Пятигорский филиал гбоу впо волггму

                                                             

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ

В.Т. Казуб, Р.А. Водолаженко, Е.В. Соловьёва

 

ФИЗИКА

Часть II. Электромеханика

Учебное пособие для студентов 1 и 2 курсов

по дисциплинам С2.Б.2 - «Физика» и

С3.В.ОД.3- «Физические основы технологических

процессов и методов фармацевтического анализа»

(очная и заочная форма обучения)

 

Пятигорск, 2013

УДК 621.317 (075.8)

ББК 22.2я73+31.2

  К 14  

 

 

В.Т. Казуб, Р.А. Водолаженко, Е.В. Соловьёва

 

Рецензенты:

Доктор физико-математических наук, профессор кафедры физико-математических дисциплин филиала СКФУ в г. Пятигорске Янукян Э.Г.

Профессор кафедры информационных технологий, математики и средств

дистанционного обучения ПГЛУ Киселёв В. В.

 

К 14 Физика. Часть II. Электромеханика: учебное пособие для студентов

очного и заочного отделений/В.Т. Казуб [и др.] - Пятигорск:

Пятигорский филиал ГБОУ ВПО ВолгГМУ, 2013. – 99 с.

 

 

 

Учебное пособие составлено в соответствии с программой по физике для студентов очных и заочных отделений фармацевтических вузов,  разработано на кафедре физики и математики, для подготовки и проведения занятий в физических лабораториях при выполнении экспериментальных работ по электромеханике.

Данное пособие содержит лекционную информацию, задания для самостоятельной работы студентов и контрольные вопросы для проверки готовности студентов к занятиям.

Печатается по решению ЦМК Пятигорского филиала ГБОУ ВПО ВолгГМУ.

 

 

УДК 621.317 (075.8)

ББК 22.2я73+31.2

 

 

 

Содержание

 

Работа № 9. Полупроводники. Вольтамперная характеристика диода…....6

Работа № 10. Изучение дисперсии электропроводности живой ткани. 21

Работа № 11. Аналитические весы. Методы взвешивания. 33

Работа № 12. Методы интенсивной экстракции. 51

Работа № 13. Радиометрия. 63

Работа № 14. Изучение электронно-лучевой трубки и электронного осциллографа 82

Список рекомендуемой литературы.. 98

 

 

 

 

РАБОТА № 9. ПОЛУПРОВОДНИКИ. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА

 

Актуальность работы:

Свойства полупроводников широко используются для изготовления полупроводниковых диодов. В основе принципа действия полупроводникового диода лежат физические закономерности так называемого «р»-«n» перехода.

Цель работы:  

- ознакомиться со строением полупроводников;

- изучить за­висимость прямого и обратного токов от величины напряжения;

- построить вольтамперную характеристику диода;

- построить график зависимости сопротивления диода от напряжения;

- совершенствовать практические навыки работы с измеритель­ной аппаратурой.

Целевые задачи:

знать: закон Ома,полупроводники (особенности электронного строения, зонная теория электропроводимости), полупроводниковый диод и его свойства, «р»-«n» переход, прямой и обратный ток.

уметь: определять цену деления приборов, измерить и построить вольтамперную характеристику диодов.

  План подготовки конспекта:

1. Основные теоретические сведения (цель, приборы и принадлежности, ответы на вопросы к входному тестированию).

2. Выяснить, что измеряется в лабораторной работе, какими приборами, построить вольтамперную характеристику диода, повторить нахождение цены отчёта.

2. Подготовить таблицу.

3. Записать расчётную формулу.

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1. Что называется удельным сопротивлением?

2. Как классифицируются вещества в зависимости от их удельного сопротивления?

3. Как зависит сопротивление полупроводников от температуры?

4. Какие бывают носители тока в полупроводниках?

5. Что называют энергетической зоной? Какие бывают зоны?

6. Чем отличаются энергетические диаграммы у проводников, полупроводников и диэлектриков?

7. Что такое примесная проводимость?

8. Как получить полупроводники «n» и «р» -типа?

9. Как зависит величина обратного тока от температуры?

10. Что называется вольтамперной характеристикой диода?

Теоретические сведения.

Сопротивление куба вещества с ребром 1 м, измеренное между противоположными гранями, называется удельным сопротивлением r. Единица измерения - Ом×м. Для металлов r ~ 10 ^{- 8} Ом×м, для диэлектриков, иначе именуемых изоляторами, эта величина достигает 10 ¹³ Ом×м. Слово «изолятор» означает вещество, которое очень плохо проводит электрический ток, т.е. «изолирует» действие электрического тока. Согласно закону Ома сопротивление  где U - напряжение на этом участке; I - ток в цепи. Сопротивление цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сечения S равно:

.

Сопротивление проводников зависит от их температуры:

где R ₀ - сопротивление при температуре, равной начальной t ₀ ⁰ С; a - температурный коэффициент сопротивления; t ⁰ – конечная температура; .

Для металлов a >0. Для электролитов и диэлектриков a< 0, с ростом температуры сопротивление последних падает.

Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, по величине удельного сопротивления, занимают вещества называемые полупроводниками. Особый интерес представляют твердые полупроводники - германий, кремний, селен и др., а также химические и интерметаллические соединения типа PbS, I и Sb, GaAS, CdS и другие. Как и у металлов, проводимость этих веществ обусловлена перемещением электронов. Однако состояние электронов в проводниках и полупроводниках существенно различается, о чем свидетельствует зависимость сопротивления полупроводников от температуры. С ростом температуры сопротивление полупроводников уменьшается. Причем влияние температуры сказывается у полупроводников гораздо сильнее, чем у проводников.

Для объяснения этого свойства полупроводников рассмотрим особенности их электронного строения.

    При низких и нормальных температурах в полупроводниках имеется небольшое число свободных электронов, не связанных с атомами. Именно эти электроны являются носителями тока в полупроводниках. Их называют собственными носителями. Собственных носителей в полупроводниках очень мало, поэтому их сопротивление велико, а проводимость называемая собственной, также мала.

Основную долю электронов в полупроводниках составляют электроны, связанные с атомами. С ростом температуры кинетическая энергия связанных электронов возрастает и они могут стать свободными. В результате сопротивление полупроводника уменьшится.

В металлах число свободных электронов не меняется, зато рост температуры усиливает колебания ионов, что ведет к росту сопротивления.

Для более глубокого понимания деления веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики ознакомимся с элементами зонной теории электропроводности.

Согласно квантовой механике, в изолированном атоме энергии связанных электронов не могут иметь произвольные значения. Эти энергии образуют определенный набор дискретных (прерывистых) значений, которые называются энергетическими уровнями (рис. 9.1).

 

Рис. 9.1. Энергетические уровни электронов

 

В кристаллических телах из-за наличия периодического расположения атомов в кристаллической решетке возникает периодическое электрическое поле (рис. 9.2).

 

Рис. 9.2. Периодическое электрическое поле в кристаллических телах

 

Поэтому энергетические состояния электронов зависят как от взаимодействия с ядром своего атома, так и от взаимодействия с электрическим полем кристалла.

В результате взаимодействия уровней, обладающих равной энергией, но принадлежащим к разным атомам, эти уровни расщепляются, образуя энергетическую зону.

Если N - общее число атомов твердого тела, то энергетическая зона, образовавшаяся из энергетического уровня валентного электрона, состоит из N близко расположенных уровней. На каждом энергетическом уровне, в силу «принципа запрета» Паули, может находится не более двух электронов. Эти уровни называются разрешенными энергетическими зонами и отстоят друг от друга примерно на 10 ^{- 2} эВ. 1 электрон вольт это энергия, которую приобретает электрон (заряд электрона e = 1,6×10^-19 Кл) при прохождении разности потенциалов U=1 Вольт. W=e×U; 1 эВ=1,6×10^-19×1 = 1,6×10^-19 Дж.

Разрешенные энергетические зоны (рис. 9.3) разделены зонами запрещенных значений энергии электронов, т.е. такими значениями, которыми электрон обладать не может. Разрешенные зоны могут заполняться электронами различным образом.

Рис. 9.3. Разделение энергетических зон

 

Электроны могут переходить из одной разрешенной зоны на свободный уровень другой. Для перехода из нижней зоны 1 в верхнюю 2 нужно затратить энергию, равную ширине запрещенной зоны (DW), расположенной между 1 и 2 уровнями (см. рис. 9.3).

Если для движения в зоне нужна очень малая энергия порядка (10 ^-4-10^{- 8}) эВ, то для переходов между зонами нужна энергия в несколько электрон-вольт. Различия в электрических свойствах твердых тел объясняются как различным заполнением электронами разрешенных зон, так и их шириной.

На следующих рисунках (9.4, 9.5, 9.6) с позиции зонной теории представлены графики расположения энергетических зон для проводников, полупроводников и диэлектриков.

 

Рис. 9.4. Энергетические зоны проводников

 

 

Рис. 9.5. Энергетические зоны диэлектриков

 

Рис. 9.6. Энергетические зоны полупроводников

 

    Совокупность энергетических уровней валентных электронов, связанных с атомом, называется валентной зоной.

    Зона проводимости - совокупность энергетических уровней свободных электронов (электронов проводимости).

У диэлектриков зона проводимости почти не заполнена электронами (тогда как валентная зона полностью заполнена валентными электронами). Для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, электронам нужно получить извне высокую энергию (это видно по ширине запрещенной зоны), поэтому в нормальных условиях диэлектрики не проводят электрический ток.

    У проводников запрещенная зона вообще отсутствует, (рис. 9.4, т.к. валентная зона и зона проводимости перекрываются), поэтому электроны легко переходят в зону проводимости, что и обусловливает их низкое сопротивление протеканию тока.

    У полупроводников ширина запрещенной зоны невелика, что объясняет их особые свойства.

    Рассмотрим типичный полупроводник элемент IV группы таблицы Менделеева - кремний, у которого атомы кристалла связаны ковалентной связью. Вокруг каждого атома в кристалле образуется замкнутая оболочка из валентных электронов (рис. 9.7).

    Устойчивая электронная оболочка ковалентных связей состоит из 8 электронов. Даже при комнатной температуре энергия отдельных электронов достаточна для перехода из валентной зоны в зону проводимости. При таком переходе в ковалентных связях образуются пустые места или «дырки» (рис. 9.7). Поскольку на месте «дырки» положительный заряд не компенсируется (раньше здесь находился электрон), для наглядного объяснения происходящих явлений дырке приписываются свойства положительной частицы. Действительно, если данная дырка заполняется при попадании в неё свободного электрона, то она (дырка) как бы переместится на прежнее место электрона. Это явление похоже на пересаживание зрителей в кинотеатре: зрители (электроны) садятся в пустые кресла (дырки), причем перемещение зрителей и пустых кресел происходит хаотически.

Процесс заполнения дырки электроном называется рекомбинацией. При фиксированной температуре скорости рекомбинации и появления новых электронно-дырочных пар равны, поэтому наступает равновесие. Это равновесие носит динамический характер, подобно равновесию химической реакции.

Рис. 9.7. Строение полупроводника

 

    Итак, собственная проводимость полупроводника обусловлена двумя типами переносчиков тока: электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне. Проводимость, обусловленная движением электронов, называется проводимостью «n» - типа (от первой буквы «negative» - отрицательный). Дырочная проводимость - это проводимость «р» - типа (от «positive» - положительный).

    Наряду с собственной проводимостью полупроводники обладают примесной проводимостью, связанной с наличием в них примесей, в частности, атомов или ионов посторонних элементов. Примеси искажают периодическое электрическое поле в кристалле, влияют на движение электронов и их энергетическое состояние. Если к чистому кремнию искусственно добавить некоторое количество элемента V группы (например, сурьмы или мышьяка), то при образовании ковалентной связи останутся «лишние» электроны, т.е. к 4 электронам кремния добавятся 5 электронов примесного атома.

    Электрические уровни таких электронов находятся очень близко к зоне проводимости и поэтому электроны легко туда переходят (рис. 9.8).

    Эти уровни называют донорными, а соответствующие примеси - донорными примесями. Образующаяся проводимость полупроводника называется электронной примесной проводимостью или примесной проводимостью «n» - типа. Подобные полупроводники называют полупроводниками «n» - типа.

Рис.9.8.

 

Если к чистому полупроводнику (Si) добавить атомы элементов III группы (индий или галлий), то при образовании ковалентной связи электронов не будет хватать, в результате в кристалле возникнут незаполненные места - вакансии. При переходе электронов с соседних атомов на эти вакантные места, в этих атомах образуются «дырки». Энергетические уровни таких атомов, называемые акцепторными уровнями, находятся очень близко к валентной зоне (рис. 9.9).

Рис. 9.9.

 

При переходе электронов из валентной зоны на уровень акцепторов в ней образуются новые дырки. В результате валентная зона становится зоной проводимости для дырок.

Указанные примеси называются акцепторными, а образующаяся проводимость - дырочной примесной проводимостью или примесной проводимостью «р» - типа. Подобные полупроводники называют полупроводниками «р» - типа.

в полупроводниках «n» - типа электроны являются основными носителями заряда, а основными носителями заряда в полупроводниках «р» - типа будут дырки. Для полупроводников «n» - типа дырки, а для «р» - типа электроны являются не основными носителями заряда.   

Концентрация основных носителей (электронов в «n» - полупроводнике и дырок в «р» - полупроводнике) в 10³-10⁴ раз больше концентрации не основных носителей.

Свойства полупроводников широко используются для изготовления полупроводниковых диодов. В основе принципа действия полупроводникового диода лежат физические закономерности так называемого «р»-»n» перехода.

Соединим вместе полупроводники р и «n» типа. Ясно, что дырки из «р» - области устремятся навстречу электронам «n» - области и начнется взаимный переход, сопровождающийся рекомбинацией электронов и дырок (рис. 9.10).

Рис. 9.10. Рекомбинация электронов и дырок на границе раздела

полупроводников

 

Однако ни дырки, ни электроны не могут далеко уйти от границы раздела полупроводников, так как они притягивают друг друга (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Образование «р-n» перехода

 

Поэтому на этой границе образуется очень тонкий слой заряженных частиц, называемый «р-n» переходом, который изменит первоначальное направление электрического поля Е₀.

 «р-n» переход препятствует переходу дырок из области «р» в область «n» и обратному переходу электронов. Это явление легко пояснить, если привлечь к рассмотрению направление вектора напряженности электрического поля Е₀ (рис. 8.12).

 

Рис. 9.12. движение электронов и дырок

 

«Дырки» следуют по направлению электрического поля, а электроны против поля.

    Подключим внешний источник напряжения (Е _вн) к «р-n» переходу (рис. 8.13).

Рис. 9.13. Подключение внешнего источника прямой полярности

Внешнее поле (Е_вн) «прорывает» поле «р-n» перехода. Дырки идут из области «р» в область «n», а электроны в обратном направлении. Через переход протекает большой ток, называемый прямым током.

    Если теперь подключить источник в обратном направлении (рис. 9.14), то внешнее

Рис. 9.14. Подключение внешнего источника обратной полярности

 

поле (Е_вн) «помогает» внутреннему полю «р-n» перехода и взаимный переход дырок и электронов будет ещё более затруднен. Однако, неосновные носители (дырки в «n» - области и электроны в «р» - области) свободно проходят «р»-»n» переход, при этом в цепи протекает очень слабый ток, называемый обратным током.

    Поскольку прямой ток намного больше обратного можно считать, что «р-n» переход обладает свойством пропускать ток только в одном направлении, т.е. обладает односторонней проводимостью. Поэтому на основе «р-n» перехода можно изготовить выпрямитель переменного тока на базе полупроводников. полупроводниковый диод – прибор, пропускающий ток только в одном направлении (ток одной полярности).

    Свойства полупроводникового диода удобно изучать с помощью зависимости тока, протекающего через диод, от величины приложенного напряжения. Эта зависимость на зывается вольтамперной характеристикой (рис. 9.15).

Обратный ток - это ток неосновных носителей заряда, а поскольку их количество в полупроводнике ограничено, то по мере увеличения напряжения наступает насыщение и величина обратного тока не изменяется (рис. 9.15). Но с ростом температуры их концентрация увеличивается и величина обратного тока возрастает. Поэтому полупроводниковые диоды не допускают сильного нагрева. концентрация основных носителей от температуры почти не зависит.

 

Рис. 9.15. Вольтамперная характеристика диода

 

С повышением температуры величина тока насыщения увеличивается, поэтому диоды можно использовать в качестве термодатчиков, например, в термостатах или термометрах. Под действием света в полупроводниках генерируются не основные носители (внутренний фотоэффект), поэтому величина обратного тока зависит от интенсивности световой волны. На этой зависимости основан принцип действия фотодиодов - приборов для регистрации и измерения лучистой энергии.

 

Практическая часть работы.

Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода

1. Соберите электрическую схему представленную на рисунке 9.16, используя прилагающиеся приборы.

2. Определите цену деления вольтметра и амперметра.

3. Включите в сеть источник питания.

4. Замкните проводником специальные гнезда 0-1, подключите диод Д₁.

5. Изменяя потенциометром, напряжение в цепи, снимите показания с амперметра (4 измерения). Данные для диода Д ₁ занесите в таблицу.

6. Переключите диод в обратном направлении. Выполните требования 5 пункта.

7. Проведите расчет сопротивления диода для прямого и обратного токов, используя закон Ома. Повторите измерения для диодов Д₂  и Д₃. Постройте графики зависимостей: R = f (I пр); R = f (I обр).

Рис. 9.16. Электрическая схема установки

9. Постройте вольтамперные характеристики диодов Д₁, Д₂, Д₃ на одном графике и проведите сравнение.

Таблица результатов измерений

 

диод	№ измерения	Прямой ток			Обратный ток
		U, B	I×10^-3, A	R, Oм	U, B	I×10^-3, A	R, Oм
Д1	1
	2
	.
	.
	10
Д2	1
	2
	.
	.
	10
Д3	1
	2
	.
	.
	10

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Как расположены уровни доноров и акцепторов на энергетической диаграмме?

2. Какие частицы являются основными носителями заряда в полупроводниках n -типа? Как создают полупроводники n -типа?

3. Какие частицы являются основными носителями заряда полупроводниках р -типа? Как создают полупроводники р -типа?

4.  Для чего используются полупроводники?

5. Что такое p – n переход? Опишите процесс формирования p – n перехода и причину его стабильности в отсутствии внешних воздействий.

6. Что такое запирающий слой и в чём состоит особенность электрического сопротивления этого слоя?

7. Какое подключение диода к источнику тока называют прямым, а какое – обратным?

8. Чем объясняется наличие тока (небольшой величины) через полупроводниковый диод при его обратном подключении к источнику тока?

9. Каково основное свойство и назначение полупроводникового диода?

10.Что такое прямой и обратный ток?

11. Каковы свойства обратного тока?