Описание установки

Рисунок 4

Рисунок 5 Электрическая схема: 1 – регулируемый источник постоянного напряжения (0…+15 В); 2 – мультиметр (режим V 2 В, входы COM, V);

3 – мультиметр (режим A 200 mA при измерении прямого тока и режим A 2 mA при измерении обратного тока, входы COM, mA); 4 –выпрямительный диод D

В работе используется диод германиевый Д-311А, в котором электронно-дырочный переход образован сплавлением кристалла германия n-типа с индием. К диоду можно приложить либо прямое, либо обратное напряжение, которое измеряется вольтметром 2 (см. рисунок 5). Сила тока определяется по миллиамперметру 3. Диод расположен внутри электронагревателя. Измерение температуры производится с помощью термопары, которая подключается к мультиметру, используемому в режиме измерения температуры.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Изучение ВАХ диода

Выполнение измерений

1. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рисунке 7

2. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров. Нажмите кнопку «Исходная установка».

Рисунок 7 Монтажная схема для исследования прямой ветви ВАХ диода: обозначения 2, 3 – см. на рисунок 16.5

3. Кнопками «Установка напряжения 0 … +15 В» на регулируемом источнике питания увеличивать напряжение на диоде. Провести измерения для значений тока в диапазоне до 30 мА. Особое внимание надо обратить на область U<0,5 В. Результаты записать в таблицу 1.

4. Выключить блок питания генераторов напряжений.

5. Не изменяя монтажную схему 7, изменить полярность подключения (рисунок 8). Поскольку обратный ток составляет несколько мкА, диапазон миллиамперметра установить на 2 мА.

Таблица 1

Прямая ветвь ВАХ			Обратная ветвь ВАХ
U, В	I, мА	ln I	U, В	I, мА
0
…	…	…

6. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения.

7. Кнопками «Установка напряжения 0 … +15 В» на регулируемом источнике питания увеличивать напряжение на диоде. Провести измерения для значений напряжения от 0 до –15 В. Результаты записать в таблицу 1.

8. Выключить блок питания генераторов напряжений.

Рисунок 8 Монтажная схема для исследования

обратной ветви ВАХ диода

Задание 2. Изучение температурной зависимости тока дрейфа диода

Выполнение измерений

1. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рисунке 9.

1. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров.

2. В таблице 2 записать значение обратного тока при комнатной температуре.

3. Кнопками «Установка напряжения 0 … +15 В» на регулируемом источнике питания увеличивать напряжение на обмотке нагревателя до нескольких вольт.

4. По мере роста температуры диода обратный ток через диод будет расти. Температуру и значение обратного тока необходимо записывать в таблица 2. Нагрев должен быть не слишком быстрым (~ на 1–2º за 1 мин.). Если нагрев слишком быстрый, необходимо уменьшить напряжение на обмотке. Нагревать диод до температуры 70 ºС.

5. Выключить блоки питания генераторов напряжений и мультиметров.

Рисунок 9 Монтажная схема для исследования зависимости

тока дрейфа от температуры

Таблица 2

Температурная зависимость тока дрейфа
t, ºС	I, мА	1/T, К–1	ln I
…	…	…	…

Обработка результатов измерений

1. По экспериментальным данным (таблица 1) построить ВАХ диода. Так как обратный ток составляет несколько микроампер, а прямой – несколько миллиампер, то масштаб для обратного тока желательно увеличить.

2. Оценить U_к первым способом. На прямой ветви ВАХ отметить точку, где начинается быстрый рост тока (см. рисунок 4). Это напряжение соответствует контактной разности потенциалов U_к. Оценить её погрешность.

3. Оценить U_к вторым способом.

Логарифмируя (3), получим выражение

, (4)

т .е . lnI пропорционален прямому напряжению U, если U > U_к.

Определить lnI и построить график зависимости логарифма силы тока lnI от прямого напряжения U (см. рисунок 10). Убедиться, что в области напряжений U > U_к между точками 1 и 2 зависимость линейная. Оценить нижнюю границу напряжения, при котором наблюдается отклонение от линейного закона. Эта граница соответствует контактной разности потенциалов p-n-перехода U_к.

4. Оценить контактную разность потенциалов третьим способом.

Логарифмируя выражение (1), получаем линейную зависимость lnI_дрейф от 1/T:

. (5)

Построить график зависимости натурального логарифма lnIдрейф от 1/T (таблица 2).

Построить на нём прямую наилучшего соответствия. Определить её угловой коэффициент b, который должен быть равен из (5)

, (6)

где k = 1,38 10^–23 Дж/K, q = 1,6 10^–19 Кл.

Определить контактную разность потенциалов U_к из (6).

5. Сравнить U_к, полученную тремя разными способами со справочным значением U_к=0,35±0,05 В и сделать выводы.

БИБЛИОГАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа,2002. – § 43.3, 43.4, 43.5.

2. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.2. - СПб. Издательство «Лань», 2007. - §§ 28.

3. Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов. – М .: Издательский центр «Академия», 2007. - §§ 241, 242, 249.