Методичка. Электричество. 2 часть

гает края экрана. Так как U(t) – периодическая функция с периодом T = t1 – t0, то на экране будет виден один период изменения величины U(t) (рис. 3).

Если заставить луч в момент времени t1 мгновенно возвратиться в исходное состояние (точку А, соответствующую времени t0) и повторить развертку с V = const до точки В (соответствующей времени t1), мы увидим на экране второй период изменения величины U(t).

Таким образом, смещая луч от точки А до точки В вдоль горизонтальной оси с V = const, а потом мгновенно возвращая его от В в А и повторяя такую развертку многократно, мы сможем увидеть на экране неподвижную картину U(t) в течение одного периода, если T = t1 – t0. Если же nT = t1 – t0, где n-целое число, то на экране мы получим n периодов изменения величины U(t).

ного изображения исследуемого периодического напряжения U(t) на экране осциллографа необходимо, чтобы t1–t0 = nT, где n – целое число.

Если же n – число дробное, то изображение на экране будет передвигаться, что затруднит наблюдение за этим изображением.

Но даже если период исследуемого напряжения и период пилообразного напряжения равны и кратны, нельзя ручаться за сохранение указанного равенства и в дальнейшем. Причина – возможная нестабильность частоты генератора развертки. Поэтому колебания генератора развертки синхронизируются с другими, более стабильными колебаниями. Для этой цели осциллограф снабжен переключателем рода синхронизации (переключатель «синхронизация»).

Генератор развертки можно синхронизировать либо частотой исследуемого напряжения, либо частотой переменного напряжения, взятого от сети, либо частотой какого-либо источника внешнего напряжения.

41

На рис. 5 приведен внешний вид лицевой панели осциллографа, где расположены все его органы управления с соответствующими надписями.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Подготовка осциллографа к работе

1.Изучить блок-схему осциллографа и назначение каждого органа управления на передней панели.

2.Зарисовать блок-схему осциллографа и связать ручки передней панели с элементами отдельных блоков схемы.

Рис. 5

3. Привести осциллограф в исходное рабочее состояние.

Если осциллограф находится все время в работе (уточнить у препо-

давателя или лаборанта), то следующий пункт не выполнять:

42

ручки «яркость», «фокус», «ось X», «ось Y» должны занимать среднее положение; ручки «усиление» по вертикали и «усиление» по горизонтали повернуть влево до отказа;

−переключатель «ослабление» поставить в положение 1 :10;

−переключатель «диапазон частот» поставить в положение «выкл».

4.Подключить осциллограф к сети, включить последовательно тумблеры «сеть» и «луч». После прогрева осциллографа (1–2 мин), манипулируя ручками «ось X» и «ось Y», поместить светящееся пятно в центр экрана и, регулируя ручками «яркость» и «фокус», добиться, чтобы оно было резким и минимальных размеров.

Внимание: след луча не должен быть слишком ярким!

5.Включить генератор развертки, установив переключатель «диапазон частот» и ручку «амплитуда синхронизации» в среднее положение. Переключатель «синхронизация» поставить в положение «внутр». Ручку «усиление» по горизонтали повернуть вправо до тех пор, чтобы получилась светящаяся полоса в пределах экрана.

Упражнение 1. Исследование формы переменного электрического напряжения

1.Исследовать форму переменного электрического напряжения на выходе звукового генератора ЗГ синусоидальных напряжений.

Для этого необходимо исследуемое напряжение со звукового генератора (клеммы «выход») подать на вертикальный вход осциллографа «осьY» (клеммы «вход» и «земля»).

Регулируя ручкой «усиление» по вертикали, а если потребуется переключателем «ослабление», уложить наблюдаемую картину в экран осциллографа по вертикали.

Меняя частоту генератора развертки (переключатель «диапазон частот» и ручка «частота плавно»), добиться устойчивого изображения нескольких периодов колебаний переменного электрического напряжения.

Зарисовать наблюдаемую картину и сделать соответствующие выводы.

2.Исследовать форму переменного электрического напряжения в городской электрической сети (снять с трансформатора или с клеммы «контр. сигнал»).

Клемма «контр. сигнал» находится на передней панели осциллографа. К ней подключен один конец вторичной обмотки трансформатора, находящегося внутри осциллографа. Второй конец этой обмотки приcоединен к клемме «земля». Поэтому для исследования этого напряжения достаточно соединить клемму «контр. сигнал» с входом «У».

Далее повторить, как и в п. 1.

3.Исследовать аналогично форму переменного электрического на- пряжения на выходе внешнего генератора пилообразных напряжений.

43

Упражнение 2. Измерение переменного электрического напряжения с помощью осциллографа

Для измерения переменного электрического напряжения с помощью осциллографа нужно знать его чувствительность. Определить чувствительность осциллографа по вертикали jy и неизвестное напряжение можно следующим образом.

1.Выключить «усиление» по горизонтали.

2.Переключатель «ослабление» поставить в положение 1 :10.

3.Подать на вертикальный вход известное напряжение Uизв с клеммы

«контр. сигнал» (Uизв = 2,5 В).

4.Уложить наблюдаемую картину в экран по вертикали, регулируя ручкой «усиление» по «оси Y».

Внимание: в дальнейшем усиление по вертикали не трогать!

5.Измерить отклонение L луча на экране.

6.Определить чувствительность осциллографа по формуле jy = (L/2)/Uизв, где Uизв – амплитудное значение известного напряжения. Таким образом, чувствительность осциллографа при данном усилении численно равна отклонению луча (в мм) на экране осциллографа, вызываемого напряжением в 1 В.

7.Неизвестное напряжение U (с трансформатора или с выхода звукового генератора) подать на вертикальный вход и измерить отклонение l

луча, вызываемое этим напряжением. Тогда, с учетом (1), U = Uизв(l/L). Если отклонение луча l не укладывается в экране осциллографа, следует переключатель «ослабление» поставить в положение 1 :100 и учесть это при вычислении U. Если отклонение l луча очень мало, следует переключатель «ослабление» поставить в положение 1 :1 и также это учесть при вычислении U.

Упражнение 3. Проверка градуировки звукового генератора синусоидальных напряжений с помощью фигур Лиссажу

Фигуры Лиссажу – это кривые сложной формы, которые получаются в результате сложения двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний с различными частотами:

Ux = U0xcosωxt = U0xcos 2πνxt,

Uy = U0ycosωyt = U0ycos 2πνyt.

Вид фигуры Лиссажу зависит от соотношения складываемых частот. Если частота одного колебания известна, например νx, то частоту другого колебания νy можно найти из общего вида фигур Лиссажу по формуле:

Для получения на экране осциллографа фигур Лиссажу и выполнения данного упражнения необходимо следующее.

44

1.Выключить генератор развертки (переключатель «диапазон частот» в положение «ВЫКЛ.»).

2.Подать на горизонтальный вход напряжение Uх известной частоты, например 50 Гц. Напряжение известной частоты (f = 50 Гц) можно снять с клеммы «контр. сигнал» или от городской электрической сети через понижающий трансформатор.

3.На вертикальный вход подать исследуемое напряжение Uу от звукового генератора ЗГ с частотой f = 50 Гц.

4.Вращая ручку «усиление» по горизонтали и «усиление» по вертикали, расположить полученную картину в пределах экрана. Меняя плавно частоту звукового генератора, добиться появления устойчивой картины.

При одинаковой величине напряжений Uх и Uу на пластинах электроннолучевой трубки на экране осциллографа должна быть окружность. Вели-

чину напряжений Uх и Uу можно регулировать переключателем «ослабление» и ручками «усиление» по горизонтали и «усиление» по вертикали.

Кроме этого, напряжение Uу на выходе звукового генератора можно регулировать соответствующими ручками на генераторе.

5.Изменяя частоту звукового генератора, начиная с минимальной, получить не менее пяти устойчивых фигур Лиссажу. Для каждой фигуры

определить число пересечений ее с осью Х – nх и осью У – nу. Результаты измерений занести в таблицу.

По формуле (1) для каждой фигуры Лиссажу найти частоту νу исследуемого напряжения и сравнить ее с частотой, указанной на лимбе звукового генератора.

Контрольные вопросы

1.Нарисуйте блок-схему электронного осциллографа и объясните назначение органов его управления.

2.Расскажите устройство электронно-лучевой трубки.

3.Объясните назначение генератора развертки осциллографа.

4.Какое напряжение (амплитудное или эффективное) измеряется осциллографическим методом?

5.Что называется чувствительностью осциллографа?

6.Что такое фигуры Лиссажу?

7.Как по виду фигуры Лиссажу определить отношение частот слагаемых взаимно перпендикулярных гармонических колебаний?

8.Как с помощью фигур Лиссажу можно проградуировать звуковой генератор?

45

РАБОТА № 8 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Приборы и принадлежности: набор диодов, вольтметр, миллиамперметр, шунт, выпрямитель с фильтром, реостат, переключатель полярности напряжения (коммутатор).

Краткая теория

Проводники имеют удельное сопротивление порядка 10–7 Ом·м (и меньше), диэлектрики – порядка 108 Ом·м (и больше). Удельное сопротивление большинства веществ лежит между указанными пределами. Эти вещества называются полупроводниками. Типичными их представителями являются кремний, германий, селен, теллур и некоторые другие.

Как и у металлов, проводимость твердых полупроводников обусловлена перемещением электронов. Однако условия перемещения электронов в металлах и полупроводниках существенно различаются. Рассмотрим причины электрофизических особенностей полупроводников, прибегая к некоторым упрощенным представлениям зонной теории твердого тела.

находиться не более двух электронов (уровень 1, рис. 1а).

Электрон переходит с нижнего энергетического уровня на более высокий, если ему сообщается энергия, равная разности энергий между этими уровнями (уровень 2, рис. 1а).

При образовании кристалла из N одинаковых атомов, расположенных друг от друга на близких расстояниях, благодаря взаимному влиянию полей соседних атомов, каждый энергетический уровень атома «расщепляется» на N различных уровней, близких по величине энергии. На каждом из уровней кристалла также может находиться по два электрона. Таким образом, в твердом теле из одинаковых уровней энергии отдельных атомов образуется энергетическая зона, имеющая N различных, близко расположенных друг от друга уровней (зона 3, рис. 1б). Так как система (твердое тело) в устойчивом состоянии должна обладать минимумом потенциаль-

46

ной энергии, то вся эта зона (и все уровни энергий внутри нее) оказываются заполненными электронами. Эта зона носит название заполненной зоны.

Для твердого тела, кроме заполненной зоны, выделяют зону уровней возбуждения или свободную зону (зона 5, рис. 1б), разделенную энергетическим барьером для запрещенной зоны (зона 4, рис. 1б). В пределах этого барьера находятся уровни энергии, на которых не могут находиться электроны.

Зона уровней возбуждения содержит уровни со значительно более высокими энергиями, чем уровни заполненной зоны. В этой зоне уровни энергии расположены близко друг к другу и практически можно считать, что электрон, попавший в эту зону, может изменять свою энергию непрерывным образом, а следовательно, перемещаться в кристалле под действием внешнего электрического поля.

Таким образом, при сообщении электронам заполненной зоны дополнительной энергии, достаточной для перевода их через энергетический барьер на уровни зоны возбуждения, твердые тела становятся проводящими. Величина этой дополнительной энергии должна быть по крайней мере равна ширине энергетического барьера.

Следует отметить, что у электронов, наиболее близко расположенных к ядру атома, связь с ядром столь велика, что они не могут участвовать в создании электропроводности. Лишь валентные электроны, наиболее удаленные от ядра, обладающие также наибольшими энергиями, могут участвовать в токе проводимости.

Уметаллов заполненная и свободная зоны непосредственно примыкают друг к другу, а в некоторых случаях эти зоны взаимно перекрываются. Поэтому электрон может перейти из первой зоны во вторую, получив извне очень небольшую добавочную энергию.

Удиэлектриков ширина энергетического барьера соответствует энергиям 2–10 эВ и для перехода электрона из заполненной зоны в свободную зону необходимы очень сильные электрические поля или высокие температуры.

Идеальные полупроводники, в материале которых нет примесей, ха-

сти от валентности примеси. Рассмотрим два примера.

47

Пусть в кристалле германия имеется в виде примеси атом сурьмы. Атом германия четырехвалентен и имеет на внешней электронной оболочке четыре электрона. Валентность сурьмы равна пяти. Поэтому замена атома германия атомом сурьмы приводит к появлению избыточного электрона. Таким образом, атомы сурьмы добавляют в решетку германия избыточные электроны. Полупроводники, проводимость которых обусловлена избыточными электронами, называются полупроводниками n-типа.

Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются донорными (донорами). С точки зрения зонной теории, энергетические уровни валентных электронов таких примесей лежат в запрещенной зоне вблизи нижнего края зоны проводимости (пунктирный уровень рис. 2а).

Примером полупроводников с проводимостью иного типа может служить тот же кристалл германия, но с примесью бора. Атом бора трехвалентен. Вследствие структуры кристаллической решетки германия, обусловленной четырьмя валентными связями, атом бора захватывает один электрон у соседнего атома германия. Последний, в свою очередь, может захватить электрон у другого атома германия и т. д. Такое последовательное «перескакивание» электронов, очевидно, эквивалентно движению в противоположную сторону положительного заряда, равного по величине

заряду электрона. Дело обстоит так, будто перемещается «место электрона» – положительно заря-

аженная «дырка». Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием «дырок» («ды-

рочная» проводимость), называются полупроводниками p-типа. Примесные атомы, валентность

бкоторых меньше валентности атомов кристалла, называются акцепторными (акцепторами), т. к. они захватывают электроны. С точки зрения зонной теории, первые

свободные энергетические уровни примесных атомов лежат в запре-

вщенной зоне полупроводника вблизи верхнего края заполненной (валентной) зоны (пунктирный уровень рис. 2б). Электроны из валентной зоны, попадая на эти

уровни, дают возможность оставшимся электронам поочередно из-

48

менять свою энергию на малое значение, что и обуславливает дырочную проводимость.

В практическом отношении важно рассмотреть, какие явления происходят в зоне контакта двух полупроводников различного типа проводимости – электронного (n) и дырочного (p).

Так как в первом из них велика концентрация свободных электронов, а во втором – дырок, то через поверхность соприкосновения полупроводников происходит диффузия свободных электронов из электронного полупроводника в дырочный (n – p) и диффузия дырок в противоположном направлении (p – n).

Следует отметить, что перемещение дырок в направлении p – n означает в действительности перемещение связанных электронов в направлении n – p. В результате пограничный слой со стороны p-полупроводника заряжается отрицательно, а со стороны n-полупроводника – положительно, т. е. в зоне контакта образуется «двойной электрический слой» с разностью потенциалов Uк (рис. 3а). Эта контактная разность потенциалов Uк препятствует дальнейшей диффузии, т. е. переходу электронов направо через контакт, а дырок – налево через контакт. И только очень редкие электроны и дырки, обладающие большой энергией, могут проникать через этот барьер. Около контакта создается слой, обедненный основными носителями и поэтому обладающий повышенным сопротивлением. Такой слой называется запирающим слоем.

Если теперь к имеющейся системе подключить внешнюю батарею с напряжением U, то в зависимости от полярности ее включения ток во внешней цепи будет резко изменяться. В одном случае поле от внешнего источника будет усиливать поле от собственной контактной разности потенциалов и еще более препятствовать прохождению основных носителей через контакт (рис. 3б). Однако ток во внешней цепи все-таки будет наблюдаться. Он обусловлен прохождением через контакт неосновных носителей, для которых собственное и приложенное электрические поля являются ускоряющими. Этот ток носит название обратного тока Iобр, и его ве-

49

Исходя из сказанного, следует, что электронно-дырочный переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Если внешнюю батарею заменить источником переменного тока, то в течение одного полупериода будет наблюдаться значительный ток, в течение другого – очень малый, т. е. система будет служить выпрямителем (полупроводниковым диодом). Кривая зависимости тока I от напряжения U, приложенного к полупроводниковому диоду, называется его вольтамперной характеристикой (рис. 4). Ветвь кривой ОА соответствует прямому току, ветвь ОБ – слабому обратному току собственной проводимости полупроводников. В электрорадиотехнике наиболее распространены медно-закисные, селеновые, германиевые и кремниевые диоды. Свойства полупроводниковых выпрямителей характеризуются коэффициентом выпрямления α, который равен отношению прямого тока Iпр к обратному Iобр измеренных при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях.

Выполнение работы

1.Составить таблицу технических данных приборов.

2.Собрать схему, приведенную на рис. 5.

выпрямитель

Рис. 5

В данной схеме исследуемые диоды соединены последовательно и имеют независимые отводы. Цепь питается от выпрямителя на 25 В с фильтром, и это напряжение подается на реостат R, который включается как потенциометр (делитель напряжения).

Напряжение на выходе потенциометра измеряется многопредельным вольтметром V.

Ток в цепи измеряется миллиамперметром mA, параллельно которому с помощью тумблера T предусмотрено включение шунта Ш. Благодаря этому возможно измерение силы тока в пределах 0–7,5 mA (без шунта) и 0–75 mA (с шунтом).

Для изменения знака полярности подаваемого напряжения на диоды служит коммутатор К, который работает следующим образом.

50