Описание установки

Для градуировки термопары используют либо среды с известными температурами (тающий лед, кипящую воду, плавящийся чистый металл), либо высокоточный термометр, измеряющий температуру в месте спая, как показано на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема установки для градуировки термопары

Нагревание горячего спая термопары осуществляется с помощью печи, в которую вместе с термопарой помещается термометр (Т). Холодный спай

лучше поместить в среду с заданной температурой (например, в тающий лед), однако в наших измерениях холодным спаем служат контакты проводников измерительной цепи (рис. 4.3), небольшие колебания которой (1–2) практически не сказываются на требуемой точности измерений.

Ход работы

1. Собрать цепь по схеме на рис. 4.3.

2. Включить печь.

3. Исследовать зависимость т.э.д.с. от разности температур контактов в интервале температур 20–150С, при этом т.э.д.с. для хромель – алюмелевой термопары меняется от 0 до 10 мВ. Считать, что холодный контакт имеет комнатную температуру. Температура горячего спая определяется термометром. Температуру фиксировать через каждый милливольт. Данные занести в табл. 4.1.

4. Получить аналогичную зависимость при уменьшении температуры от 150 до 20. Данные занести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Результаты эксперимента

, мВ		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Нагрев
	Охлаждение

5. Построить графики зависимости при нагревании и охлаждении и в каждом случае, используя графики, найти среднее значение удельной т.э.д.с:

0. ,

где и– значения т.э.д.с и разность температур, взятые на графике в удобной точке у конца прямой.

6. Рассчитать абсолютные погрешности:

7. Записать окончательные результаты.

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения контактной разности потенциалов и т.э.д.с.?

2. Объяснить возникновение контактной разности потенциалов с точки зрения зонной теории.

3. Объяснить причины влияния состава контактирующих металлов на т.э.д.с.

4. Где применяются термопары?

5. Почему холодный спай термопары может быть заменен контактами различных проводников измерительной цепи?

Литература

Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Изд. центр «Академия». 2007. § 246 – 247.

РАБОТА №5

Изучение работы полупроводникового диода

Цель работы: исследование зависимости силы тока, текущего через р-n переход, от направления и величины приложенного к нему электрического поля.

Приборы и принадлежности: вольтметр, милли и микроамперметр, полупроводниковый диод, переключатель.

Краткая теория

К полупроводникам относится большое число веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широком интервале от 10^-5 до 10⁸ Омм и очень быстро уменьшается с повышением температуры. При абсолютном нуле полупроводники являются диэлектриками. Типичными полупроводниками являются как чистые элементы (германий, кремний, селен и т.д.), так и многие химические (в том числе органические) вещества.

Проводимость твердых полупроводников, как и металлов, обусловлена движением электронов, однако она осуществляется за счет перемещения как свободных, так и связанных электронов.

Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной, или проводимостью n-типа. Проводимость, обусловленная последовательным перемещением связанных электронов, называется «дырочной» проводимостью, или проводимостью p-типа. «Дырка» образуется при отсутствии одного из двух электронов, обеспечивающих ковалентную связь между атомами полупроводника, при этом нехватка электрона соответствует появлению положительного заряда в области связи. Ток в полупроводнике обеспечивается движением двух типов носителей: свободных электронов (n) в направлении, противоположном электрическому полю, и дырок (p) в направлении электрического поля. В чистых «собственных» проводниках концентрации электронов и дырок одинаковы и увеличиваются с ростом температуры, что и приводит к уменьшению удельного сопротивления.

Характерными особенностями полупроводниковых материалов являются уменьшение их удельного сопротивления при нагревании и освещении, сильная зависимость его величины от наличия примесей. Наличие даже небольшой примеси в полупроводнике оказывает существенное влияние на его проводимость, создавая так называемую примесную проводимость полупроводника. Некоторые примеси обогащают полупроводник свободными электронами, вызывая в нем преимущественную электронную проводимость (основные носители – свободные электроны). Такие примеси называются донорными (дающими), а полупроводники – электронными, или полупроводниками n-типа. Другие примеси обогащают полупроводник дырками, создавая в нем преимущественную дырочную проводимость (основные носители – дырки). Такие примеси называются акцепторными (принимающими), а полупроводники – «дырочными», или проводниками p-типа. Для атомарных полупроводниковых материалов (например, германия) донорными примесями являются атомы элементов с большей валентностью (например, мышьяка), а акцепторными – с меньшей (например, бора). В примесных полупроводниках присутствуют и неосновные носители тока (дырки в n-проводниках и свободные электроны в p-проводниках), обусловленные собственной проводимостью.

Особенности полупроводников дают возможность, используя небольшое количество примеси, менять их свойства и получать полупроводниковые устройства, обусловливающие одностороннюю проводимость. Основным элементом таких устройств служит р-n переход, являющийся внутренней границей, разделяющей области с дырочной (p) и электронной (n) проводимостями одного и того же кристалла полупроводника. Создать p-n переход путем соприкосновения двух кристаллов с различной примесной проводимостью невозможно из-за различных несовершенств и загрязнений контактных поверхностей. Поэтому либо необходимые примесные атомы вводятся в чистый полупроводник за счет высокотемпературной диффузии, либо при выращивании кристалла разные области обогащаются примесями разного типа.

При изучении свойств p-n перехода удобно считать его образованным в результате идеального контакта двух частей монокристалла, обладающих проводимостями р- и n-типа. Различие концентраций электронов и дырок в p- и n-областях полупроводника приведет к возникновению преимущественной диффузии основных носителей через пограничный слой: электронов из n- в p-полупроводник и дырок из p- в n-полупроводник. В результате этого процесса происходит усиленная рекомбинация электронов и дырок вблизи границы полупроводников, а пограничный слой оказывается обедненным носителями заряда. Поэтому его сопротивление значительно больше, чем сопротивление остальной части полупроводника, и он называется запирающим слоем. Кроме того, в приконтактной области образуется двойной электрический слой: в пограничном слое n-полупроводника, потерявшего часть электронов, образуется положительный объемный заряд неподвижных ионов донорной примеси, а в пограничном слое p-полупроводника – нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Эта область объемного заряда и есть собственно p-n переход. Контактное электрическое поле в p-n переходе Е_к обусловливает совершение работы при дальнейшем переходе основных носителей через этот слой. Вследствие этого потенциальная энергия электрона в p-области оказывается больше, чем в n-области. На рис. 5.1,а на примере зоны запрещенных энергий (между валентной и свободной зонами) показано, что в этом случае соответствующие энергетические зоны в p- и n-полупроводниках вдали от p-n перехода смещаются относительно друг друга, а в области перехода искривляются и возникает потенциальный барьер для основных носителей заряда, величина которого eU_к, и, следовательно, возникает контактная разность потенциалов U_к на p-n переходе. При этом ток основных носителей (обладающих энергией большей eU_к) и неосновных носителей уравнивается и результирующий ток через переход равен нулю.

а б в

Рис. 5.1. Схема энергетических уровней вблизи p–n перехода при отсутствии внешнего поля (а) и во внешнем поле (б, в)

Кристалл с переходом обладает ценными свойствами. Одно из них – способность пропускать ток лишь в одном направлении.

Если приложить внешнее электрическое поле Е_вн противоположно контактному Е_к (к p-области подключить плюс, а к n-области – минус) (рис. 5.1,б), высота потенциального барьера изменится до значения e(U_к - U_вн), где U_вн – напряжение внешнего поля. Вследствие этого увеличится ток основных носителей и уменьшится толщина запирающего слоя. Ток неосновных носителей практически не изменится. Условие равновесия нарушится, и через p-n переход будет протекать результирующий ток основных носителей заряда. Такое направление поля и тока называется пропускным или прямым. Величина прямого тока определяется сопротивлением внешней цепи и приложенным напряжением.

Если внешнее поле по направлению совпадает с контактным (к p-области подключен минус, а к n-области – плюс) (рис. 5.1,в), оно увеличивает высоту потенциального барьера до значения e(U_к + U_вн). Ток основных носителей уменьшается до нуля, и через p-n переход течет лишь небольшой ток неосновных носителей, называемый обратным. Вследствие малой концентрации неосновных носителей и большого сопротивления расширившегося запирающего слоя обратный ток во много раз меньше, чем прямой, кроме того, он почти не зависит от величины внешнего напряжения.

Таким образом, система, содержащая p-n переход, обладает односторонней проводимостью. Прикладывая к такой системе переменное напряжение, получают ток практически одного направления. По аналогии с ламповыми выпрямителями тока подобные полупроводниковые выпрямители называют диодами. Важной характеристикой диода является коэффициент выпрямления – отношение прямого тока к обратному при постоянном внешнем напряжении:

, U = const.

В хороших выпрямителях К достигает значений 10⁵–10⁶. Другой характеристикой диода является кривая зависимости тока в нем от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика). Для полупроводниковых диодов она нелинейна, поэтому коэффициент выпрямления К не является постоянной величиной.

Схема измерения и используемые приборы

Напряжение в цепи регулируется реостатом R, включенным по схеме потенциометра, в пределах от 0 до 1В и измеряется вольтметром. Переключатель П служит для изменения направления тока через исследуемый диод Д. При прямом направлении тока в схему включается миллиамперметр, при обратном – микроамперметр (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема включения диода для изучения его характеристик