Электрический ток в полупроводниках и электролитах

Конструкция транзистора П14

Устройство транзистора изучается по стенной таблице, где прибор показан в разрезе, а основные детали изображены дополнительно крупным планом.

Транзистор состоит из тонкой монокристаллической пластинки электронного германия 7, в которую с противоположных сторон вплавлены две капли индия 4 и 5 (пластинка германия с двумя каплями индия изображена дополнительно крупным планом).

Атомы индия проникли в электронный германии и изменили вид его проводимости. В пластинке возникли три резко разграниченные области с чередующейся проводимостью: две крайние области (эмиттер и коллектор) имеют дырочную проводимость, а средняя (база) -- электронную проводимость. На границе этих областей образовались два электронно-дырочных перехода: эмиттерный и коллекторный. Каждый переход в отдельности ведет себя как обычный полупроводниковый диод.

Пластинка германия припаяна оловом 3 к кристаллодержателю 2. Вся конструкция заключена в металлический корпус 1. От каждой области германиевой пластинки сделаны выводы. Выводы от эмиттера 9 и коллектора 6 проходят в стеклянных изоляторах 10, а вывод от базы 8 приварен к корпусу транзистора. Последний вывод соединяется с областью базы через кристаллодержатель, приваренный к корпусу транзистора.

Таким образом, транзистор состоит из трех слоев полупроводников, обладающих различным видом проводимости, причем два слоя с одинаковой проводимостью всегда разделяются слоем с другим видом проводимости.

Учащимся сообщают, что в зависимости от чередования слоев транзисторы разделяются на два вида: р-п-р и п-р-п.

Далее показывают наличие в транзисторе типа р-п-р двух электронно-дырочных переходов с помощью демонстрационного омметра, собранного по указанной ранее схеме. Общий вид установки представлен на рисунке.

Вначале в цепь демонстрационного омметра включают эмиттерный переход. Положительный полюс источника тока омметра соединяют с эмиттером, а отрицательный полюс -- с базой. Стрелка гальванометра отклоняется почти на полную шкалу. Это указывает на малую величину сопротивления перехода.

Демонстрация электронно-дырочных переходов транзистора

Затем полярность включения перехода изменяют на обратную. Гальванометр не обнаруживает тока в цепи, что указывает на одностороннюю электропроводность перехода. При этом важно обратить внимание учащихся на полярность напряжения. Далее и цепь омметра включают коллекторный переход транзистора и, меняя полярность включения, обнаруживают одностороннюю электропроводность коллекторного перехода.

Когда базу транзистора соединяют с отрицательным полюсом источника омметра, а коллектор -- с положительным, то коллекторный переход включается в пропускном направлении. При обратной полярности напряжения переход включается в запирающем направлении.

Показанный опыт позволяет сделать вывод о наличии у транзистора двух электронно-дырочных переходов.

Для обоих переходов транзистора типа р-п-р пропускным направлением является такое, при котором к базе подключен отрицательный полюс источника тока, а к эмиттеру и коллектору -- положительный полюс. Транзистор представляет собой как бы два диода, имеющих одну общую область.

Схема включения переходов транзистора в цепь демонстрационного омметра: а --эмиттерного; б -- коллекторного

В этих выводах следует предостеречь учащихся от ошибки представлять себе- транзистор как простую совокупность двух обычных полупроводниковых диодов, включенных .последовательно. Дело в том, что у транзистора ток коллекторного перехода находится в прямой зависимости от величины тока, протекающего через эмиттерный переход. У двух же отдельных диодов при любой схеме их соединения ток в каждом из них зависит только от величины и полярности приложенного к нему напряжения и совсем не зависит от электрического состояния другого диода.

Усилитель тока на транзисторе

Оборудование: 1) транзистор на подставке, 2) лабораторный прибор с транзистором, 3) фотоэлемент селеновый на подставке, 4) батарея аккумуляторов, 5) лампа электрическая на подставке, 6) гальванометры демонстрационные от амперметра -- 2 шт., 7) провода соединительные.

Собирают установку по рисунку 207. Транзистор включают в цепь по схеме с общим эмиттером. При таком способе включения получают большое усиление по току, а схема является аналогом схемы с электронной лампой.

Усиливаемый ток берут от полупроводникового фотоэлемента. Его включают между эмиттером и базой транзистора: положительный полюс соединяют с эмиттером, а отрицательный -- через демонстрационный гальванометр с базой транзистора. При этом эмиттерный переход включается в проходном направлении, и потому он оказывает небольшое сопротивление току фотоэлемента.

Обратное напряжение на коллекторный переход транзистора в схеме с общим эмиттером подается через эмиттерный переход. Поэтому положительный полюс источника тока соединяют с эмиттером, а отрицательный полюс подключают через второй демонстрационный гальванометр к коллектору транзистора.

Сопротивление коллекторного перехода в режиме обратного тока в тысячи раз больше сопротивления эмиттерного перехода, включенного в пропускном направлении. Поэтому все приложенное напряжение падает практически на высокоомном коллектор- ном переходе транзистора. ,

Закончив сборку цепи, зажигают электрическую лампу и постепенно приближают ее к фотоэлементу. При едва заметных отклонениях стрелки первого гальванометра наблюдают отклонения стрелки второго гальванометра почти на всю шкалу. Таким образом, опыт показывает, что коллекторный ток транзистора управляется током базы и находится в прямой зависимости от его величины. Изменение тока в цепи коллектора в десятки раз превышает изменение тока в цепи базы.

Учащимся сообщают, что отношение изменения тока коллектора к

изменению тока базы при постоянном напряжении на коллекторе представляет собой коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Объяснение физических явлений, имеющих место при работе транзистора, дают по рисунку 208, изображенному на стенной таблице.

Когда нет входного сигнала (фотоэлемент не освещается), то начальный ток коллектора очень мал. Это объясняется тем, что коллекторный переход транзистора включен в запирающем направлении и его сопротивление велико.

При освещении фотоэлемента на эмиттерный переход подается прямое напряжение и в цепи эмиттер-база возникает электрический ток. Этот ток называют током эмиттера и обозначают /э. Он в основном состоит из дырок (восемь кружочков со знаками плюс и стрелками вверх), переходящих из эмиттера в базу, и небольшого количества электронов (три кружочка со знаками минус и стрелками вниз), движущихся в обратном направлении -- из базы в эмиттер. Такое распределение со значительным преобладанием дырок объясняется тем, что эмиттер имеет во много раз большее количество дырок, чем база электронов.

Одновременно с инжекцией дырок в базу во внешнюю цепь из эмиттера уходит соответствующее количество электронов (восемь кружочков со знаком минус и стрелками вниз). Уход электронов приводит к образованию в эмиттере новых дырок и потому количество их не убывает.

Впрыснутые же в базу дырки движутся далее к коллекторному переходу. Это движение происходит главным образом в результате избытка их около эмиттерного перехода, а также под действием слабого электрического поля между эмиттером и коллектором транзистора.

За время движения в области базы (тысячные доли секунды) часть дырок успевает рекомбинироваться с электронами базы (рекомбинация показана тремя крестиками). Частичная убыль электронов в базе пополняется притоком их из внешней цепи, т. е. со стороны фотоэлемента, что создает ток, который называют током базы и обозначают /6. Благодаря малой толщине базы (меньше длины диффузионного смещения носителей заряда) и небольшой концентрации в ней свободных электронов большая часть дырок доходит до коллекторного перехода и под действием электрического поля этого перехода втягивается в область коллектора. Здесь дырки рекомбинируются со свободными электронами, приходящими из внешней цепи (рекомбинация показана пятью крестиками). Движение этих электронов есть ток коллектора /к.

Таким образом, если до подачи импульса сопротивление коллекторного перехода, включенного в запирающем направлении, было велико, то, после того как в зону этого перехода проникают впрыснутые эмиттером дырки, сопротивление перехода резко снижается. Это и приводит к увеличению тока в цепи коллектора.

Величина тока коллектора, как это следует из объяснения действия транзистора, немного меньше тока эмиттера за счет рекомбинации части дырок с. электронами базы, но в то же время ток коллектора значительно больше тока базы. Эти токи связаны между собой следующей зависимостью:

Iэ = Iб + Iк

После объяснения принципа действия транзистора учащимся показывают зависимость коллекторного тока от величины напряжения на коллекторе. С этой целью изменяют напряжение источника питания, включая одну, две и, наконец, три банки аккумуляторов. При этом ток базы поддерживают неизменным, регулируя освещенность фотоэлемента. Изменение напряжения на коллекторе, как показывает опыт, почти не меняет величину тока коллектора.

Для уточнения изучаемой зависимости и подготовки учащихся к лабораторной работе «Изучение полупроводникового триода» показывают лабораторный прибор и два графика (рис. 210) из стенной таблицы 6. Графики показывают, что ток коллектора при постоянном значении тока базы (0,05 ма и 0,1 на) практически перестает зависеть от напряжения па коллекторе, начиная с напряжения 0,5--1 в. В связи с этим отмечают, что транзистор может работать при весьма низком напряжении питания, не превышающем 1 в.

Пользуясь выходными характеристиками транзистора, можно ознакомить учащихся с графическим методом определения коэффициента усиления по току, когда транзистор включен по схеме с общим эмиттером. При заданном напряжении на коллекторе по графикам определяют значения коллекторных токов при двух значениях тока базы, а затем берут отношение разности значении токов коллектора к разности значений токов базы и получают коэффициент усиления по току.

На указанной выше таблице приведены еще два графика (рис. 211), на которые также следует обратить внимание. Эти графики выражают зависимость тока базы от напряжения на базе при различных напряжениях на коллекторе (0 и 5 в) и показывают, что ток базы при малых напряжениях теряет линейную зависимость. Это позволяет сделать важный практический вывод: для получения неискаженного усиления на балу транзистора необходимо подавать постоянное напряжение смещения порядка 0,15--0,25 в. Дополнительное смещение увеличивает коэффициент усиления транзистора.

В заключение отмечают достоинства транзисторов: высокий коэффициент полезного действия (до 50%, в то время как у вакуумных ламп он меньше 1%), низкие напряжения питания, отсутствие накальных цепей, малые размеры, большая механическая прочность, надежность в работе, большой срок службы.

6. Сравнение электропроводности воды и растворов соли и кислоты

Оборудование: 1) панелька с двумя электродами, 2) стаканы химические с дистиллированной водой -- 3 шт., 3) соль поваренная и песок сахарный-- 5--10 г, 4) раствор серной кислоты в пробирке, 5) лампа электрическая 15--25 вт, 127 в, на подставке, 6) пипетка, 7) штатив универсальный, 8) палочка стеклянная, 9) провода соединительные, 10) проводник соединительный на изолирующей ручке.

Собирают установку по рисунку. Панельку с двумя электродами из алюминиевой проволоки диаметром 4 мм зажимают в лапке штатива. Электроды соединяют последовательно с лампой накаливания и включают в сеть переменного тока с напряжением 127 в.

Сначала помещают электроды в стакан с дистиллированной водой и обнаруживают, что лампа не светится. Дистиллированная вода не проводит электрический ток. Чтобы убедиться, что на электродах имеется напряжение, соединяют их при помощи проводника на изолирующей ручке. Лампа загорается.

Сравнение электропроводности воды и растворов соли и кислоты

После этого растворяют в воде немного поваренной соли и наблюдают появление свечения лампы, сначала слабое, а по мере добавления соли более яркое.

Затем демонстрируют электропроводность раствора кислоты. Для этого берут другой стакан с чистой дистиллированной водой и, добавляя по каплям из пипетки раствор серной кислоты, демонстрируют, как постепенно лампа начинает светиться все ярче. Опыт показывает, что с увеличением концентрации раствора увеличивается число диссоциированных молекул или ионов, т. е. растет Число носителей электричества.

Однако не все растворенные в воде вещества диссоциируют. Чтобы убедиться в этом, в третьем стакане с дистиллированной водой растворяют 1--2 чанные ложки сахара и наблюдают за лампой, которая в продолжении всего опыта не загорается.

Наконец, демонстрируют слабую электропроводность обычной питьевой воды, в которой всегда имеется небольшое количество растворенных солей.

Движение ионов в электрическом поле

Оборудование: 1) пластинка стеклянная 120x150 мм на штативе, 2) два электрода с пружинящими зажимами, 3) выпрямитель ВУП-1, 4) бумага фильтровальная, 5) электролиты: раствор поваренной соли в плоской кювете и аммиачный раствор хромата меди в пробирке, 6) осветитель для теневой проекции, 7) провода соединительные.

Опыт имеет целью показать одновременное движение как положительно, так и отрицательно заряженных ионов в электрическом поле. Для этого наиболее подходящим электролитом является применяемый проф. Ю. В. Ходаковым аммиачный раствор хромата меди. В растворе эта комплексная соль диссоциирует на положительно заряженные ионы меди темно-синего цвета и отрицательно заряженные ионы кислотного остатка, имеющие желтую окраску.

Если хромата меди нет, то можно приготовить раствор этой соли, как указывает проф. В. Н. Верховский 2. К насыщенному раствору хлорной меди приливают насыщенный раствор хромата калия. Выпадающий осадок растворяют в 25-процентном растворе аммиака, прибавляя его небольшими порциями до исчезновения осадка.

Движение ионов в электрическом поле

Для демонстрации опыта собирают установку по рисунку 220. На стеклянную пластинку 1, укрепленную в лапке штатива, накладывают фильтровальную бумагу 2, смоченную в растворе поваренной соли. Затем берут узкую полоску фильтровальной бумаги (лучше в несколько слоев) и, смочив ее в растворе, комплексной соли, помещают посередине фильтровальной бумаги 3.

Справа и слева па бумаге закрепляют электроды 4 с пружинящими зажимами, которые соединяют с универсальным выпрямителем (зажимы ±250 в).

Включив выпрямитель и установив с помощью ручки потенциометра почти полное напряжение 250 в, обращают внимание учащихся, как от средней полоски, имеющей зеленую окраску, постепенно начинает распространяться в сторону анода желтой полосой отрицательно заряженные ноны, а в сторону катода -- синим фронтом положительно заряженные ионы.

Менее выразительно описанный опыт можно продемонстрировать на той же установке, воспользовавшись распространенными в физических кабинетах растворами медного купороса и двухромовокислого калия;. В этом случае на фильтровальную бумагу, пропитанную раствором поваренной соли, накладывают две узкие полоски фильтровальной бумаги, одну, смоченную в растворе, а другую -- в растворе? Эти полоски поджимают под электроды: с медным купоросом -- у анода, а с двухромовокислым калием -- у катода. При включении напряжения уже через несколько секунд наблюдается перемещение хорошо заметной желтой полосы от катода к аноду и слабо окрашенной синей -- от анода к катоду.

Обращают внимание учащихся, что ширина окрашенных полос, образовавшихся за определенное время наблюдения, не одинаковая; это позволяет сделать заключение о разной скорости движения различных ионов.

Чтобы улучшить условия наблюдения за распространением цветных полос при электролизе, полезно смоченную бумагу на стеклянной пластинке подсветить, воспользовавшись осветителем для теневой проекции. Его можно укрепить на штативе, немного сбоку и снизу, чтобы прямой свет не попадал в глаза учащихся.

7. Изменение сопротивления электролитов при нагревании

Оборудование: 1) панелька с двумя электродами из алюминиевой проволоки, 2) стаканчик химический с подкисленной водой, 3) лампа электрическая 15--25 вт, 127 в на подставке, 4) штатив универсальный, 5) газовая горелка или спиртовка, 6) провода соединительные.

Собирают установку, как изображено на рисунке, и включают ток. Воду в стакане заранее подкисляют (пускают несколько капель серной кислоты) так, чтобы при погружении в нее электродов волосок лампы слегка накаливался.

После этого подставляют под стакан зажженную газовую горелку или спиртовку (при небольшом стаканчике) и наблюдают, как по мере нагревания электролита лампа начинает все ярче светиться.

Таким образом, опыт показывает, что сопротивление электролита с повышением температуры уменьшается (электропроводность увеличивается). Объясняют наблюдаемое явление усилением при нагревании процесса диссоциации и увеличением подвижности ионов вследствие уменьшения вязкости жидкости.

Электропроводность стекла при нагревании

Оборудование: 1) стеклянная палочка или трубка длиной 10 -- 15 см, диаметром 5--7 мм, 2) лампа электрическая 100--150 вт, 127 в на подставке, 3) штатив универсальный, 4) горелка газовая или спиртовка, 5) два куска медной проволоки диаметром 1--1,5 мм, 6) провода соединительные.

Чтобы продемонстрировать электропроводность стекла (твердый электролит) при размягчении, собирают установку по рисунку. На стеклянную палочку плотно навивают в двух местах медную проволоку по 4--5 витков. Между спиралями оставляют пространство в 10--15 мм. Свободные концы проволок соединяют через лампу накаливания с осветительной сетью и обращают внимание учащихся, что лампа при этом не горит. Стекло при обычной температуре является хорошим изолятором.

После этого постепенно прогревают стеклянную палочку в промежутке между навитыми проволоками и доводят ее до красного каления. Обращают внимание, что палочка размягчается (она прогибается под действием собственной тяжести) и лампа начинает светиться, указывая па электропроводность стекла в таком состоянии.

Придерживая свободный конец стеклянной палочки рукой, отставляют горелку. Однако стекло не остывает. Теперь оно разогревается проходящим через пего током. Аккуратно вытягивая или сжимая размягченную палочку, можно поддерживать горение лампы в течение длительного времени.

Электропроводность стекла при его нагревании

Объясняют наблюдаемое явление ионной проводимостью стекла при его расплавлении.

Электролиз подкисленной воды. Законы Фарадея

Оборудование: 1) газовый вольтаметр, 2) амперметр демонстрационный с шунтом на 1 а, 3) часы, 4) соединительные провода, 5) метр демонстрационный, 6) спички.

Газовый вольтаметр (прибор Гофмана), предназначенный для электролиза воды, состоит из трех сообщающихся трубок. Две из них имеют вверху притертые краны 1, а третья -- воронку шарообразной формы 2. Электроды 3 из платинита впаяны внизу трубок, предназначенных для собирания газов. От электродов сделаны выводы к винтовым зажимам, установленным на основании прибора для подключения к источнику постоянного тока.

Через шарообразную воронку наливают в прибор при открытых кранах подкисленную воду (10--15-процентный раствор Н2S04) так, чтобы она заполнила обе трубки до кранов, после чего краны закрывают и подключают прибор через амперметр к источнику постоянного тока -- выпрямителю электрораспределительного щита. На этом заканчивается подготовка прибора.

Устанавливают величину тока приблизительно 0,4--0,5 а и одновременно с включением электрической цепи замечают время по часам. Когда на катоде соберется приблизительно2/3трубки водорода, ток выключают и отмечают время окончания опыта. Обращают внимание, что кислорода на аноде получается в два раза меньше.

Демонстрация электролиза подкисленной воды

После этого исследуют образовавшиеся газы. Осторожно приоткрывая кран, выпускают водород в опрокинутую над краном пробирку. Затем подносят снизу пробирки горящую спичку и сжигают водород, который в смеси с кислородом воздуха образует гремучий газ и взрывается с резким хлопком. Кислород выпускают из крана слабой струей на тлеющую лучинку; она при этом ярко вспыхивает.

После этого повторяют опыт при токе, в два раза меньшем, и убеждаются, что за то же время выделившиеся количества газов уменьшились пропорционально величине заряда, протекшего через электролит.

Сравнивая объемы водорода и кислорода, находят, что выделившиеся массы их относятся как 1:8, что пропорционально их химическим эквивалентам.

При работе с прибором следует иметь в виду, что для более правильного количественного соотношения в объемах получаемых газов необходимо в начале опыта пропустить через прибор небольшой ток, чтобы вода была несколько насыщена кислородом, привести прибор в начальное состояние и после этого производить опыт. По окончании опыта измеряют объемы не сразу, а выжидают некоторое время, чтобы пузырьки газов все поднялись кверху.

Электролиз раствора медного купороса

Оборудование: I) вольтаметр с двумя угольными и медными электродами и раствором медного купороса, 2) батарея аккумуляторов З-НК.Н-10, 3) ванна для проекции на стержне и пстгька к ней с двумя медными электродами, 4) проекционный аппарат, 5) выключатель демонстрационный, 6) ироаода соединительные.

Демонстрация выделения меди на угольном катоде

Сначала показывают учащимся два черных угольных стержня, которые погружаются в водный раствор медного купороса вольтаметра. Затем собирают простую электрическую цепь из вольтаметра, ключа и батареи аккумуляторов. При этом следят за тем, чтобы хорошо было видно присоединение положительного полюса источника тока к одному угольному стержню, а отрицательного -- к другому.

Включают ток на 25--30 сек, после чего вынимают электроды и показывают их учащимся. На катоде хорошо будет виден розоватый налет меди.

Переменив местами электроды на вставке, вновь включают ток. Через короткое время показывают, что электрод, ранее покрытый медью, очистился, а второй покрылся медью.

Поясняют, что металл всегда выделяется на электроде, соединенном с отрицательным полюсом источника тока, т. е. на катоде.

После опыта угольный электрод, покрытый медью, включают в цепь так, чтобы он служил анодом, а в качестве катода вставляют медный электрод. Через некоторое время после замыкания рубильника угольный электрод полностью очищается от меди.

Как один из вариантов описанного опыта можно показать электролиз медного купороса в проекции на экран. Для этого перед конденсором проекционного аппарата устанавливают плоскопараллельную кювету с вставкой, имеющей два медных электрода в виде стержней. В кювету наливают раствор медного купороса и при помощи объектива с оборотной призмой получают на экране четкое прямое изображение, электродов.

Затем подключают к электродам источник постоянного тока (батарею аккумуляторов или выпрямитель от щита) и при помощи реостата устанавливают ток порядка 0,5--1 а. Через небольшое время на экране хорошо видно, как выделение меди на катоде увеличивает его размеры. В то же время анод делается тоньше, а образующийся возле него медный купорос, растворяясь в воде, стекает с электрода вниз тонкой синей струйкой. При перемене полюсов наблюдается обратная картина.

Очевидно, описанным приемом можно показать электролиз и других солей металлов, например уксуснокислого свинца. Раствор приготовляют заранее, чтобы он отстоялся, или добавляют в него для просветления несколько капель уксусной кислоты. Электроды берут свинцовые.

Получив на экране отчетливое изображение электродов, включают ток и наблюдают, как на катоде постепенно нарастают кристаллы свинца в виде причудливого образования («сатурново дерево»).

Размещено на Allbest.ru