Лабораторна робота № 19

Знімання вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода

Обладнання: 1) діод напівпровідниковий на колодці; 2) джерело електро­живлення для практикуму ИЭПП-1 і батарея акумуляторів З-НКН-10 – 2шт.; 3) міліамперметр постійного струму М45М; 4) вольтметр постійного струму М45М; 5) реостат повзунковий РПШ – 2; 6) ключ замикання струму; 7) комплект проводів з'єднувальних.

Зміст і метод виконання роботи

Роботу виконують з напівпровідниковим діодом Д7Ж. Основна деталь його – монокристалічна пластинка германію 5 (мал.1), до одної з поверхонь якої приварено краплю індію 4. Внаслідок цього в пластинці, яка мала до цього лише електронну провідність, утворились дві розмежовані області з електронною (п) і дірковою (р) провідностями. На межі цих областей утворився електронно-дірковий перехід (п – р), який має однобічну провід­ність для електричного струму.

Пластинка германію припаяна оловом 6 до основи металевого корпусу 7, який захищає кристал від зовнішнього впливу. Один контактний вихід 8 з'єднаний з пластинкою германію, а другий контактний вихід 1 – з краплею індію. Він проходить у металевій трубці 2, вплавленій у скляний ізолятор 3. Виводи діода підведені на панелі до двох затискачів, позначених знаками «+» і «-».

Якщо зовнішнього електричного поля немає, то через електронно-дірковий перехід діода взаємно дифундують основні носії заряду: електрони з n -германію дифундують у р - германій, а дірки з р - германію переходять у n-германій. Внаслідок цього з обох боків межі поділу двох напівпровідників утворюються об'ємні заряди різних знаків, а водночас і електричне поле. Це поле перешкоджає дифузії основних носіїв заряду і підтримує зворотний рух неосновних носіїв заряду, тобто дірки з п - області переміщує в р - область, а електрони з р – області переміщує назад, в n-область. Якщо електрони і дірки рухаються на­зустріч, то частина з них рекомбінується, внаслідок чого в переході п – р утворюється шар завтовшки 10-4 – 10-5см, бід­ний на рухомі носії заряду. Цей шар називають запірним шаром. Незважаючи на малу товщину, запірний шар є головною частиною опору діода.

Якщо зовнішнього електричного поля немає, то струми, утворені рухом основних і неосновних носіїв заряду, однакові за абсолютною величиною, але протилежні за напрямом, тому сила струму через перехід дорівнює нулю.

Якщо на діод діє зовнішнє електричне поле, напрямлене від діркового напівпровідника до електронного, електричне поле переходу п – р слабне, основні носії зарядів рухаються до межі поділу двох напівпровідників, товщина і опір запірного шару зменшуються, внаслідок чого дифузійний струм основних носіїв заряду зро­стає і загальна сила струму через перехід вже не дорівнює нулю. Струм, утворений рухом основних носіїв заряду і напрямлений від діркового напівпровідника до електронного, називають прямим струмом діода.

Із зміною полярності прикладеної напруги електричне поле переходу п – р зростає і дифузійний рух основних носіїв заряду через перехід припиняється: електричне поле видаляє основні носії зарядів з пограничних шарів у глибину електронної і діркової областей. Тому товщина запірного шару збільшується, а опір його зростає. Проте невеликий струм і в цьому разі проходить через діод, він створюється рухом неосновних носіїв заряду. Цей струм напрямлений від електронного напівпровідника до діркового; його називають зворотним струмом діода. Залежно від напряму струму в діоді прикладена до нього напруга, а також опір діода називають прямими або зворотними.

Виконуючи цю роботу, треба дослідити залежності сил прямого і зворотного струмів діода від прикладених до нього напруг і побудувати графіки цих залежностей.

Послідовність виконання роботи

1. Підготуйте в зошиті такі дві таблиці для записування результатів вимірювань і обчислень:

2. Дослідіть залежність сили прямого струму від прикладеної до діода напруги. Для цього складіть електричне коло за схемою, яку зображено на мал. 2. Діод увімкніть у пропускному напрямі, звернувши увагу на знаки «+» і «-», позначені на його панелі.

Джерелом струму в цих вимірюваннях є один акумулятор з батареї З-НКН-10. Напругу на діод подають з потенціометра і вимірюють вольтметром з шкалою З В, силу прямого струму діода – міліамперметром, увімкнутим спочатку з шкалою 7,5мА, а потім з шкалами 15 і 30мА.

Збільшуючи напругу на діоді щоразу приблизно на 0,02В, запишіть покази обох приладів у табл. 1.

Застереження. Сила прямого струму діода не повинна перевищувати 300мА, інакше діод вийде з ладу.

3. Дослідіть залежність сили зворотного струму від прикладеної до діода напруги. Для цього складіть електричне коло за новою схемою, яку зображено на мал,3, звернувши увагу на відмінність вмикання діода і вольтметра.

Джерелом струму тут є джерело електроживлення для практикуму або дві батареї акумуляторів З-НКН-10, увімкнені послідовно. Напругу на діод подають за допомогою потенціометра; вимірюють її вольтметром з шкалою 15В, а силу струму – міліамперметром з шкалою 1,5 мА.

Збільшуючи напругу на 1 В, щоразу виміряйте силу зворотного струму діода. Результати вимірювань запишіть у табл. 2.

4. За даними двох таблиць побудуйте графік залежності сили струму від прикладеної напруги. Вважати, що сила прямого струму і пряма напруга додатні, а зворотні - від'ємні. По осі абсцис відкладіть напругу у вольтах, а по осі ординат – силу струму в міліамперах. Масштаб: для прямої напруги 1см – 0,1 В, для зворотної 1см – І В; для сили прямого струму 1см – 2мА, для зворотного 1см – 0,2мА.

? Контрольні запитання

1. Чому в процесі вимірювання сили прямого струму в діоді всі з'єднання в електричному колі повинні мати добрі контакти?

2. Чому небезпечно подавати на діод пряму напругу понад 0,5 В?

3. Чому тривале проходження прямого струму змінює опір діода?

Для чого змінюють схему вмикання приладів, коли вимірюють сили прямого і зворотного струмів у діоді?

На якій ділянці вольт-амперної характеристики опір діода майже сталий?

Лабораторна робота № 20

Визначення горизонтальної складової напруженості та індукції магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра.

Прилади і матеріали: 1) аккумулятор;2) тангенс-гальванометр; 3) набір провідників; 4) міліамперметр; 5) реостат; 6) двополюсний перемикач; 7) лінійка.

Теоретичні відомості

Земля є величезним магнітом. Існування магнітного поля Землі безпосередньо підтверджується відхиленням магнітної стрілки при її вільному підвісі. При цьому остання встановлюється у напрямку дотичної до лінії індукції магнітного поля Землі. Значення індукції В магнітного поля Землі невеликі і змінюються від 0,42·10^-4 Тл на екваторі до 0,70·10^-4 Тл поблизу магнітних полюсів. Можливим джерелом поля Землі є розподіл струмів в земній корі.

Основними параметрами магнітного поля Землі є: магнітне нахилення (кут між напрямком вектора іплощиною горизонту), магнітне схилення φ (кут між горизонтальною складовою вектора В і площиною географічного меридіана) і горизонтальна складова індукції магнітного поля Землі В_г (рис. 1).

Рис. 1

На магнітному екваторі =0 і В=В_г, (магнітна стрілка встановиться горизонтально), на магнітних полюсах В_г, =0 (магнітна стрілка встановиться вертикально).

Горизонтальну складову В_г звичайно визначають за допомогою тангенс-гальванометра, який складається з плоскої котушки, розміщеної у вертикальній площині.

Якщо котушку розмістити так, щоб її вісь ОО₁ була перпендикулярною до площини магнітного мередіану (рис. 2), то магнітне поле струму В₀, намагатиметься повернути магнітну стрілку, розміщену в центрі котушки, в напряму осі ОО₁, а магнітне поле Землі - вздовж площини магнітного меридіана. Завдяки дії обох полів магнітна стрілка встановлюється так, що утворює деякий кут α з площиною магнітного меридіану. Величина цього кута визначається співвідношенням:

(1)

Рис2

Магнітне поле витка на його осі ОО₁ (маємо на увазі вектор В₀) спрямоване вздовж цієї осі, оскільки с результатом накладання полів dВ від кожної елементарної ділянки dl. Напрям цього поля визначається правилом правого свердлика: якщо повертати його в напрямку струму, то поступальний рух свердлика збігається з напрямом лінії поля (рис. 3).

Рис.3

Величина індукції магнітного поля В₀ короткої котушки на її осі визначається за формулою:

, (2)

де I — сила струму в котушці, а,b — сторони прямокутної котушки, п - число витків. Формулу (2) можна отримати, виходячи з закону Біо-Савара-Лапласа та скориставшись принципом суперпозиції для поля [2]. Індукція магнітного поля В₀ пов'язана з напруженістю цього поля Н₀ співвідношенням:

, (3)

де - магнітна стала (в системі СІ =4π 10^-7 Гн/м), - магнітна проникливість середовища (для повітря ). Лінії магнітної індукції, за допомогою яких графічно зображують магнітне поле (силові лінії), є завжди замкнутими і проводяться так, що дотичні до них в кожній точці збігаються за напрямком з вектором В (рис. 1).

Рис. 4

Дата добавления: 2015-11-14