fisika_samrab

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 42

«СНЯТИЕ АНОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННОЙ ЛАМПЫ»

Тепловое движение электронов в металле имеет беспорядочный характер, так что скорости отдельных электронов могут значительно отличаться друг от друга. Это значит, что внутри металла всегда найдется некоторое количество быстрых электронов, способных преодолеть потенциальный барьер вблизи поверхности. Условие, при котором электрон может вылететь из металла, имеет вид:

где m масса электрона; Vn проекция тепловой скорости на нормаль к поверхности металла; e заряд электрона; поверхностная разность потенциалов (т.е. разность потенциалов между внутренними и наружными точками металла), называемая работой электрона.

Однако при комнатных температурах условие (1) выполняется только для ничтожной доли всех электронов металла и испускание электронов настолько слабо, что его обнаружить невозможно. При повышении температуры число быстрых электронов возрастает. При достаточно высокой температуре наступает заметное испускание электронов, которое называется термоэлектронной эмиссией. Если электроны, испускаемые металлом, ускорить внешним электрическим полем, то они образуют ток, который может быть получен в вакууме, где столкновение с молекулами или атомами не мешает движению электронов.

Явление термоэлектронной эмиссии удобно изучать с помощью двухэлектродной электронной лампы, представляющей собой трубку, из которой выкачан воздух, с двумя впаянными в нее электродами (см. рис.1).

~

Рис. 1 Электрод К, называемый катодом, соединен с отрицательным полю-

сом источника E1 = 25 B. Электрод А, называемый анодом, соединен с положительным полюсом того же источника. Катод К подогревается с помощью нити накала. Если разность потенциалов между катодом и анодом равна нулю, то сила тока при достаточно большом расстоянии

40

между электродами тоже равна нулю. Это происходит от того, что вблизи поверхности катода образуется электронное облачко, которое начинает тормозить вновь вылетающие электроны. В результате устанавливается динамическое равновесие: сколько электронов вылетает из металла, столько же в него возвращается под действием электронного облачка.

При создании между электродами поля, ускоряющего электроны, электронное облачко рассасывается, и между катодом и анодом появляется ток. Сила этого тока Ia возрастает с разностью потенциалов между катодом и анодом. Теоретический расчет показывает, что

где коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и расположения электродов.

Формула (2) носит название формулы Богуславского Ленгмюра. Сила анодного тока по этому закону возрастает быстрее, чем по закону Ома:

A V1 V2 .

При определенной разности потенциалов Vнас все электроны, испускаемые катодом, переходят на анод. Его называют током насыщения.

Экспериментальный ход зависимости анодного тока от разности потенциалов (V1 V2) выражается сплошной кривой, изображенной на рис.2, где горизонтальная часть графика показывает величину тока насыщения. Пунктирная кривая график зависимости, данной Богуславским Ленгмюром.

Ja

Jна

Рис.2 Опыт показывает, что величина тока насыщения быстро возрастает с

увеличением температуры накала нити. Теоретически эта зависимость была установлена Ричардсоном и Дешменом:

где is плотность тока эмиссии при токе насыщения (ток эмиссии, приходящийся на каждый сантиметр накаленной поверхности металла); Т абсолютная температура; k постоянная Больцмана; и В постоянные величины, имеющие различные значения для различных металлов,

41

причем константа представляет собой работу выхода электрона из металла.

Кривые, графически изображающие зависимость анодного тока от анодного напряжения при определенных температурах накала, называются анодными характеристиками ламп. На рис. 3 даны экспериментальные характеристики ламп трех различных напряжений Uн , Uн , Uн .

0 Ua

Рис.3 Современные электронные лампы имеют третий электрод – сетку, ко-

торая располагается между катодом и анодом. Если с помощью особой батареи создать между сеткой и катодом разность потенциалов, то можно усиливать или ослаблять анодный ток, не меняя анодного напряжения.

Действительно, если потенциал сетки выше потенциала нити катода, то сетка притягивает электроны из электронного облачка. Если же потенциал сетки ниже потенциала нити, то она отталкивает электроны, вследствие чего электронный поток к аноду ослабляется или даже прекращается совсем. В последнем случае говорят, что лампа "заперта".

Целью настоящей работы является снятие характеристик электронной лампы при устранении влияния сетки. Для этого сетка накоротко соединена с анодом.

ХОД РАБОТЫ

1.Собрать цепь по схеме (рис.4). Использовать один из измерительных приборов как амперметр, рассчитанный на измерение постоянного тока в анодной цепи, а другой – как вольтметр в цепи накала.

2.С помощью реостата цепи накала R1, выставив необходимые напряжения Uн, переключить вольтметр в анодную цепь, помня, что анодная цепь питается постоянным напряжением.

Рис.4

42

3.С помощью реостата в анодной цепи R2 установить первое из анодных напряжений Ua и записать показание миллиамперметра Ia. Далее, выставляя последовательно следующие значения Ua, определять соответствующие им значения Ia, заполняя при этом столбец в таблице для данного напряжения накала Uн.

4.Вновь переключить вольтметр в цепь накала, установить следующие

значения Uн и далее снимать анодную характеристику лампы, следуя пунктам 2, 3.

ЗАДАНИЕ

По данным в таблице построить график семейства анодных характеристик лампы a f U a при различных напряжениях накала.

Замечание. Приборы, рассчитанные на измерение токов и напряжений в цепях постоянного тока, следует подключать с учетом полярности

так, чтобы плюс прибора соединялся с проводником, идущим к положительному полюсу источника, а минус к отрицательному.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называется работой выхода электрона?

2.Как работает диод?

3.Сформулируйте закон Богуславского Ленгмюра.

4.Как построить анодную характеристику лампы?

5.Опишите работу триода.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Электричество и магнетизм. Оптика) /Ю.В.Тихомиров : учеб. пособие для студ. высш. техн. учеб. заведений дневн., вечер. и заоч. (дистанционной) форм обучения. - М., 2002.-52 с.

2.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.1. М.: Наука, 1982.

3.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.2. М.: Наука, 1978.

4.Практикум по физике /А.В. Кортнев,Ю.В. Рублев, А.Н. Куценко. М.: Высш.шк., 1961.

43

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 43

«СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА И ОЗНАКОМЛЕНИЕ С РАБОТОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДИОДЕ»

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Полупроводники составляют обширную группу твердых тел, удельная электропроводимость которых имеет промежуточное значение между электропроводностью проводников и изоляторов.

Электропроводность полупроводников можно описать с помощью основных представлений квантовой механики.

Согласно принципам квантовой механики электроны в атоме могут находиться в ряде определенных, отличных друг от друга электрических состояний (уровней). Переход электрона из одного состояния в другое происходит скачкообразно с изменением энергии на конечную величину. Дозволенных энергетических уровней в атоме бесконечно много. Самые нижние из них заполнены электронами, причем согласно принципу Паули на каждом уровне находится не более 2 электронов. Наиболее высокий из заполненных уровней называется валентным. Все дозволенные уровни выше валентного в возбужденном состоянии свободны.

При образовании кристаллов из атомов атомные уровни расщепляются. Расчеты, проведенные на основе квантовой механики, показали, что если кристаллическая решетка образована из N атомов, то каждый атомный уровень расщепляется на N близко расположенных друг к другу уровней, которые образуют соответствующие зоны. Например, в результате расщепления валентного уровня образуется так называемая валентная зона. А зона, образованная при расщеплении последующего свободного уровня, называется зоной проводимости. Они отделены друг от друга запрещенной зоной. Взаимное расположение этих двух зон и распределение электронов в зонах определяют электрические свойства кристаллов.

Картина электрических зон и распределение электронов в зонах различны для элементов таблицы Менделеева. Все кристаллы по характеру заполнения зон электронами можно разбить на три группы.

Для первой группы характерно частичное заполнение либо валентной зоны (рис.1, a), либо зоны, образованной перекрывающимися валентной зоной и зоной проводимости (рис.1, б). В обоих этих случаях, воздействуя на электроны даже слабым электрическим полем, можно перевести их на более высокие незаполненные уровни. Этим сообщается электронам дополнительная скорость, что приводит к появлению направленного движения зарядов – электрическому току. Кристаллы с описанным расположением зон и распределением электронов являются проводниками.

Вторую группу образуют элементы, в кристаллах которых валентная

44

зона и зона проводимости не перекрываются (рис.1, г) и далеко отстоят друг от друга. В этих кристаллах все уровни валентной зоны заполнены. Для перевода электрона в состояние направленного движения, т.е. на один

Рис. 1

из уровней зоны проводимости, ему нужно сообщить энергию, равную или большую, чем ширина запрещенной зоны , составляющую несколько электрон-вольт. Приобрести такую значительную энергию электрон не может ни в результате тепловых воздействий при средних температурах, ни в слабых электрических полях. Поэтому в обычных условиях такие кристаллы ток не проводят. Их называют диэлектриками.

Третью группу образуют элементы, в которых валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости расположена близко к валентной зоне (рис.1, в). Ширина запрещенной зоны для них сравнительно мала. Для ряда электронов в таких кристаллах энергии теплового движения при нормальных температурах оказывается достаточно, чтобы преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости. В этой зоне внешнее электрическое поле влияет на движение электронов так же, как в проводниках. Такие кристаллы называются полупроводниками. Чем выше температура Т, тем большее число электронов преодолевает запрещенную зону и проникает в зону проводимости, тем выше проводимость полупроводников. Зависимость от Т определяется формулой

и является важнейшей характеристикой полупроводников. Следует отметить, что если электрон в полупроводнике переходит из валентной зоны в зону проводимости, то он оставляет вакантное место. Оно получило

45

название "дырки". "Дырка" может быть заполнена другим электроном, но она появится на месте последнего. Очевидно, что число "дырок" равно числу электронов, перешедших в зону проводимости.

Диаграмма (см. рис 1) энергетических уровней электронов в a) кристаллах, б) проводниках; в) полупроводниках; г) диэлектриках представляет заполнение электронами уровней в зонах.

При отсутствии внешнего электрического поля хаотически двигающиеся электроны, периодически появляющиеся и заполняющие "дырки", равномерно распределяются по всему объему кристалла. Если же в полупроводнике создать электрическое поле, то под действием его электроны будут перемещаться в сторону более высокого потенциала, а "дырки" - в противоположную сторону. Таким образом, внешнее электрическое поле вызывает движение электронов и "дырок" в полупроводнике. Это говорит о том, что полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью.

Наиболее изученным и широко применяемым в электронике полупроводником является германий (Ge). Это четырехвалентный элемент с шириной запрещенной зоны = 0,75 эВ.

Кристаллическая решетка германия построена таким образом, что у каждого атома имеется четыре ближайших соседа, расположенных на одинаковом расстоянии от данного атома. Два соседних атома связаны парой общих электронов. Такая связь, как известно, называется ковалентной.

При комнатной температуре концентрация электронов в зоне проводимости германия порядка 1013 в 1 см3 (у металлов она порядка 1022), поэтому чистый германий обладает незначительной электропроводностью.

Особенностью полупроводников является возможность широкого изменения величины электропроводности введением в них примесей. Примесь может создать в германии либо избыток электронов, либо избыток "дырок". Примесь, приводящая к увеличению числа электронов в зоне проводимости, называется донорной, а полупроводник с избытком электронов над "дырками" – полупроводником n– типа. Примесь же, приводящая к образованию "дырок" в кристалле, называется акцепторной, а полупроводник с избытком "дырок" над электронами - полупроводником p– типа.

С точки зрения зонной теории атомы примеси приводят к появлению дискретных энергетических уровней в запрещенной зоне либо вблизи зоны проводимости (донорные примеси), либо вблизи валентной зоны (акцепторные примеси).

В n - полупроводнике электронов в зоне проводимости значительно больше, чем "дырок" в валентной зоне; электроны здесь являются основными носителями тока, а "дырки" неосновными. В р - полупроводнике основными носителями являются "дырки", неосновными – электроны.

46

Кристаллы n - и p -полупроводников, взятые порознь, используются сравнительно редко. Широко используются в электронике кристаллы, внутри которых имеется соединение полупроводников n- и p-типа, приводящее к замечательным явлениям. Граница соединения полупроводников обычно называется p-n переходом. P-n переход свободно пропускает ток только в одном направлении и применяется для выпрямления переменного тока. Принцип действия p-n перехода заключается в следующем.

Пусть p- и n-полупроводники соприкасаются по плоскости S - S (см. рис.2, a). Поскольку справа от этой плоскости имеется избыток электронов, а слева – "дырок", то при соприкосновении начнется диффузия носителей зарядов через переход. Часть "дырок" из p-области перейдет в n-область, а электроны диффундируют в p-область. В результате n-область зарядится положительно, а p-область – отрицательно. На границе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу "дырок" и электронов. Если теперь к p-n переходу приложить внешнее напряжение так, что к положительно заряженной n-области будет присоединен плюс, а к отрицательно заряженной p-области – минус (см. рис.2,a),

Рис. 2. Схема выпрямляющего действия p – n перехода

то напряженность поля в зоне p-n перехода, препятствующая движению основных носителей тока через переход, еще больше возрастет. Следовательно, при таком включении источника тока в цепи за счет основных носителей не будет. Но будет ток за счет неосновных носителей, правда, совсем незначительный.

Если же изменить полярность приложенного напряжения (см. рис.2, б), то "дырки", проникающие в n-область, будут нейтрализоваться электронами от источника тока. В свою очередь электроны, диффундирующие в p-область, будут уходить к положительному полюсу источника тока. При такой полярности поле, препятствующее диффузии основных носителей тока через p-n переход, сильно уменьшается, и ток может достигать больших значений. Устройство, содержащее соприкасающиеся p- и n-полупроводники, называется полупроводниковым выпрямителем. Промышленность выпускает их на самые различные токи и напряжения. Конструктивно полупроводниковый диод представляет собой пластинку германия n-типа, на которую нанесен слой индия. При повышении температуры часть атомов индия, проникая в германий, создает слой с дырочной проводимостью.

47

На границе этого слоя с германием возникает p-n переход.

Для защиты от влаги и повреждений германий со слоем индия поме-

щается в корпус, на котором стрелкой указано направление пропускания тока. Оно называется прямым.

В данной работе необходимо снять и построить вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и с помощью осциллографа изучить работу однополупериодного выпрямителя. Работа состоит из двух частей.

СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕРМАНИЕВОГО ДИОДА

Важнейшей характеристикой всякого выпрямителя является кривая зависимости тока от величины и полярности приложенного напряжения. Такая характеристика называется вольт-амперной.

На рис.3 даны принципиальные схемы для снятия вольт-амперной характеристики диода при прямом (рис.3, a) и обратном (рис.3, б) направлениях.

Сопротивление диода в прямом направлении мало, значительно меньше сопротивления вольтметра. Поэтому ток через вольтметр мал, и миллиамперметр (см. рис.3, a) практически измеряет ток через диод.

Для снятия вольт-амперной характеристики при обратном направлении тока схема (см. рис.3, a) непригодна, т.к. сопротивление диода в обратном направлении велико, а ток через диод мал по сравнению с током через вольтметр. В случае схемы (см. рис.3, б) вольтметр практически измерит малое падение напряжения на микроамперметре.

Рис. 3

Обе схемы смонтированы вместе. Можно пропускать ток как в прямом, так и в обратном направлениях. Для измерения сравнительно большого тока в прямом направлении применим миллиамперметр. Сравнительно малый обратный ток измеряется микроамперметром. Питание подается от выпрямителя.

48

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Собрать схему (см. рис.3, a). Диод в этом случае включен в прямом направлении.

2.Увеличивая напряжение на диоде от 0 до Umax с помощью потенциометра R1, отмечают соответствующие значения тока. Те же измерения проводят в обратном порядке. Для каждого значения напряжения на диоде найти среднее значение тока из двух измерений.

3.Собрать схему (см. рис.3, б), тогда включается цепь обратного тока.

4.Увеличивая напряжение на диоде от 0 до Umax, измерить ток диода при нескольких разных значениях напряжения.

5.По данным измерений построить вольт-амперную характеристику диода, откладывая прямое напряжение вправо от оси X, а обратное – влево; прямой ток – вверх от оси Y, а обратный – вниз. Чтобы обе части характеристики изобразить на одном графике, масштаб тока в прямом направлении следует взять в тысячу раз меньше, чем в обратном, а масштаб обратного напряжения взять в десять раз меньше, чем прямого. Масштабы на графике указать.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Чем отличаются друг от друга с точки зрения зонной теории проводники, полупроводники, диэлектрики?

2.Какие вы знаете типы проводимостей полупроводников?

3.Как устроен и работает полупроводниковый диод?

4.Как снять вольт-амперную характеристику полупроводникового диода?

5.Объясните принцип работы однополупериодного выпрямителя на полупроводниках.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Курс общей физики /С.Э.Фриш, А.В. Тиморева. Т.2. - М., 1962.

2.Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Электричество и магнетизм. Оптика) /Ю.В.Тихомиров : учеб. пособие для студ. высш. техн. учеб. заведений дневн., вечер. и заоч. (дистанционной) форм обучения. - М., 2002.-52 с.

3.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.1. М.: Наука, 1982.

4.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.2. М.: Наука, 1978.

5.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.3. М.: Наука, 1979.

6.Общий курс физики /Д.В. Сивухин. Т.3: Электр. М.: Физматгиз, 1977.

7.Практикум по физике /А.В. Кортнев,Ю.В. Рублев, А.Н. Куценко. М.:

Высш.шк., 1961.

8.Теория электронных приборов сверхвысоких частот /С.Д. Гвоздовер. М.: Физматгиз, 1966.

9.Полупроводники в науке и технике /А.Ф. Иоффе. Т.1. - Л., 1960.

49