Работа 9 Демонстрационный эксперимент при изучении электрических свойств полупроводников

Цель работы:

• Изучение содержания темы «Электрический ток в полупроводниках»

• Овладение методикой и техникой проведения основных демонстраций по теме.

При подготовке к работе следует:

• Ознакомиться с содержанием темы “Электрический ток в полупроводниках” в учебном пособии “Физика-10”.

  • Ознакомиться с комплектом полупроводниковых приборов.

В процессе изучения электрических свойств полупроводников происходит закрепление и углубление понятий, связанных с объяснением природы электрического тока. Характерной особенностью полупроводников является резкая зависимость их электропроводности от внешних условий (температуры, давления, внешних полей, освещения, облучения ядерными частицами и т.д.), а так же от примесей.

Учитель должен иметь в виду, что корректное объяснение многих явлений, происходящих в полупроводниках, невозможно в рамках классической теории электропроводности. Это может быть объяснено на основе зонной теории. В средней школе знакомство с элементами данной теории не является обязательным. Элементарное объяснение явлений, протекающих в полупроводниках, опирается на знания учащихся элементов классической электронной теории. Предварительные знания строения электронной оболочки атомов и знакомых из курса химии представлений о ковалентной связи. Изучение основных свойств полупроводников в школьном курсе физики необходимо вести с широкой опорой на эксперимент.

В школьных условиях можно выразительно и убедительно показать зависимость проводимости полупроводников от температуры и освещения. Познакомить учащихся с фото- и –терморезисторами и показать на опыте принцип их действия в технике. Увлекаться демонстрацией большого числа технических применений полупроводников не следует, это может отвлечь внимание учащихся от основного материала.

В настоящее время промышленность выпускает для школ демонстрационный набор полупроводниковых приборов, разработанный Буровым. Набор дает возможность показать все основные опыты, раскрывающие содержание темы. Для постановки демонстрационных опытов приборы комплекта используются вместе с основным оборудованием школьного физического кабинета: выпрямителями, гальванометрами, реле и т.д. При изучении устройства и действия полупроводниковых приборов важное значение имеют следующие учебные таблицы, содержащие необходимый иллюстративный материал к рассказу учителя: 1. Термистор. 2. Фоторезистор. 3. Диод. 4. Фотоэлемент. 6.Транзистор. На этих таблицах крупным планом изображено устройство полупроводниковых приборов, которые входят в демонстрационный комплект, а так же даны их условные обозначения, схемы действия и основные характеристики.

Комплект полупроводниковых приборов

а) Терморезистор типа ММТ-4 имеет сопротивление при температуре 20°С — 10-12 кОм, температурный коэффици­ент сопротивления от -2,4 до +3,4% на 1 градус; интервал ра­бочих температур минус 70 плюс 120° С.

В ыводы от терморезистора герметизированы и через изоли­рующую стойку подведены к правой и средней клеммам. Между средней и левой клеммами включено дополнительное сопротив­ление 1,3 кОм, предназначенное для ограничения тока, прохо­дящего через терморезистор.

б) Фоторезистор типа ФСК-1 имеет светочувствительную поверхность около 30 мм², темновое сопротивление более 10⁷ Ом, максимальное рабочее напряжение 400 В, удельную чувстви­тельность 3000 мкА/(лм-В). Фоторезистор обладает заметной температурной чувствительностью и инер­ционностью.

в) Термоэлемент состоит из двух полупроводниковых эле­ментов, различающихся между собой по виду проводимости. Полупроводниковые элементы имеют вид брусков и сверху со­единены медной пластиной, а снизу припаяны к массивным мед­ным пластинам — радиаторам.

г) Фотоэлемент селеновый типа СФ-10 имеет фото­активную площадь 10,4 см²-, чувствительность по току около 500 мкА/лм при внешнем сопротивлении 500 Ом. ЭДС холосто­го хода фотоэлемента 250 мВ при освещенности 100 лм. При температуре выше 50° С — фотоэлемент не работает.

Выводы фотоэлемента соединены с двумя универсальными зажимами, около которых стоят значки, указывающие поляр­ность включения фотоэлемента. В некоторых опытах на фото­элемент подается внешнее напряжение. Оно не должно превы­шать 0,2 В!

д) Диоды германиевые, плоскостные типа Д7. Предельный выпрямленный ток 300 мА, наибольшая ампли­туда обратного напряжения 300—400 В. Использование диодов при тем­пературе выше 70° С не допускается. На панели обозначена по­лярность включения диодов в пропускном направлении.

е) Транзистор германиевый, плоскостной типа П-15 имеет коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером 50, граничную частоту усиливаемых колебаний 2 МГц, сопротивле­ние базы не более 150 Ом, номинальное напряжение на коллек­торе 5 В, номинальный ток коллектора 10 мА, допустимый ток эмиттера 10 мА, обратные токи коллекторного и эмиттерного переходов не более 15 мкА, допустимую мощность рассеивания на коллекторе 150 мВт.

Опыт 1. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры.

О борудование: термореристор, источник постоянного напряжения, гальванометр от вольтметра, спиртовка, провода соединительные, ключ.

Терморезистор (при снятом проволочном нагрева­теле) включите в электрическую цепь последовательно с источ­ником постоянного тока напряжением 2-4 В, демонстрацион­ным амперметром (включенным в качестве гальванометра) и однополюсным ключом.

Замкните цепь. Нагревайте терморезистор, наблюдайте за отклонением стрелки гальванометра. Прекратите нагрев и наблюдайте изменение показаний прибора при охлаждении терморезистора. Сделайте вывод о характере зависимости сопротивления полупроводника от температуры.

Опыт 2. Зависимость сопротивления полупро­водника от освещенности

С оберите установку, подобную установке опыта 1, заменив терморезистор фото­резистором (если ток в цепи окажется слишком ма­лым, то увеличьте напряжение до 4—6 В). Изменяя освещен­ность фоторезистора, наблюдайте, как будет изменяться ток в цепи. Сделайте вывод о характере зависимости сопротивления полупроводника от освещенности

О пыт 3. Действие полупроводникового фотоэлемента

В цепь демонстрационного амперметра включите затемненный се­леновый фотоэлемент так, чтобы на его электронно-дырочный пе­реход было подано обратное напряжение (не более 0,2 В). Демон­страционный гальванометр обнаруживает слабый ток, обусловлен­ный движением через электронно-дырочный переход неосновных носителей заряда. Осветите фотоэлемент и наблюдайте за изменением силы тока. Сделайте вывод о характере зависимости величины тока от интенсивности освещения. Объясните эту закономерность

Опыт 4. Действие полупроводникового термо­элемента

К клеммам полупроводника с электронной проводимостью термоэлемента присоедините гальванометр (от демонстрацион­ного вольтметра). Нагревайте верхний спай (медный мостик) термоэлемента слегка нагретым паяльником. Отметьте величину термотока. По направлению отклонения стрелки установите направление то­ка в цепи и полярность концов полупроводника.

Повторите опыт, используя полупроводник с дырочной проводимостью. Гальванометр в этом опыте присоедините к ле­вой и средней клеммам термоэлемента.

Покажите работу термоэлемента, обе ветви которого яв­ляются полупроводниками с различной проводимостью. Гальва­нометр присоединяется к крайним клеммам прибора. Объясните наблюдаемые явления

О пыт 5. Односторонняя проводимость полу­проводникового диода

Оборудование: источник постоянного тока (1-2 В), ре­остат на 3-5 кОм, гальванометр от демонстрационного амперметра, диоды на панели.

Соберите установку по рисунку. Подберите сопротивление реостата таким, чтобы при замыкании цепи стрелка гальванометра отклонялась до последнего деления шкалы.

Включите в эту цепь полупроводниковый диод из на­бора сначала в пропускном, потом в запорном направлении и сделайте вывод о проводимости диода.

Опыт 6. Выпрямление переменного тока полупроводниковым диодом

Демонстрацию проводить по схемам: Схема 1 – однополупериодное выпрямление. Схема 2 – двухполупериодное выпрямление.

С ХЕМА 1. СХЕМА 2.

З арисуйте осциллограммы выпрямленного тока, объясните наблюдаемые явления

Опыт 7. Усилительное действие транзистора

Соберите установку в соответствии с рисун­ком. В этой установке транзистор включен по схеме с общим эмиттером. К эмиттерному переходу подключен через демон­страционный гальванометр селеновый фотоэлемент так, чтобы возникающая при освещении фотоэлемента ЭДС была подана в пропускном направлении этого перехода («—» к базе, а «+» к эмиттеру).

К выводам коллектора и эмиттера подведено через другой гальванометр (от амперметра) постоянное напряжение 4 В так, чтобы «—» был подсоединен к коллектору, а «+» — к эмиттеру. Изменяя освещенность фотоэлемента, покажите, как изме­няется при этом ток в цепи базы и ток в цепи коллектора и эмиттера. Сделайте вывод.