Порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рис. 3.10.

2. Подготовьте таблицу для записи результатов опыта.

Таблица 2

№ опыта					υ, Гц

3. Замкните ключ и измерьте напряжение U_L на катушке и напряжение на резисторе .

4. Проведите необходимые расчеты по формуле (5) и вычислите индуктивность катушки.

5. Повторите опыт, используя в качестве сопротивления другие резисторы или изменив частоту звукового генератора.

6. Вычисленное индуктивное сопротивление катушки сравните с величиной ее активного сопротивления, которое указано на катушке. Сделайте вывод о правомерности применения в работе упрощенной формулы для определения полного сопротивления катушки переменному току.

К онтрольные вопросы

1. Какая физическая величина называется полным сопротивлением (импедансом) цепи переменного тока?

2. Как находится сдвиг фаз между током и напряжением в цепи переменного тока?

3. В ыведите формулу для нахождения полного сопротивления цепи переменного тока, состоящей из активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.

4. Выведите формулу для нахождения сдвига фаз между током и напряжением в цепи переменного тока.

5. Постройте векторные диаграммы токов и напряжений для цепей переменного тока, содержащих различные элементы (конденсатор, катушку индуктивности, резистор).

6. Как будет выглядеть векторная диаграмма, если емкостное сопротивление больше индуктивного?

IV. Электрический ток в полупроводниках

Типичными полупроводниками являются кремний, германий, селен, теллур и некоторые другие элементы. Полупроводники имеют удельное сопротивление порядка 10^-2 - 10⁶ Омм. Полупроводники обладают рядом свойств, отличных от свойств металлов: их сопротивление уменьшается при повышении температуры; сопротивление полупроводников зависит от освещенности и интенсивности радиационного облучения.

Ток в полупроводниках обусловлен переносом электронов и дырок (избыточных положительных зарядов). В чистом полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы. Небольшое количество примеси сильно изменяет проводимость полупроводника. Добавление пятивалентного элемента, например, мышьяка к четырехвалентному германию создает преимущественно электронную проводимость. Такой полупроводник называется электронным полупроводником или полупроводником n-типа. Добавление трехвалентного элемента, например, индия превращает германий в полупроводник с дырочной проводимостью (полупроводник p-типа). Особый интерес для практического использования представляют явления, происходящие при контакте двух полупроводников с проводимостью разного рода.

Рассмотрим контакт двух полупроводников с электронной и дырочной проводимостью (p- и n- проводимостью). На границе соприкосновения этих полупроводников возникает слой, который называется электронно-дырочным переходом (p-n-переход). Такой переход нельзя создать простым соприкосновением двух полупроводниковых пластин p- и n- типа, так как вследствие шероховатостей и неровностей соприкасающихся поверхностей плотность контакта будет неодинаковой в различных точках. Обычно p- n-переходы получают в одном и том же кристалле полупроводника, создавая в нем разными способами области с различной проводимостью. Это можно сделать, например, производя местную термическую обработку кристалла германия. Другим способом получения p- n-перехода является внесение необходимых примесей в расплавленный полупроводник при выращивании монокристалла.

Рассмотрим явления, происходящие при контакте p- и n- полупроводников (см.рис.4.1). Основными носителями заряда в полупроводнике типа n являются электроны. Их концентрация значительно превышает при комнатной температуре концентрацию неосновных носителей - дырок. В полупроводнике p-типа, наоборот, основными носителями являются дырки, а не основными - электроны. При контакте этих полупроводников начинается диффузия основных носителей. Электроны из n-области будут перемещаться в p-область, и их концентрация в приконтактном слое в n- полупроводнике будет уменьшаться. Вследствие этого здесь будет возникать нескомпенсированный положительный заряд ионов. Аналогично, при переходе дырок из p-области в n-область в приконтактном слое p- полупроводника возникает избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе p- и n- полупроводников получается контактный слой, в котором создается электрическое поле, напряженность которого Е_{р - n} направлена от n-области к p-области. Толщина контактного слоя обычно имеет порядок 10^-6 - 10^-7 м.

В озникающее электрическое поле препятствует диффузии основных носителей заряда из одной области в другую. Поэтому по мере увеличения плотности зарядов в контактном слое диффузионный ток основных носителей уменьшается, а затем почти совсем прекращается. На границе полупроводников создается разность потенциалов (потенциальный барьер). Таким образом, для основных носителей контактный слой является запирающим, т. е. обладает повышенным сопротивлением. Для неосновных же носителей заряда (электронов в p-области и дырок в n-области) контактное поле является ускоряющим, т.е. неосновные носители, которые оказываются в зоне перехода, под действием поля свободно переходят через границу полупроводников, образуя ток неосновных носителей I_н (рис.4.2).

Однако даже при комнатной температуре некоторые основные носители заряда в обеих областях обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Эти носители диффундируют через границу полупроводников, образуя ток основных носителей I_о, направленный навстречу току неосновных носителей. Таким образом, устанавливается при контакте полупроводников динамическое равновесие, при котором I_о = I_н . Этот ток очень мал.

Если к p- n-переходу присоединить источник тока так, чтобы напряженность создаваемого им внешнего электрического поля Е_вн имела направление, противоположное направлению Е_{р - n} (рис.4.3.а), то высота потенциального барьера на границе полупроводников будет уменьшаться. При этом толщина контактного слоя делается меньше, его сопротивление уменьшается и ток основных носителей через p- n-переход возрастает. Такое направление тока называется прямым или пропускным.

Если же источник тока присоединить к контакту так, чтобы его поле совпадало по направлению с собственным полем p- n-перехода (рис.4.3.б) , то потенциальный барьер возрастает. Толщина контактного слоя увеличивается, его сопротивление возрастает, сила тока основных носителей уменьшается почти до нуля. При этом через p- n-переход будет идти только малый ток неосновных носителей. Такое направление тока называется обратным или запирающим.

З ависимость тока, текущего через p- n-переход от приложенного к нему напряжения (вольт-амперная характеристика) изображена на рис.4.4. Положительные значения силы тока соответствуют прямому направлению, отрицательные - обратному. Как видно из графика, сила прямого тока зависит от напряжения - при увеличении напряжения прямой ток возрастает. Обратный ток от приложенного напряжения практически не зависит. Он определяется количеством неосновных носителей, образующихся в полупроводнике в единицу времени, а это количество при постоянной температуре остается неизменным.

Если приложенное запирающее напряжение превышает некоторое значение U_{обр макс} , то сила обратного тока резко возрастает, т.е. происходит пробой электронно-дырочного перехода. Причина этого заключается в следующем: под действием сильного электрического поля электроны приобретают значительную скорость и, сталкиваясь с нейтральными атомами в области p- n-перехода ионизируют их. Таким образом, число неосновных носителей заряда в полупроводниках резко увеличивается и обратный ток резко возрастает.

Следовательно, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство позволяет использовать контакт полупроводников с p- и n-проводимостью для выпрямления переменного тока. Приборы, действия которых основаны на этом свойстве, получили название полупроводниковых диодов.

Одной из характеристик диода является коэффициент выпрямления, равный отношению токов: прямого к обратному, измеренных при одинаковых по прямому и обратному напряжениях:

k =I_пр /I_обр при |U _пр| =|U_обр| (1)

При работе с полупроводниковыми диодами следует учитывать величину наибольшего обратного напряжения, т.е. такого напряжения, которое может быть приложено к диоду в запирающем напряжении без опасности пробоя диода. Наибольшее обратное напряжение невелико: пробой может произойти уже при напряжении несколько вольт, поэтому нельзя проводить опыт при больших обратных напряжениях.