Термоэлектрические приборы и их практическое применение

Если электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом или термопарой (рис. 7).

Термопара является простейшим термоэлектрическим прибором. Она представляет собой две проволоки из разных металлов, концы которых спаяны или сварены. Для защиты от внешних воздействий проволоки обычно помещают в тугоплавкий чехол (керамическую трубку).

В измерительной практике получили распространение термопары, характеристики которых показаны в таблице 1.

В технике термопары применяют для контроля и измерения температуры. Если для термопары известна постоянная С и один спай её держать при известной, постоянной температуре (например, Т₂), то по возникающей, измеренной вольтметром, ЭДС можно определить измеряемую температуру Т₁ (формула 16). Третий закон Вольта утверждает, что промежуточные проводники не оказывают существенного влияния на показания термопар. Это дает возможность применять их для дистанционного контроля температуры (в загазованных цехах и т.д.)

 

 

 

Таблица 1

Сравнительная таблица постоянной термопары и рабочего диапазона температур

Для термопар из различных материалов

Материалы термопары	Постоянная , мкВ/К	Рабочий диапазон температур, º С
Медь-константан (40% Ni + 60% Cu)	41,6	(-200) ÷ (+600)
Железо-константан		(-190) ÷ (+800)
Хромель-алюмель		(0) ÷ (+1000)
Платина-платина + 10% родия	6,4	(-140) ÷ (+1600)

Для повышения чувствительности измерительной схемы термопары можно соединять последовательно в термобатареи (рис. 8). ЭДС такой батареи будет равна сумме ЭДС отдельных термопар.

Для измерения энергии теплового излучения применяют термостолбики. Они представляют собой термобатарею из большого числа термопар, расположенных так, что излучение может падать только на четные или нечетные спаи. Термостолбики обладают очень высокой чувствительностью, по сравнением с отдельной термопарой.

Термобатареи представляют интерес и как генераторы электрического тока. Они непосредственно преобразуют тепловую энергию в электрическую. Однако КПД их низок (примерно 0,1%), и поэтому на практике они мало используются. Более высоким КПД обладают термоэлементы, изготовленные не из металлов, а из полупроводников (их КПД имеет величину порядка 6 – 8 %, а постоянная С ≈ 10^-3 В/К).

 

 

 

 

Существуют также термоэлектрические приборы для измерения токов и напряжений. Они представляют собой амперметры или вольтметры в сочетании с термопреобразователем (термопарой или термобатареей). При прохождении тока по проводнику термопреобразователя (рис. 9) в нем выделяется ленц-джоулево тепло, которое нагревает один из спаев термопары, и величину возникшей термо-ЭДС фиксирует прибор. Тепло, выделяемое переменным током, практически не зависит от его частоты, поэтому термоэлектрическими приборами можно измерять в цепях как постоянного, так и переменного тока.

 

 

СХЕМА УСТАНОВКИ

В данной работе опытным путём определяют зависимость термо-ЭДС от разности температур спаев термопары, рассчитывают её постоянную С и отношение концентраций свободных электронов.

По указанию преподавателей работа может выполняться в двух вариантах.

 

Вариант 1. Измерения термо-ЭДС гальванометром

Соберите установку в соответствии с рис. 10.

Согласно закону Ома в замкнутой цепи (рис. 10) ЭДС (в вашем случае термо-ЭДС) равна:

где R - сопротивление гальванометра; r - сопротивление термопары. Гальванометр подбирают с много большим сопротивлением (R>>r), тогда ε=IR, т.е. показания гальванометра в вольтах мало отличаются от измеряемой термо-ЭДС.

 

Порядок выполнения работы

1. Присоедините термопару к гальванометру, запишите начальные значения температур tº₁ и tº₂ и показание гальванометра N₀ в таблицу 2 (столбцы 1,2,4).
2. Включите электроплитку и, нагревая, через каждые 10-20° до температур, указанных на установке (или рекомендуемых преподавателем), запишите показания термометров и гальванометра N_i (При этом следите за температурой холодного спая tº₂ и, если она изменяется, запишите новые значения tº₂ одновременно с tº₁ в таблицу 2.
3. Рассчитайте термо-ЭДС ε_i, ∆tº = tº₁ - tº₂ для каждого измерения и постоянную термопары по формулам: и , где - цена деления вольтметра в вольтах; N_i - показания гальванометра.
4. Постройте график зависимости термо-ЭДС от разности температур спаев ∆tº.
5. Рассчитайте отношение концентраций свободных электронов по формуле (15): ,

= 1,38×10^-23 ; = 1,6×10^-19 Кл.

 

 

Таблица 2

Экспериментальные данные, полученные в ходе выполнения лабораторной работы по варианту 1

t1º С нагр.	t2º С хол.	∆tº C	Ni	β, В	εi, В	C,

 

Вариант 2. Измерения универсальным вольтметром

1. Соберите схему по рис. 10, только вместо гальванометра подключите вольтметр.
2. Запишите в таблицу 3 начальные показания tº₁, tº₂ и ε_i.

Таблица 3

Экспериментальные данные полученные в ходе выполнения лабораторной работы по варианту 2

t1º С нагр.	t2º С хол.	∆tº C	εi, В	C,

1. Включите печь и через каждые 6-10° (всего 5-6 измерений) измерьте новые значения tº₁ печи и соответствующие значения термо-ЭДС ε_i. Данные запишите в таблицу 3.
2. Определите ∆tº = tº₁ - tº₂ для каждого измерения.
3. По формуле (16) вычислите постоянную термопары С для каждого ∆tº.
4. Рассчитайте среднее значение С_ср и среднеквадратичную ошибку измерений σ. Запишите результат в виде

С = (С_ср ± σ) .

1. По формуле (15) вычислите отношение концентраций свободных электронов и запишите в таблицу 3.
2. Постройте зависимость термо-ЭДС от ∆tº.

УИРС. Определение чувствительности термостолбика

Термостолбик представляет собой батарею из 50 термопар, соединенных последовательно. Корпус, в котором помещается термобатарея, имеет с лицевой стороны окно для доступа теплового потока. Просвет окна может регулироваться при помощи задвижек.

С целью увеличения поверхности нагрева и уменьшения тепловой инерции термопары составлены из тонких ленточек нихрома и константана.

Рабочие спаи термопар находятся посредине окна с лицевой стороны, холодные спаи расположены и закрыты с противоположной стороны.

Конусная насадка предназначена для концентрации направленного на термостолбик потока излучения.

 

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с устройством термостолбика и подключите его к измерительному прибору вместо термопары, соблюдая полярность, как указано на установке.
2. Просвет окна к термобатарее установите около 1 см.
3. Поднесите руку к конусной насадке или поверните её в сторону аудитории и убедитесь, что термостолбик имеет высокую чувствительность к тепловому излучению.
4. Соберите цепь: маломощная лампочка, амперметр, вольтметр, источник питания. Поместите лампочку от окна термостолбика на расстоянии , указанном на установке (или преподавателем), установите накал лампочки по амперметру и вольтметру (запишите их показания). Направьте свет лампочка на окно вольтметра, зафиксируйте величину термо-ЭДС столбика, когда рост его показаний прекратится.
5. Рассчитайте мощность Р_Л излучения лампочки по току и напряжению (при этом пренебрегаем потерями энергии на нагревание самой лампочки и окружающего воздуха).
6. Определите мощность Р_Т излучения, попадающего на окно термостолбика, как отношение , где S_T - площадь окна термостолбика; S = 4πR². Значения S_T и R указаны на установке.
7. Определите чувствительность термостолбика как отношение .

Оформление отчета

Отчет содержит таблицу с результатами, графики зависимости термо-ЭДС от ∆tº, расчёт погрешности, .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется работой выхода электрона из металла?
2. Контактная разность потенциалов, причины её возникновения.
3. Постройте и обсудите зонную энергетическую диаграмму контакта двух металлов.
4. Законы Вольта.
5. Что такое термо-ЭДС? Как она возникает, от чего зависит? Явление термоэлектричества.
6. Каков физический смысл постоянной термопары? От чего она зависит? Методика её определения.
7. Термоэлектрические приборы и их практическое применение.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Шалимова К.В. Физика полупроводников. 2 изд., М.: Энергия, 1976
2. Верещагин И.К. и др. Физика твёрдого тела. М.: Высшая школа, 2001
3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высш. шк., 2000
4. Трофимова Т.И. Курс общей физики. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2000.
5. Рымкевич П.А., Курс физики. М.: Высш. шк., 1975.

 

 

РАБОТА № 59

 

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД

Цель работы. Изучение физических явлений, происходящих в туннельном диоде, наблюдение вольтамперной характеристики и определение основных параметров туннельного диода.

ВВЕДЕНИЕ

Изучение физических свойств полупроводников способствовало появлению и быстрому развитию полупроводниковой электроники и, в частности, радиоэлектроники, оптоэлектроники, вычислительной техники, автоматики, СВЧ-техники и т.п..

В достаточно большом ряду полупроводниковых приборов туннельный диод занимает особое место. Отличительной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) участка с отрицательной дифференциальной проводимостью (или отрицательным дифференциальным сопротивлением). Такая форма характеристики позволила использовать туннельные диоды для генерации электрических колебаний (до частот порядка Гц).

Важной характеристикой полупроводниковых диодов является их быстродействие, т.е. способность быстро реагировать на изменение внешнего напряжения. Туннельный диод явился одним из первых приборов, который имеет очень высокую скорость переключения, порядка наносекунд ( 10^-10 с). Поэтому они с успехом используются в импульсных схемах цифровых вычислительных машин, а также для детектирования (выпрямления).

Туннельный диод является базовым элементом многих полупроводниковых приборов. Это обусловлено физическими свойствами, которые связаны с квантово-механическим эффектом туннельного прохождения электронов через тонкий потенциальный барьер р—n перехода. Таким образом, туннельный диод представляет собой пример практического инструмента квантовой механики в современной технике.

Туннельный диод - это изготовленный из сильно легированных полупроводников диод, в котором туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви вольтамперной характеристики участка отрицательной дифференциальной проводимости (отрицательного дифференциального сопротивления). Основой туннельного диода так же, как и обычного полупроводникового диода, является электронно-дырочный переход (р—n переход). Однако у туннельных диодов уровень Ферми Е_F находится не в запрещенной зоне, а в валентной зоне для p-области и в зоне проводимости для n-области диода.

Уровнем Ферми называется энергетический уровень, вероятность заполнения которого при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 0,5. Уровень Ферми лежит в запрещенной зоне при относительно слабом легировании, примерно до 10¹⁷ атомов/см³. Перемещение уровня Ферми из запрещенной зоны в разрешенную у различных полупроводниковых материалов происходит при разной степени легирования примесей и зависит от вида легирующей примеси. Например, для германия (Ge) при комнатной температуре степень легирования должна быть не ниже 2*10¹⁹ атомов/см³; для кремния (Si) - не ниже 6*10¹⁹ атомов/см³; вырождение арсенида галлия (GaAs) наступает при легировании примесей ~10¹⁸ атомов/см³.

Энергетическая зонная диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, показана на рис. 1.а, из которого следует, что при внешнем напряжении равном нулю валентная зона р-области частично перекрывается с зоной проводимости n-области. На границе p- и n-областей образуется тонкий потенциальный барьер, толщиной около 10 см. Из квантовой механики известно, что существует отличная от нуля вероятность проникновения микрочастиц сквозь тонкие потенциальные барьеры. Эта вероятность зависит от высоты и ширины потенциального барьера.

Принцип работы туннельного диода основан на т.н. туннельном эффекте. Туннельным эффектом называется отличная от нуля вероятность того, что микрочастица, обладающая энергией ниже высоты потенциального барьера, оказывается за ним (проходит сквозь барьер) или микрочастица с энергией ниже высоты барьера отражается от него. В туннельном диоде благодаря наличию потенциального барьера малой толщины (тонкий потенциальный барьер) становится возможным прохождение (туннелирование) электронов из области п- в p-область (поток 2, рис.1) и из p- в n-область (поток 1, рис.1). Поток 2 создает прямой ток, поток 1 - обратный. При отсутствии внешнего поля (туннельный диод находится в состоянии термодинамического равновесия) эти потоки равны, поэтому равен нулю и результирующий ток через переход. Качественное описание происхождения ВАХ туннельного диода можно свести к следующему.

Если к p-n-переходу приложить напряжение в прямом направлении (плюс источника напряжения - на р-область), то перекрытие зон уменьшится (рис.1а, а потом б). На одной энергетической высоте окажутся часть заполненных электронами уровней в зоне проводимости n-полупроводника и часть свободных от электронов уровней валентной зоны p-полупроводника. Увеличится, таким образом, вероятность перехода электронов из n-полупроводника в p-полупроводник, поток 2 будет превышать поток 1 и в переходе возникнет прямой ток i. С ростом напряжения U ток будет увеличиваться до тех пор, пока дно зоны проводимости n-области не будет располагаться на одной высоте с уровнем Ферми p-области (рис. 1в), при этом ток достигает своего максимального значения . При дальнейшем увеличении напряжения прямой ток будет уменьшаться, так как вероятность туннельного перехода электронов пропорциональна числу свободных уровней в валентной зоне и числу заполненных уровней в зоне проводимости, расположенных друг против друга (рис. 1г). При некотором напряжении дно зоны проводимости будет расположено на одном уровне с потолком валентной зоны, при этом туннельный ток будет равен нулю (рис. 1д). Одновременно будет течь небольшой диффузионный ток, как в обычном диоде (на рисунке 1е указан пунктиром).

 

 

 

При дальнейшем увеличении напряжения этот ток будет возрастать (рис.1е) по закону:

 

, (1)

 

где i_s -ток насыщения, включающий электронную и дырочную составляющие; e -величина элементарного заряда;

U - напряжение, приложенное в прямом направлении:

T - температура; k - постоянная Больцмана.

 

Ток i_d связан с диффузией быстрых электронов и дырок и их проникновением в другую часть перехода через потенциальный барьер (см. рис. 1д, е ). При данном U этот ток растет с увеличением температуры. Туннельные же токи слабо зависят от температуры. На рис.1е пунктирной кривой, переходящей в сплошную, показана прямая ветвь ВАХ, соответствующая диффузионному току i_d[1].

 

На рис. 2 приведена полная ВАХ туннельного диода. Особенностью этой характеристики является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (от точки с координатами i_п, U_п до точки с координатами i_в, U_в). Пунктирной кривой обозначен туннельный ток. Минимальное значение тока i ВАХ объясняется наличием диффузионных токов, так как туннельный ток в этой области ВАХ близок к нулю. Обратная ветвь ВАХ туннельного диода также имеет характерную особенность: в отличие от обычных диодов обратный ток туннельного диода резко возрастает с увеличением напряжения. Это также, объясняется туннельным эффектом.

При отрицательном смещении на переходе диода перекрытие зон возрастает (см. диаграмму энергетических зон на рис. 2), и значительно увеличивается вероятность туннельного перехода электронов из p-области в зону проводимости n-области. Вероятность же туннельного перехода электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области уменьшается до нуля, так как в валентной зоне соответствующие уровни заполнены.

Рис. 2. Зонная энергетическая диаграмма и вольт-амперная характеристика диода

При подаче на туннельный диод внешнего поля высота потенциального барьера р—n -перехода диода изменится на величину

 

, (2)

где E_Fn — уровень Ферми в полупроводнике п- типа,

E _p —уровень Ферми в полупроводнике p-типа.

 

Туннельный диод используется для генерации и усиления электромагнитных колебаний, в переключающих схемах и т.п. Промышленность выпускает туннельные диоды из арсенида галлия и германия. Возможности технического применения туннельных диодов в радиоэлектронных схемах связаны со следующими параметрами (см. рис. 2):

i - максимальный ток - прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором значение di/dU равно нулю. Численное значение этого тока различно для туннельных диодов разного назначения (разных типов). Величина его колеблется от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер;

i_в – минимальный ток - прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение di/dU также равно нулю;

i_п/i_в - отношение максимального тока к минимальному току; для туннельных диодов из арсенида галлия i_п/i_в 10; для германиевых туннельных диодов i_п/i_в = 3 6;

U - прямое напряжение, соответствующее максимальному току; для туннельных диодов из арсенида галлия Uп = 100 - 150 мВ;

для германиевых Uп=40 - 60мВ;

U - прямое напряжение, соответствующее минимальному току;

для туннельных диодов из арсенида галлия Uв = 400 500 мВ;

для германиевых Uв=250 300мВ;

Uрр — напряжение раствора - прямое напряжение, большее напряжения U , при котором ток равен максимальному;

r =dU/di — отрицательное дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току на падающем участке ВАХ диода).

Интересны также такие параметры, как удельная емкость, резонансная частота туннельного диода и др., но их измерение и вычисление не входит в данную работу.

Параметры туннельного диода зависят от физических свойств исходного полупроводникового материала, от концентрации примесей и ее распределения и т.п. Например, чем больше ширина запрещенной зоны исходного полупроводника, тем при больших напряжениях наблюдается отрицательное дифференциальное сопротивление.

 

Приборы и принадлежности. Осциллограф С1-5; звуковой генератор (например ГЗ-ЗЗ); туннельные диоды (германиевые или из арсенида галлия).