Полупроводникового диода
Цель работы: Исследовать зависимость силы тока от напряжения на полупроводниковом диоде.
Оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ЭТ1.
Краткая теория
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств p-n-перехода.
Для образования p-n–перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью – область с электронной проводимостью.
Такая область создается введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением примеси в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок.
Диффузия электронов из n-полупроводника в p-полупроводник приводит к появлению в электронном полупроводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси. В дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению нескомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси. Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из n-полупроводника в p-полупроводник и дырок из p–полу-проводника в n-полупроводник. Электронно-дырочный преход,или сокращенно p-n-переход, является границей, разделяющей области с дырочной (p) и электронной (n) проводимостью в одном и том же монокристалле.
Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости (она называется запирающим слоем) в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.
Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают запирающее напряжение U3: его значение для германиевых p-n-переходов равно примерно 0,35 В, для кремниевых –0,6 В.
Если p-n–переход соединить с источником тока так, чтобы с его положительным полюсом была соединена область с электронной проводимостью, то электроны в n-полу-проводнике и дырки в р - полупроводнике будут удаляться внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину и удельное сопротивление. Сопротивление p-n-перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения p-n-перехода называется включением в запирающем, или обратном, направлении. Обратный ток в этом случае обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход, т. е. наличием небольшой концентрации свободный электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике, освобожденных тепловым движением от собственных атомов.
Если р-п- переход соединить с источником тока так, чтобы положительный полюс был соединен с областью с дырочной проводимостью, а отрицательный – с областью с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через р-n-переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его толщину и сопротивление. Сила тока через р-n-переход в этом случае при напряжениях, превышающих U3, ограничивается лишь, сопротивлением внешней электрической цени. Этот способ включения называется включением в пропускном, или в прямом, направлении.
Способность р-n –перехода пропускать ток практически только в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постояный.
Отношение значения прямого тока к значению обратного при напряжении 1 В называется коэффициентом выпрямления. В хороших диодах коэффициент выпрямления достигает значений порядка 106.
Область рабочих напряжений полупроводникового диода ограничена со стороны малых напряжений из-за повышения сопротивления р-n-перехода с уменьшением прямого напряжения. Максимальное значение рабочего напряжения диода определяется напряжением пробоя р-n-перехода при обратном напряжении.
Содержание работы:
1. Собрать электрическую схему (рис 1). Обратить внимание на полярность включения диода и измерительных приборов.
2. Переключить амперметр (1) в положение mA, постепенно увеличивать напряжение до 12 В, измерять прямой ток через диод (Iпр) и напряжение на резисторе R1 (UR1). Результаты записать в Таблицу 1.
Таблица 1
| Измерить | Напряжение | U1 (В) | |||||||
| Прямой ток | Iпр (мА) | ||||||||
| Напряжение на резисторе R1 | UR1 (В) | ||||||||
| Вычислить | Напряжение на диоде | Uпр (В) |
3. Выключить напряжение. Регулируемое сопротивление уставить в исходное положение.
4. Вычислить напряжение на диоде Uпр:
Uпр = U1 - UR1
Результат записать в Таблицу 1.
5. Изменить полярность включения диода.
6. Поставить амперметр в положение (), постепенно увеличивать напряжение U1 до 10 В, измерять обратный ток через диод (Iобр). Результаты записать в Таблицу 2.
Так как RД обр >> R1, то U обр @ U1
Таблица 2
| Напряжение | Uобр @ U1 | 0,2 | 0,5 | 1,0 | ||||||
| Обратный ток | Iобр (μА) |
7. Построить вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в масштабе в соответствии с рис.2 по данным Таблиц 1 и 2.
8. Сделать вывод
Контрольные вопросы
1. Что такое p-n-переход?
2. Почему p-n-переход обладает односторонней проводимостью?
3. Какими недостатками обладают полупроводниковые диоды?
4.ОПТИКА
Лабораторная работа 1
Линзы
Цель работы: 1. Определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз.
2. Измерение показателя преломления стекла линзы.
Оборудование:собирающая линза (№1, №2), рассеивающая линза №3, источник 4В, электрическая лампа, экран, ключ, измерительная линейка, штангенциркуль, провода.
Краткая теория
Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное двумя гладкими выпуклыми или вогнутыми поверхностями (одна из них может быть плоской). Чаще всего поверхности линзы делают сферическими, а саму линзу изготавливают из специальных сортов стекла, например, флинтгласа, или других веществ с подходящим показателем преломления. Линзы подразделяются на выпуклые (рис.1а, б, в), которые толще к середине, и вогнутые (рис.1 г, д, е), которые к середине тоньше.
Выпуклая линза обладает свойством собирать параллельные лучи в одной точке (F), поэтому они называются собирающими (рис2 а).
Если параллельные лучи направить на вогнутую линзу, то пучок лучей рассеивается так, как будто исходит из точки F. Такие линзы называются рассеивающими (рис2 б).
Точка F называется главным фокусом линзы. У собирающих линз главный фокус действительный, а у рассеивающих - мнимый.
Точка О замечательна тем, что проходящий через нее луч идет после выхода из линзы в том направлении, что и до линзы. Точка О есть оптический центр линзы. Расстояние между главным фокусом линзы и ее оптическим центром называют главным фокусным расстоянием (f). Если главный фокус действительный, то f считают положительным, а если мнимый –отрицательным.
Положение главного фокуса оказывают существенное влияние на размеры и вид изображений, полученных с помощью линзы.
 |
Величина, которая характеризует оптические свойства линзы, определяемая положением ее главного фокуса на оптической оси, называют оптической силой линзы (D). Оптическая сила линзы измеряется числом, обратным главному фокусному расстоянию этой линзы f.
| |
В системе СИ за единицу измерения оптической силы принимается диоптрия – опти-
ческая сила такой линзы, главное фокусное расстояние которой равно одному метру.
 |
Размерность D – это обратный метр (м-1). D можно вычислить по формуле:
где n - показатель преломления вещества линзы, R1 и R2- радиусы сферических поверхностей линзы.
Содержание работы
1. Определение фокусного расстояния собирающей линзы
Включите лампу накаливания к источнику 4В. Нить лампы будет служить “пред-метом”. Установите на столе собирающую линзу №2 и экран. Перемещая линзу и экран, добивайтесь появления на экране четкого изображения предмета. Измерьте расстояние а1 и а2 (рис.3)
Проведите такие измерения для нескольких расстояний не менее трех раз, как при увеличенном, так и при уменьшенном изображении предмета. По результатам измерения вычислите фокусное расстояние линзы по формуле (1)
 |
Из полученных результатов найдите среднее арифметическое значение f.
2. Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы
Рассеивающая линза образует только мнимое изображение, которое нельзя получить на экране, т.е. нельзя измерить расстояние от линзы до изображения. Фокусное расстояние рассеивающей линзы можно определить, если использовать вспомогательную собирающую линзу.
2.1. Вначале на столе помещают только собирающую линзу №2 и фиксируют на экране действительное изображение предмета. С помощью линейки отмечают положение S1 этого изображения (рис.4).
2.2. На пути лучей, выходящих из собирающей линзы, помещают рассеивающую линзу №3. На нее падает пучок сходящихся лучей. Точка S1 пересечения лучей собирающей линзы играет по отношению к рассеивающей линзе роль мнимого источника
Действительное изображение этого источника S переместится теперь в точку S2. Новое положение изображения S2 найдите перемещением экрана.
Используя свойство обратимости световых лучей, можно принять, что световые лучи выходят из точки S2, а в точке S1 получается изображение точки S2.
 |  |
Замерьте a1 и a2, определите фокусное расстояние рассеивающей линзы. С учетом правила знаков по формуле 2:
Измерения необходимо провести несколько раз при различный значениях а1 и а2, вычислив среднее арифметическое значение фокусного расстояния для рассеивающей линзы.
2. Измерение показателя преломления стекла линзы
 |
Показатель преломления n стекла, из которого изготовлена линза, можно определить из формулы:
где R1 и R2 - радиусы сферических поверхностей образующих линз. Если линза симметричная и двояковыпуклая, то R1 = R2 = R и, следовательно:
 |
Радиус кривизны R можно рассчитать, проведя измерения геометрических размеров линзы: ее толщины H, диаметра D и толщины цилиндрического слоя h0 (рис.5).
 |
Для треугольника ОАВ:
 |
Проведя преобразования, получим:
 |
Где:
3.1. Штангенциркулем измерьте толщину линзы H, толщину ее цилиндрического слоя h0 и диаметр линзы D.
3.2. Определите фокусное расстояние линзы №1.
3.3. Рассчитайте радиус R сферических поверхностей линзы по формуле (4).
3.4. Рассчитайте показатель преломления n стекла, из которого изготовлена линза по формуле (3).
3.5. Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу
Таблица
| H(м) | D(м) | h0(м) | R(м) | F(м) | n |
Ответьте на вопросы преподавателя
Лабораторная работа 2
