МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Лаборатория электричества и магнетизма №2(114)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

СНЯТИЕ АНОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУКЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ И ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Отредактировано: доцент Русских И.Т.

Ижевск 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

СНЯТИЕ АНОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХЭЛЕКТРОДНОЙ ЛАМПЫ

И ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: 1) двухэлектродная лампа, 2) миллиамперметр, 3) универсальный источник питания УИП, 4) ключ.

Двухэлектродная лампа, иначе называется диодом, является простейшей электронной лампой. Она представляет собой небольшой стеклянный баллон М (рис.1), из которого выкачан воздух до давления 10^-6 — 10^-8 мм ртутного столба. Внутри баллона впаяны два электрода. Один из них К – катод, состоит из тонкой вольфрамовой нити и имеет два вывода для накаливания. Второй электрод А – анод представляет обычно цилиндрическую поверхность, расположенную вокруг нити катода. В электрических схемах диод изображается условно, как показано на рис. 2.Нить нарисована в виде дуги, анод – в виде черточки.

Работа двухэлектродной лампы основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия заключается в том, что накалённые проводники излучают в окружающее пространство свободные электроны. Беспорядочно движущиеся электроны, не связанные с атомами, имеются в проводнике и при обычных температурах, но они не имеют достаточного запаса энергии для выхода с поверхности проводника, являясь как бы "полусвободными".

При повышении температуры скорость движения электронов возрастает и может начаться их массовый "выход" подобно тому, как образуется пар с поверхности кипящей воды.

В электронной лампе источником эмиссии служит катод, накаливаемый от источника тока. Количество электронов, выделяемое катодом в каждую секунду, называется током эмиссии. При повышении температуры накала катода ток эмиссии возрастает, а при обычных температурах почти отсутствует. Отмеченные закономерности легко проверить, если к электродам диода подключить источник напряжения 60 – 80 В, а к катоду подключить источник 4 – 6 В для накала нити (рис.2).

При замыкании ключа S₂ тока в цепи диода нет, если ключ S₁ разомкнут (катод не накален). После замыкания ключа К₁, когда катод подогревается, в цепи появляется ток, величина которого зависит от напряжения V_a и температуры накала нити.

Рис. 2

Появление электрического тока объясняется тем, что образовавшиеся около катода свободные электроны устремляются к аноду вследствие наличия поля, создаваемого источником V_a между электродами диода.

Если путём переключения полюсов батареи V_а знаки электродов лампы переменить (вверху минус, внизу плюс), тока в цепи не будет и в том случае, когда нить накалена. Это объясняется тем, что электроны вследствие электростатического отталкивания не будут достигать противоположного электрода. Свойства односторонней проводимости электронных ламп используется для выпрямления переменного тока.

Эмиссионный ток в электронных лампах часто называют анодным током. Зависимость анодного тока от напряжения характеризуется особой кривой, называемой анодной характеристикой. Рациональное использование диода может быть достигнуто только на основе анодной характеристики. Общий вид этой кривой показан на рис.3. На начальном участке ОА ток возрастает медленно, на среднем участке АВ ток возрастает очень быстро и почти пропорционально напряжению, а на последнем участке ВС ток почти не изменяется при возрастании напряжения. Ток, соответствующий участку ВС, называется током насыщения. Остановка роста тока при дальнейшем повышении напряжения V_а объясняется тем, что исчерпывается весь запас электронов, излучаемых катодом за каждую единицу времени. Ток насыщения может быть увеличен только повышением температуры катода.

Целью настоящей работы является снятие анодной характеристики двухэлектродной лампы.

В качестве исследуемой лампы берётся триод 6С19П. Триод в отличие от диода, кроме анода и катода, имеет ещё третий электрод — "сетку". Но в лампе, использующейся в настоящей работе, сетка соединена с катодом. В этом случае триод используется как простой диод.

При выполнении работы следует принять во внимание еще одно обстоятельство. В лампе 6С19П используется оксидный катод. Оксидный катод представляет собой керамический цилиндр, внутри которого пропущена вольфрамовая проволочка, служащая для нагревания катода. Обычно по ней пропускают переменный ток 4 - 6 В. Верхняя поверхность керамического цилиндра покрыта металлической поверхностью, сверху которой нанесён слой окислов стронция, бария и кальция.

Порядок выполнения работы

В настоящей работе в качестве источника напряжения применяется универсальный источник питания УИП-1. Он предназначен для питания анодных, экранных и сеточных цепей радиоустройств стабилизированным напряжением постоянного тока и накальных цепей нестабилизированным напряжением переменного тока.

ПОДГОТОВКА ПРИБОРА К РАБОТЕ

Внешний вид передней панели прибора показан на рис.4:

Рис. 4

Перед включением прибора необходимо переключатели "АНОД"-5 и "сеть"-1 перевести вниз, переключатель поддиапазонов 3 поставить в положение 20 - 150 В, а ручки 4 и 10 плавной регулировки стабилизированного напряжения — в крайнее левое положение. Затем следует заземлить источник питания и присоединить его кабелем к сети. Затем собирается схема, показанная на рис.5.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ:

1. Попросить преподавателя проверить схему.

2. Включить тумблер 1 "сеть" в верхнее положение, при этом загорится сигнальная лампочка. Дать прибору прогреться 5 минут. После прогрева перевести тумблер "анод" 5 в верхнее положение.

Предупреждение: не допускается включение анодного напряжения до прогрева ламп. Тумблер 5 в верхнее положение.

ЗАМЕЧАНИЕ: Перед выполнением пункта 3 упр.1 включить цепь накала лампы к зажимам 8 на две минуты для прогрева катода, а затем быстро (чтобы не остыл катод) переключить, не выключая источник питания, к гнездам 7.

3. Постепенно увеличивая напряжение ручкой 4 через каждые 20 В делать отсчёты силы тока по миллиамперметру и напряжение по вольтметру 2. Таким образом довести напряжение до 200 В.

4. Данные опытов занести в таблицу 1.

Таблица 1

Ua(В)
Ia(А)

5. Построить график зависимости анодного тока I_a(ось х) от анодного напряжения U_a.

УПРАЖНЕНИЕ 2

СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕРМАНИЕВОГО ДИОДА

Для выпрямления переменного тока кроме двухэлектродной лампы часто применяются полупроводниковые диоды. Их малые размеры, отсутствие подогревных катодов, большая продолжительность срока службы — являются преимуществами полупроводниковых диодов.

Чтобы понять принцип действия этих диодов нужно рассмотреть особенности проводимости полупроводников.

Наличие даже небольшого количества примеси в полупроводнике оказывает большое влияние на его проводимость, создавая так называемую примесную проводимость. Некоторые примеси обогащают полупроводник свободными электронами, создавая в нём преимущественную электронную проводимость. Например, если ввести в германий небольшое количество пятивалентного мышьяка, то каждый атом мышьяка войдёт в связь с четырьмя своими внешними электронами с четырьмя соседними атомами германия. Пятый внешний электрон мышьяка окажется лишним, не участвующим в установлении междуатомных связей (рис. 6).

Рис. 6

Под влиянием теплового воздействия или иных воздействий этот электрон легко может стать свободным. В результате германий обогащается свободными электронами, примесная проводимость становится в ней основной. Германий превращается в примесный электронный полупроводник (проводник с проводимостью n-типа).

Другие примеси обогащают полупроводники дырками, создавая в нём преимущественную дырочную проводимость. Такую проводимость создают в германии небольшое количество трёхвалентного элемента, например, индия (рис.6).

Каждый атом индия прочно соединяется тремя своими внешними электронами с тремя соседними атомами германия. Связь с четвёртым атомом германия оказывается непрочной, т.к. у индия нет четвёртого внешнего электрона. Поэтому каждый атом введённого индия создаёт в полупроводнике по одной дырке. Число свободных электронов при этом не увеличивается. Германий обогащается дырками и превращается в примесной дырочный полупроводник (полупроводник с проводимостью р-типа).