- •Министерство сельского хозяйства российской федерации
- •Введение
- •Лабораторная работа № 1 Изучение электростатического поля методом моделирования
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •3.1 Задание 1 Фокусировка электронного луча и регулирование его положения на экране
- •3.2 Задание 2 Определение чувствительности осциллографа и чувствительности электроннолучевой трубки
- •3.3 Задание 3 Наблюдение формы различных сигналов и измерение входного напряжения
- •3.4 Задание 4 Получение фигур Лиссажу и определение частоты исследуемого сигнала
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 Исследование p-n-перехода и определение параметров полупроводникового диода
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 Изучение принципа работы электронных ламп и определение характеристик вакуумного триода
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 Изучение электропроводности жидкостей и определение электрохимического эквивалента меди
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Библиографический список
3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
При подготовке к лабораторной работе необходимо составить конспект по одному из учебников, указанных в библиографическом списке:
- для инженерных специальностей: С. 269-270 /1/, С. 186-187 /2/, С. 450-452 /2/, С 236-240 /3/;
- для неинженерных специальностей: С. 300-304 /4/.
3.1 Подключить исследуемый проводник к цифровому омметру.
3.2 Включить омметр в электрическую сеть, прогреть его 30…40 секунд.
3.3 Включить в электрическую сеть сушильный шкаф. В процессе нагрева, начиная с температуры 30 ˚С, измерять сопротивление исследуемого проводника (с точностью до 0,1 Ом). Измерения производить через каждые 10 ˚С до 100˚С. Результаты измерений записать в таблицу 1.
Таблица 1 Результаты измерения зависимости сопротивления
проводника от температуры
Обозначения физических величин |
Результаты измерений |
|||
№ измерения |
1 |
2 |
… |
n |
t, ºС |
|
|
|
|
, Ом |
|
|
|
|
3.4 Когда температура достигнет 100 ˚С, выключить печь и омметр.
3.5 Построить график температурной зависимости сопротивления проводника на миллиметровой бумаге, откладывая по горизонтальной оси температуру в градусах Цельсия (рекомендуемый масштаб 10 град/см), а по вертикальной оси - величину измеренного сопротивления (рекомендуемый масштаб 0,5 Ом/см). График строить в виде прямой линии, проходящей через точку 1, полученную при комнатной температуре. При этом необходимо, чтобы примерно половина экспериментальных точек находилась над линией, а половина - под ней, как на рисунке 2:
Рисунок 2 Примерный вид графика зависимости сопротивления от температуры
3.6 Продолжить линию графика до пересечения с вертикальной осью, эта процедура называется экстраполяцией, по полученной точке пересечения определить сопротивление при температуре 0 ºС и определить точки, лежащие точно на прямой на рисунке 2 точки 2 и 3.
3.8 Для точки, лежащей точно на прямой ближе к концу графика (на рисунке 2 это точка 3), рассчитать среднее значение температурного коэффициента сопротивления . Из формулы (2) следует, что температурный коэффициент сопротивления вычисляется по формуле:
. (3)
Подставив в (3) полученные значения , найти .
3.9 Поскольку при измерениях значения округлялись до 0,1 Ом, то погрешности и следует принять равными Ом. Погрешность рассчитать по формуле:
, (4)
где - инструментальная погрешность термометра (половина цены деления).
3.10 Результаты представить в виде:
и . (5)
Используя полученные числовые значения, записать уравнение прямой в виде
. (6)
3.11 Сделать выводы. Сравнить полученное значение со справочным (смотри приложение В) и определить материал проводника.
4 Контрольные вопросы
4.1 Что представляет собой ток в металлах?
4.2 Как зависит сопротивление металлического проводника от температуры?
4.3 Как зависит сопротивление проводника правильной формы от его размеров?
4.4 Какими причинами обусловлено сопротивление проводников?
Лабораторная работа № 4
Изучение температурной зависимости сопротивления
полупроводника
Цель и задача работы: Изучение теории проводимости полупроводниковых материалов, получение экспериментальной зависимости сопротивления полупроводника от температуры и определение энергии активации электрона (ширины запрещенной зоны).
1 Общие сведения
В отличие от металлических проводников, сопротивление полупроводников уменьшается ростом температуры. Это объясняется современной физикой твердого тела, где обосновано, что в твердом теле энергетические уровни отдельных атомов объединяются в систему близко расположенных уровней, называемых разрешенными энергетическими зонами. Разрешенные зоны разделены запрещенными зонами ─ интервалами энергии, которой не могут обладать электроны в данном кристалле.
В полупроводнике при температуре 0 К все зоны, в которых имеются электроны, полностью заполнены, и он является диэлектриком. При повышении температуры некоторые электроны в зоне, заполненной валентными электронами (валентная зона), могут получить избыточную энергию , достаточную для перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Энергия называется энергией активации. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости ведет к образованию в валентной зоне вакантного места, соответствующего положительному заряду и получившего название дырка. Химически чистые, беспримесные полупроводники называются собственными, концентрации электронов и дырок в них одинаковы.
На рисунке 1 приведена диаграмма энергетических зон собственного полупроводника. Электрические свойства полупроводников обусловлены валентными электронами в валентной зоне V, которая отделена запрещенной зоной Z от следующей разрешенной зоны C, называемой зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны Z у полупроводников составляет примерно 1 эВ.
Рисунок 1 Диаграмма энергетических зон для собственного
полупроводника: С – зона проводимости; Z – запрещенная зона;
V – валентная зона; WC - минимальная энергия электрона в зоне проводимости; WF - уровень Ферми; WV – максимальная энергия электронов в валентной зоне; Wa – энергия активации
В собственных полупроводниках концентрация электронов в зоне проводимости и соответственно дырок в валентной зоне определяется формулой:
, (1)
где - собственная концентрация носителей заряда; - энергия Ферми (уровень Ферми) для данного полупроводника; Т – абсолютная температура; - постоянная Больцмана, .
Уровень Ферми в собственных полупроводниках расположен в середине запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости, т. е.:
. (2)
Подставив (2) в (1), получим концентрацию носителей заряда:
. (3)
При помещении полупроводника в электрическое поле в нем появляется электрический ток, образованный движением электронов, попавших в зону проводимости, и дырок, имеющихся в валентной зоне. Плотность тока зависит от концентрации электронов и дырок , величины их заряда и средней скорости их направленного движения и определяется формулой:
, (4)
где индексы и относятся соответственно к электронам и дыркам. Так как в собственных полупроводниках концентрации и , то (4) можно переписать:
. (5)
Плотность тока связана с удельной электропроводностью законом Ома в дифференциальной форме:
(6)
где - удельное электрическое сопротивление; - напряженность электрического поля.
Обозначим удельную электропроводность при температуре 0 К,:
. (7)
Из выражений (5), (6) и (7) найдем что:
. (8)
Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью. С точки зрения зонной теории это обстоятельство объясняется так: с повышением температуры растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, соответственно растет и число дырок, что увеличивает концентрацию заряженных частиц, участвующих в создании электрического тока.