Термоэлемент», 6) кинофильм «Полупроводники и их применение в технике», 7) кинопроектор.

В начале опыта учащихся кратко знакомят с устройством полупроводникового термоэлемента. Показывают термоэлемент в натуре, а затем его изображение на стенной таблице. Отмечают основные части: два полупроводниковых брусочка 1 и 3, различающихся видом проводимости, медную пластинку 2, замыкающую верхние концы брусочков, и П-образные медные пластины-радиаторы 4, предназначенные для отвода тепла и поддержания необходимой разности температур при работе термоэлемента.

Опыт демонстрируют в три приема. Вначале показывают образование термоэлектродвижущей силы в паре проводник-полупроводник с электронной проводимостью. Затем образование термоэлектродвижущей силы в паре проводник-полупроводник, обладающий дырочной проводимостью. И наконец, работу термоэлемента, обе ветви которого представляют собой полупроводники с различной проводимостью.

В первом случае пару составляют полупроводник термоэлемента и медная пластинка, соединяющая верхние концы полупроводников, вместе с медным проводом, идущим к среднему зажиму. При нагревании верхнего спая термоэлемента демонстрационный гальванометр обнаруживает термоток. Величина его пропорциональна разности температур спаев термоэлемента.

Обращают внимание на то, что у электронного полупроводника и у медной пластинки горячие концы заряжаются положительно, а холодные --отрицательно, так как в обеих ветвях термоэлемента основными носителями заряда являются свободные электроны. Но ток во внешней цепи, как показывает гальванометр, идет от медной пластинки к полупроводнику.

Следовательно, холодный конец полупроводника имеет более низкий потенциал, чем холодный конец медной пластинки. Другими словами, разность потенциалов между горячим и холодным концами полупроводника больше разности потенциалов па концах медной пластинки. Результирующее напряжение на зажимах термоэлемента равно разности этих напряжений, так как они действуют навстречу друг другу.

Конструкция полупроводникового термоэлемента



Схема действия термоэлемента: а -- из меди и n-полулроводника; б -- из меди и р-полупроводника

Во втором случае пару составляют верхняя медная пластинка и дырочный полупроводник термоэлемента. Для обнаружения возникающего напряжения к зажимам термоэлемента подключают демонстрационный гальванометр так, чтобы полупроводниковая ветвь термоэлемента была соединена с правым зажимом гальванометра, а медная -- с левым. При нагревании верхнего спая термоэлемента стрелка гальванометра отклоняется вправо, что указывает на обратное направление тока в цепи.

Холодный конец дырочного полупроводника приобрел положительный потенциал, а холодный конец меди по-прежнему зарядился отрицательно. Результирующее напряжение на зажимах термоэлемента равно сумме напряжений в отдельных ветвях.

И наконец, в третьем случае напряжение на зажимах термоэлемента измеряют гальванометром со шкалой «0-15», стрелку которого перед измерением переводят на нуль новой шкалы.

Опыт показывает, что результирующее напряжение на зажимах полупроводникового термоэлемента представляет сумму напряжений на отдельных ветвях, т. е. оно примерно в два раза больше, чем напряжение у термоэлемента, состоящего из меди и полупроводника при той же температуре горячего спая. Медная пластинка, замыкающая горячие концы полупроводников, не оказывает влияния на величину результирующей термоэлектродвижущей силы, так как оба конца ее находятся при одной и той же температуре.

Термоэлектрические явления в полупроводниковом термоэлементе объясняют термодиффузией основных носителей заряда. Для наглядности объяснения можно воспользоваться таблицей 4, где представлена схема его действия. Кружочки со знаком плюс обозначают дырки, а кружочки со знаком минус -- свободные электроны.

При нагревании верхнего спая термоэлемента носители заряда в обоих полупроводниках (электроны и дырки) начинают диффундировать от горячего спая к холодному.

Демонстрация действия полупроводникового термоэлемента

Схема действия полупроводникового термоэлемента

Направление термодиффузии основных носителей заряда показано на схеме стрелками, расположенными около кружочков. Это перемещение зарядов приводит к скоплению зарядов на концах полупроводников: горячий конец дырочного полупроводника заряжается отрицательно, а холодный -- положительно. В электронном полупроводнике картина иная: горячий конец заряжается положительно, а холодный -- отрицательно. Такое распределение зарядов влечет за собой образование внутреннего электрического поля. По мере возрастания этого поля диффузия зарядов от горячего конца к холодному замедляется, что в конце концов приводит к установлению динамического равновесия: потоки зарядов от горячих концов полупроводников к холодным и обратно выравниваются. Возникшая при этом разность потенциалов на зажимах есть термоэлектродвижущая сила термоэлемента.

При объяснении принципа действия полупроводникового термоэлемента следует демонстрировать пятый фрагмент учебного кинофильма «Полупроводники и их применение в технике».

Охлаждение и нагревание контакта двух

полупроводников электрическим током

Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке, 2) термометр электрический демонстрационный, 3) батарея аккумуляторов напряжением около 4 в, 4) реостат на 4 ом, выдерживающий ток до 10 а, 5) выключатель демонстрационный, 6) провода соединительные.

Если через контакт двух полупроводников с разной проводимостью пропустить постоянный электрический ток, то место контакта охладится или нагреется в зависимости от направления тока в цепи. Это явление, названное термоэлектрическим эффектом, не связано с обычным тепловым действием тока и объясняется изменением энергии электронов при прохождении их через границу двух полупроводников.

Термоэлектрический эффект можно показать с помощью термоэлемента, если через него пропустить постоянный электрический ток от внешнего источника.

Для демонстрации опыта собирают установку, как показано на рисунке.



Установка и схема включения термоэлемента для демонстрации охлаждения контакта двух полупроводников электрическим током.

Термоэлемент включают через реостат на 10 а в цепь источника постоянного тока, например батареи аккумуляторов, соединенных параллельно. Если емкость аккумуляторов велика, то можно обойтись и одним аккумулятором. Для демонстрации электрического охлаждения положительный полюс источника тока соединяют с полупроводником, обладающим электронной проводимостью, а отрицательный полюс - с полупроводником дырочной проводимости. Температуру холодного спая термоэлемента контролируют демонстрационным электрическим термометром со шкалой 0--40° С.

Поскольку полупроводники обладают некоторым сопротивлением, то они нагреваются током, что мешает охлаждению и даже может свести этот эффект к нулю. Максимальное охлаждение, которое может дать термоэлемент, получается только при вполне определенной величине протекающего электрического тока, зависящей от конструктивных особенностей термоэлемента. В нашем опыте следует пропускать ток 9--10 а; тогда при температуре окружающего воздуха в 20°С температура холодного спая понижается до 8° С.

Для получения максимального перепада температуры на спаях термоэлемента необходимо не только охлаждать горячий спай, что происходит естественным способом с помощью медных пластин, но и теплоизолировать холодный. Это можно сделать с помощью кусочка ваты или пробки. полупроводник электрический ток транзистор сопротивление

После показа электрического охлаждения изменяют направление тока в цепи. Холодный спай при этом нагревается.

Опыт позволяет сделать вывод: если электрический ток идет от электронного полупроводника к дырочному, то спай охлаждается, при обратном направлении тока -- нагревается.

Схема движения электронов и дырок: а -- в случае охлаждения контакта двух полупроводников электрическим током; б --в случае нагревания контакта

Объяснить эти явления можно следующим образом. В полупроводниках, из которых сделан термоэлемент, основные носители заряда (электроны и дырки) обладают различной энергией, причем энергия свободных электронов электронного полупроводника больше энергии связанных электронов дырочного полупроводника. Поэтому, когда электрический ток идет от электронного полупроводника к дырочному, электроны, переходя в электронный полупроводник, увеличивают свою энергию за счет внутренней энергии контакта полупроводников. Это приводит к его охлаждению. Другими словами, электроны из связанного состояния переходят в свободное состояние, в результате чего образуются пары электрон-дырка, которые под действием внешнего электрического поля движутся в противоположные стороны. На образование пары электрон-дырка требуется некоторое количество энергии, которая заимствуется из запаса энергии контакта полупроводников.

При обратном направлении тока электроны и дырки движутся навстречу друг другу и в месте контакта рекомбинируются. Механизм этого процесса состоит в том, что электроны из свободного состояния переходят в связанное и при этом свою избыточную энергию отдают атомам дырочного полупроводника, что приводит к нагреванию места контакта.

Термоэлектрический способ охлаждения получил практическое применение в различных охлаждающих устройствах: микрохолодильниках для научных целей, термостатах, термоэлектрических гигрометрах и др.

4. Действие полупроводникового фотоэлемента

Оборудование: 1) фотоэлемент полупроводниковый на подставке, 2)г гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) источник постоянного тока напряжением около 1,5 в, 4) реостат на 3000 ом и 0,3 а, 5) лампа электрическая на подставке, 6) шнур электрический с вилкой и провода соединительные, 7) стенная таблица 5--«Фотоэлемент».

Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с устройством полупроводникового фотоэлемента по стенной таблице «Фотоэлемент», где прибор изображен в разрезе.

Конструкция селенового фотоэлемента

Селеновый фотоэлемент представляет собой железную пластинку 2, покрытую топким слоем селена 3, обладающего дырочной проводимостью. На поверхность селена нанесен топкий полупрозрачный слой золота 4. В результате специальной обработки часть атомов золота проникла в селен и образовала в нем тонким слой с электронной проводимостью. На границе двух слоев с различным типом проводимости образовался электронно-дырочный переход.

От железной пластинки и пленки золота (на нее положено контактное кольцо 1) сделаны отводы к металлическим зажимам 6. Фотоэлемент укреплен в круглом пластмассовом корпусе 5. Объясняя устройство вентильного фотоэлемента, следует подчеркнуть его принципиальное сходство с устройством полупроводникового диода: и тот и другой прибор имеют электронно-дырочный переход.

Для обнаружения этого перехода вначале собирают цепь демонстрационного омметра, который применялся раньше в опытах с диодом. Затем в цепь омметра включают затемненный (его закрывают от света) фотоэлемент: один раз -- при одной полярности, второй раз -- при обратной (рис. 200).

По хорошо заметному изменению тока в цепи делают заключение об односторонней проводимости фотоэлемента, т. е. о наличии у него электронно-дырочного перехода.

После этого демонстрируют действие фотоэлемента. Собирают установку по рисунку 201 и при дневном освещении обнаруживают по гальванометру появление слабого тока в цепи. Затем фотоэлемент освещают электрической лампой.



Демонстрация электронно-дырочного перехода у полупроводникового фотоэлемента

Демонстрация действия полупроводникового фотоэлемента

Наблюдают, как по мере приближения лампы к фотоэлементу ток в цепи увеличивается и стрелка гальванометра отклоняется на всю шкалу. При затемнении фотоэлемента ток почти прекращается. Таким образом убеждаются, что полупроводниковый фотоэлемент представляет собой источник тока, в котором энергия света преобразуется непосредственно в электрическую.

Процесс возникновения фотоэлектродвижущей силы объясняют по схеме, представленной на стенной таблице. Под действием света в электронном полупроводнике происходит интенсивное образование свободных носителей заряда, т. е. электронов и дырок, которые, участвуя в тепловом движении, перемещаются в различных направлениях, в том числе и по направлению к электронно-дырочному переходу.

Здесь под действием электрического поля электронно-дырочного перехода происходит разделение диффундирующих к нему зарядов. Дырки, образующиеся в электронном полупроводнике, переходят через запирающий слой в дырочный полупроводник и скапливаются в нем, электроны же остаются в электронном полупроводнике и заряжают его отрицательно.

Таким образом, образовавшиеся пол действием света пары разделяются: электроны накапливаются в электронном полупроводнике, а дырки -- в дырочном.

Одновременно под действием электрического поля электронно-дырочного перехода из дырочного полупроводника в электродный полупроводник движутся электроны. В результате наступает динамическое равновесие между потоком дырок и электронов, В этот момент между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов, которая и представляет собой фотоэлектродвижущую силу фотоэлемента.

Схема действия полупроводникового фотоэлемента

Само собой разумеется, что величина фотоэлектродвижущей силы никогда не может быть больше разности потенциалов электрического поля электронно-дырочного перехода. Поэтому при увеличении освещенности фотоэлемента его э. д. с. вначале возрастает, а затем достигает состояния насыщения. График этой зависимости показан на рисунке.

Далее показывают работу фотоэлемента в фотодиодном режиме с помощью установки, показанной на рисунке.

В цепь демонстрационного омметра включают затемненный селеновый фотоэлемент так, чтобы на его электронно-дырочный переход было подано обратное напряжение (не более 0,2 в). Демонстрационный гальванометр обнаруживает слабый ток, обусловленный движением через электронно-дырочный переход неосновных носителей заряда. Затем освещают фотоэлемент и наблюдают резкое возрастание тока. Величина тока зависит от интенсивности освещения.

Следует обратить внимание на то, что фотоэлемент, работающий в фотодиодном режиме, не является уже генератором тока, а ведет себя подобно фоторезистору, но в сравнении с ним обладает значительно большей чувствительностью к свету. Чувствительность фотодиода, как и фоторезистора, зависит от величины приложенного напряжения.

5. Электронно-дырочные переходы транзистора

Оборудование: 1) транзистор на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) батарея аккумуляторов, 4) реостат на 30000 ом и 0,3 а, 5) провода соединительные, 6) стенная таблица 6-- «Транзистор».