Описание экспериментальной установки

Установка разработана на основеLi-ионного аккумулятора электроемкостью С=2200мА. Эксплуатация батареи на основе литий-ионных аккумуляторов предполагает наличие системы контроля, который обеспечивает необходимее режимы работы. Для устранения вредоносных процессов перезаряда и переразряда батареи в работе используется интегральная микросхема ZС10500 (рис.2.5).

Она имеет разъем микро USB (1), котроллер заряда на микросхема ТР 4056 (2), схема защиты выполнена на микросхеме DW 01(3), также имеются два транзистора 8205А(4) выполненные в одном корпусе, R3 (5) резистор заряда который выдает ток 1 ампер. На плате предусмотрены два сигнальных светодиода (6).

Для питания контроллера можно использовать лабораторный источник тока, который подсоединяется к выходам «+» и «-». К контактам «В+» и «В-» подсоединяется батарея, «out+» и «out -» источник потребления энергии магазин сопротивлений R. В цепи нагрузки включены амперметр и вольтметр. Режимы зарядки и разрядки батареи переключаются ключом К.

 

 

Рисунок 2.5 – Блок схема лабораторной установки (а); принципиальная электрическая схема ZC10500 (б)

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Переключите ключ К в положение (1) разряда аккумулятора на внешнюю нагрузку R.

2. Установите сопротивление R ≈500 Ом и измерьте силу тока I в цепи при помощи амперметра.

3. Уменьшая сопротивление R до 50 Ом с шагом Δ R =50 Ом измерьте 8-10 значений силы тока I.

4. Данные занесите в таблицу 2.1

Внимание!!! Не устанавливайте R =0Ом избегайте токов короткого замыкания!!!

Таблица 2.1 – Экспериментальные данные

№	R, Ом	I, mA	r, Ом	rср,Ом	η,%	ε, В	εcp, В	εэкс, В	P, Вт	PR, Вт

5. Подключите к соответствующим выводам на лабораторном стенде вольтметр и измерьте ε_экс. Данные занесите в таблицу 2.1

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Рассчитаете по формуле (2.17) внутреннее сопротивление аккумулятора r для каждого опыта.

2. Найдите среднее значение r_ср.

3. Поформуле (2.20) определите КПД η для каждого выполненного эксперимента.

4. Рассчитаете по формуле (2.16) ЭДС аккумулятора ε для каждого опыта и найдите его среднее значение ε_cp.

5. По формуле (2.14) найдите ток короткого замыкания аккумулятора I _кз.

6. Рассчитайте мощность, выделенную во всей цепи P по формуле (2.18) и во внешней части цепи P_R (2.19).

7. Постройте графики зависимости и в одной системе координат. Проанализируйте их и сделайте выводы к лабораторной работе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется ЭДС источника тока?

2. Почему при измерении ЭДС источника тока с помощью вольтметра надо выбрать вольтметр с большим внутренним сопротивлением?

3. Как определяется и от чего зависит мощность, выделяемая во внешней цепи? При каком условии она максимальна?

4. При каком условии максимальна полная мощность источника?

5. Вывести закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме. Получить из него выражения закона Ома для замкнутой (полной) цепи и однородного участка.

6. При каких R мощность на нагрузке равна половине полной мощности?

7. Какие силы называются сторонними? Привести примеры сторонних сил.

8. Как возникает ЭДС в гальванических элементах?

9. Какими величинами можно характеризовать источник тока и его действие в цепи?

10. Как можно измерить ЭДС источника тока?

 

ЛИТЕРАТУРА [2, c.91-98, [3, c.141-148], [4, c.106-121]

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель: изучить свойства полупроводников, принцип работы p-n перехода, получить вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и проанализировать полученные результаты.

Материалы и оборудование: кремниевый диод Д814А, миллиамперметр, микроамперметр, потенциометры, одно - и двухполюсные ключи.

Практическое значение: различного рода полупроводниковые приборы такие как: датчики Холла, диоды, диоды Ганна, лавинные диоды, транзисторы широко используются в быту, промышленности, в научных исследованиях.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Полупроводники – это вещества, имеющие при комнатной температуре удельную электрическую проводимость в интервале от 10^{- 8} до 10⁶ Ом^{- 1}·м^{- 1}, которая в сильной степени зависит от вида и количества примеси и структуры вещества, а также от внешних условий: температуры, освещения, внешних электрических и магнитных полей, облучения.

1.1. Собственная проводимость полупроводников. Обычно к полупроводникам относят кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5 ÷ 2 эВ. Кристаллы с большими значениями энергии связи относятся к диэлектрикам.

Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. При температуре около 300 К средняя энергия теплового движения атомов в полупроводниковом кристалле составляет около 0,04 эВ. Это значительно меньше энергии, необходимой для отрыва валентного электрона, например, от атома кремния (1,1 эВ). Однако вследствие неравномерного распределения энергии теплового движения некоторые атомы кремния ионизируются (рис. 3.1).

Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости.

Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок – дырочныйток проводимости.

В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника.

Концентрация носителей заряда в полупроводниках при комнатной температуре значительно меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников обычно больше, чем металлов. При понижении температуры удельное сопротивление полупроводника увеличивается – он все больше становится похожим на диэлектрик.

1.2. Донорные и акцепторные примеси. Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов – донорные и акцепторные. Если, например, в кристалле кремния имеется примесь атомов мышьяка, то эти атомы замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Пятивалентный атом мышьяка вступает в ковалентные связи с четырьмя атомами кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях (рис. 3.2).

Энергия, необходимая для разрыва связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка в кристалле кремния, мала. Поэтому при комнатной температуре почти все атомы мышьяка лишаются одного из своих электронов и становятся положительными ионами.

Положительный ион мышьяка не может захватить электрон у одного из соседних атомов кремния, так как энергия связи электронов с атомами кремния значительно превышает энергию связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка. Поэтому эстафетного перемещения электронной вакансии не происходит, дырочной проводимости нет. Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными.

В полупроводниковом кристалле, содержащем донорные примеси, электроны являются основными, но не единственными носителями тока, так как небольшая часть собственных атомов полупроводникового кристалла ионизована и часть тока осуществляется дырками. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки – неосновными, называются электроннымиполупроводниками или полупроводниками n-типа.

Если в кристалле кремния часть атомов замещена атомами трехвалентного элемента, например индия, то атом индия может осуществлять связь только с тремя соседними атомами, а связь с четвертым атомом осуществляется лишь одним электроном. При этих условиях атом индия захватывает электрон у одного из соседних атомов кремния и становится отрицательным ионом. Захват электрона от одного из атомов кремния приводит к возникновению дырки (рис. 3.3). Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными.

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а неосновными носителями – электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа.

Свойства р-n-перехода.

При контакте двух полупроводников с разным типом проводимости на границе контакта возникает узкая область с уникальными физическими свойствами. Эта область называется переходом, а её свойства лежат в основе работы большинства приборов твёрдотельной электроники.

Важнейшим свойством перехода является следующее: переход обладает односторонней проводимостью. Рассмотрим физические процессы, позволяющие объяснить это свойство перехода. На рис.3.4, а изображены графики зависимости концентрации электронов (пунктирная кривая) и дырок (сплошная кривая) от пространственной координаты «x» для случая, когда полупроводники с разным типом проводимости ещё не приведены в контакт. Ось «x» направлена перпендикулярно к плоскости контакта. В полупроводнике – типа дырки являются основными носителями тока и их концентрация на несколько порядков больше концентрации электронов , в полупроводнике n -типа соотношение между и – обратное .

Если «» и «» – области привести в контакт, то электроны и дырки из своих областей начнут диффундировать навстречу друг другу и рекомбинировать между собой. Рекомбинация – это процесс взаимного уничтожения свободного электрона и дырки. В результате их взаимной рекомбинации в узком слое контакта возникает слой с малой концентрацией носителей тока, т.е. с высоким сопротивлением. Эта область контакта толщиной называется запирающим слоем.

На рис.3.4,б сплошная кривая показывает изменение концентрации дырок в переходе: концентрация дырок уменьшается от её значения в – области полупроводника до её значения в – области, где дырки являются неосновными носителями. Третья кривая на рисунке показывает суммарную концентрацию носителей тока.

В –области контакта в результате ухода электронов с доноров остаются нескомпенсированные положительно заряженные ионы примесей, образующие слой с положительным объемным зарядом. Аналогично этому, в –области после ухода дырок образуется слой отрицательного заряда (рис.3.4, в). В результате в области перехода возникает электрическое поле с напряженностью и контактная разность потенциалов . Это поле, являясь внутренним полем перехода, направлено от – области к – области и препятствует дальнейшей диффузии основных носителей тока. Это происходит в результате того, что для проникновения дырки из –области в –область необходимо преодолеть потенциальный барьер, равный , где – элементарный электрический заряд, только небольшая часть дырок обладает достаточной тепловой энергией для такого перехода. Ток основных носителей через переход называется диффузионным током или током рекомбинации.

Для неосновных носителей тока электрическое поле перехода не является препятствием, и они свободно перемещаются (дрейфуют) в области перехода под действием его электрического поля. Ток неосновных носителей через переход называется дрейфовым током или током генерации.

Направление в переходе от -области к -области называется прямым направлением, противоположное направление называется обратным направлением.

В отсутствии внешнего электрического поля имеет место динамическое равновесие между токами через переход: диффузионный ток основных носителей, текущий в прямом направлении, равен дрейфовому току, текущему в обратном направлении. Дрейфовый ток представляет собой обратный ток перехода.

При приложении к переходу внешнего напряжения баланс между прямым и обратным токами нарушается, причем характер изменений существенно зависит от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено в прямом направлении – против контактной разности потенциалов , то потенциальный барьер для диффузионного тока основных носителей уменьшится до величины (рис.3.4,г), что приводит к резкому (экспоненциальному) увеличению тока через переход.

Если внешнее напряжение приложено в обратном направлении, то потенциальный барьер в переходе для основных носителей увеличивается, и они не могут его преодолеть. Через переход идет только слабый обратный ток, определяемый существованием небольшого количества неосновных носителей тока. Концентрация неосновных носителей тока не зависит от внешнего напряжения. Обратный ток слабо зависит от величины обратного напряжения. Это означает, что сопротивление перехода в обратном направлении увеличивается в раз по сравнению с его сопротивлением в прямом направлении. Так объясняется односторонняя проводимость перехода и связанное с ней выпрямляющее действие перехода.

На рис.3.4,г изображено изменение скачка потенциала в переходе и толщина перехода в зависимости от полярности приложенного напряжения.

 

Рисунок 3.4 – а) графики зависимости концентрации носителей заряда от пространственной координаты «x» для случая, когда полупроводники с разным типом проводимости ещё не приведены в контакт;

б) графики зависимости концентрации носителей заряда от пространственной координаты «x» для случая, когда полупроводники с разным типом проводимости приведены в контакт;

в) схема p-n – перехода;

г) графики скачка потенциала в переходе и толщина перехода в зависимости от полярности приложенного напряжения

 

Как показывает теория, аналитическое выражение, описывающее вольт–амперную характеристику перехода, имеет вид:

, (3.1)

где – напряжение на переходе (положительное в прямом направлении и отрицательное в обратном),

– обратный ток, называемый также «ток насыщения»,

– элементарный электрический заряд,

– постоянная Больцмана,

– температура перехода в Кельвинах.

Вольт-амперная характеристика, построенная по формуле (3.1) приведена на рис.3.5.

 

Динамическое сопротивление вблизи некоторой выбранной точки на вольтамперной характеристике вычисляется по формуле:

 

, (3.2)

 

где - котангенс угла наклона касательной к выбранной точке вольт-амперной характеристики.

В данной лабораторной работе рекомендуется выбрать рабочую точку для U₀ при вычислении в диапазоне В и для в диапазоне В.