Контрольные вопросы

1. Закон Ома для участка цепи и для полной цепи.

2. Работа и мощность электрического тока.

3. Зависимость полезной, полной мощности и КПД электрической цепи от тока в цепи (от сопротивления внешней цепи), графическая интерпретация этих зависимостей.

4. Условия получения максимальной полезной мощности во внешней цепи и максимального КПД.

В выводах по работе необходимо сравнить полученные экспериментальные кривые с аналитическими теоретическими зависимостями. Следует пояснить, также, при каких условиях невозможно снять большую часть кривой зависимости полезной мощности от тока.

Литература

1. Г.А. Зисман, О.М. Тодес. Курс общей физики, том 11, «Наука», 1972 г.

2. С.Г. Калашников. Электричество, «Наука», 1964 г.

3. И.В. Савельев. Курс общей физики, том 11, «Наука», 1970 г.

Лабораторная работа № 14

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: ознакомление с работой полупроводникового диода и снятие вольт - амперных характеристик для прямого и обратного направления токов.

Приборы и принадлежности: полупроводниковые диоды, реостаты, миллиамперметр, микроамперметр, вольтметры с различными пределами измерения и источники постоянного направления.

Краткая теория

Вещества, у которых проводимость обусловлена свободными электронами, подразделяются на две группы: проводники и полупроводники. К проводникам относятся металлы, для которых характерна независимость концентрации свободных электронов от температуры. К полупроводникам относятся вещества, у которых концентрация носителей заряда увеличивается с ростом температуры. Полупроводниками являются химические элементы: германий, кремний, селен, теллур и др. Окислы: закись меди, окись цинка и др., сульфиды: сернистый свинец, цинковая обманка и др.

Элементарный процесс проводимости полупроводников, например, германиевых, по электронной теории состоит в следующем.

В кристаллической решетке германия каждый атом имеет четырех ближайших соседей. На рис. 1 каждый кружок больших размеров со знаком «+» обозначает ядро и внутренние электронные оболочки атома, малые зачерненные кружки - валентные электроны (у каждого германия их четыре). Валентные электроны одного атома взаимодействуют с одним из электронов другого (соседнего) атома.

Вследствие этого может происходить обмен электронами между атомами. Наличие «обменных» сил означает существование связи между двумя валентными электронами соседними атомов (парная связь). Она получила название валентной (гомополярной связи). Валентная связь на рис. 1 обозначена параллельными черточками.

При температурах, близких к абсолютному нулю в кристаллической решетке германия все валентные электроны участвуют в образовании связи между атомами, а свободных электронов нет.

Рост температуры приводит к нарушению ряда валентных связей и некоторые электроны становятся свободными, получая избыточную энергию они удаляются от иона или, как принято говорить переходят в зону электронной проводимости. Так как эта зона у большинства атомов не занята, такие электроны приобретают возможность свободно перемещаться в пространстве.

Рис.1. Рис.2

Всякий разрыв валентной связи приводит к появлению вакантного места с соответствующей связью. Такие места получили название «дырок».

На рис. 2 изображение нескольких свободных электронов Е и «дырок» Д. Так как валентный электрон переместился от своего атома; в области вакансии (дырки) имеется избыточный положительный заряд. Поэтому «дырку» можно условно считать положительно заряженной.

При наличии электрического поля в полупроводнике имеет место упорядоченное движение свободных электронов против поля (электронная проводимость), а так же упорядоченное перемещение «дырок», что эквивалентно перемещению положительных зарядов в направлении поля (дырочная проводимость).

Проводимость химически чистых полупроводников, называемая собственной, в равной мере является как электронной, так и дырочной.

Наибольшее распространение получили так называемые примесные полупроводники, в которых за счет небольших примесей осуществляется преимущественно либо электронная проводимость, обозначаемая как проводимость n - типа, либо дырочная проводимость, обозначаемая как проводимость р - типа.

В примесном электронном полупроводнике примеси обеспечивают избыток свободных электронов, в дырочном - избыток дырок.

Для целей выпрямления переменных токов используется как двухэлектродные лампы, получившие название диодов, так и полупроводниковые диоды.

Односторонняя или униполярная проводимость полупроводникового диода обуславливается р-n переходом, представляющим собой область с нарушенной однородной структурой между двумя областями совершенной структуры однородного полупроводника. Подобный р-n переход осуществляется введением специальных примесей при изготовлении полупроводников.

Процесс униполярной проводимости полупроводникового диода по электронной теории может быть представлен так:

а) б) в)

Рис.3

Когда электрическое поле отсутствует, то в Р - зоне (рис. 3) имеется преимущественно дырки условно изображенные не зачерченными кружками, а в N - зоне - электроны. Если наложено электрическое поле (рис. 3б) в направлении р-n (пропускное направление), то через проводник идут значительный ток, вызванный перемещением как «дырок» Р - зоны. Так и электронов N - зоны.

Если же наложено электрическое поле (рис. 3 в) в направлении n-р (не пропускное напряжение), то поле стремится оттянуть от границы как электроны, так и «дырки». Ток, проходящий через полупроводник, весьма мал.

Рассмотренная картина проводимости полупроводника и его униполярных свойств имеет весьма условный характер. Поведение электронов в полупроводниках более строго описывается зонной теорией твердого тела, развитой в квантовой механике.