Примесная проводимость p- и n-типа

Число электронов проводимости и дырок в полупроводнике можно изменить, не только повышая температуру, но и вводя в полупроводник примеси. Собственная проводимость чистых полупроводников при нормальных условиях низка. При добавлении примесей при нормальных условиях примерно каждый атом примеси привносит в полупроводник один свободный электрон – электрон проводимости или одну вакансию – дырку, обеспечивающую дырочную проводимость. Механизм такого процесса связывают с тем, что в силу малости концентрации атомов примеси и соответствия их размеров атомам основного элемента, образующего кристалл проводника, атом примеси встраивается в кристалл, не нарушая его структуры. Однако отличие валентности атома примеси от валентности основного элемента кристалла приводит к тому, что либо один электрон не участвует в образовании связи с окружающими атомами (примесь донорная, либо n-типа) или один из окружающих атомов не может образовать связь с атомом примеси, и вблизи такого атома образуется вакансия – дырка (примесь акцепторная, или p-типа).

Так, при добавлении в кристалл четырехвалентного кремния примеси пятивалентного фосфора в кремнии возрастает число свободных электронов, а при добавлении в этот кристалл примеси трехвалентного индия основной вклад в проводимость примесного полупроводника вносят дырки. В первом случае кремний с примесью фосфора будет полупроводником n-типа (n–negative), во втором – с примесью индия – полупроводником p-типа (p–positive).

p–n - переход. Диод

Стык полупроводников p- и n-типа называют p–n - переходом. Прибор, в котором реализован p–n - переход и возможность подводить напряжение с помощью двух проводников, называется полупроводниковым диодом (рис. 2).

Рис. 2

Если обычный проводник пропускает ток одинаково при смене полярности подключения напряжения к его концам, то при разной полярности подключения диода к источнику тока сила тока может различаться в 100 и более раз (рис. 3).

Рис. 3

При подключении клеммы «плюс» источника к p - области диод является проводником с малым сопротивлением, при обратной полярности его сопротивление резко возрастает. Такое поведение p–n - перехода объясняется тем, что на границе полупроводников двух типов происходит частичное смещение носителей заряда. Возникает собственное электрическое поле.

Диод широко используется в выпрямителях переменного тока, где происходит преобразование электрического тока, текущего по проводнику то в одном направлении, то в другом, в ток одной полярности, или пульсирующий ток (рис. 4,а). Такой электрический ток с помощью конденсаторов легко сгладить, создав источник постоянного тока.

Рис. 4

Такие выпрямители используются при подзарядке аккумуляторных батарей, работе устройств типа калькуляторов и мобильных телефонов от сети переменного тока (рис. 4,б).

Более сложные соединения полупроводников – транзисторы и интегральные схемы – лежат в основе современных усилителей тока и напряжения, а также систем переработки цифровой информации в компьютерах и т.д. (рис. 5).

Рис. 5

Вопросы

1. Какими видами проводимости обладают полупроводники?

2. Чем обусловлена собственная проводимость полупроводников?

3. Как получают примесную проводимость (донорную, акцепторную) полупроводников?

4. Раскрыть механизм образования p-n-перехода и указать его свойства.

5. Какие известны основные элементы полупроводникового триада и его свойства?

6. Почему у полупроводникового диода существует обратный ток?

Цель работы: опытная проверка свойств полупроводников и механизма их проводимости

Оборудование: набор полупроводников, источник питания, гальванометр, соединительные провода, электрическая лампа, источник холода, реостат.

Ход работы

I. Проверка зависимости сопротивления полупроводника от температуры

1. Дать определение термосопротивления.

2 . Собрать электрическую цепь по схеме.

3. Изменяя температуру термосопротивления при замыкании цепи, проанализировать зависимость влияния температуры на силу электрического тока гальванометра.

4. Объяснить полученную закономерность с точки зрения электронно-дырочной проводимости полупроводников.

II. Проверка зависимости сопротивления полупроводников от освещенности

1. Дать определение фотосопротивлению.

2. Собрать электрическую цепь по схеме.

3. Изменяя освещенность полупроводникового сопротивления и наблюдая за показания гальванометра, установить зависимость сопротивления полупроводника от освещенности.

4. Объяснить полученную закономерность с точки зрения электронно-дырочной проводимости полупроводников.

III. Термоэлемент

1. Дать определение термоэлемента.

2. Собрать электрическую цепь по схеме.

3. Изменяя температуру термоэлемента, зафиксировать электрический ток в гальванометре.

4. Объяснить с точки зрения электронно-дырочной проводимости наличие в цепи электрического тока.

IV. Фотоэлемент

1. Дать определение фотоэлемента.

2. Собрать электрическую цепь по схеме.

3. Освещая фотоэлемент, зафиксировать электрический ток в гальванометре.

4. Объяснить с точки зрения электронно-дырочной проводимости наличие в цепи электрического тока.

V. Односторонняя проводимость диода

1. Дать определение диода.

2 . Собрать электрическую цепь по схеме.

3. Меняя полярность источника, проследить за изменением электрического тока в цепи.

4. Объяснить результат опыт, используя теоретические знания о свойстве полупроводникового диода.

По результатам работы сделать вывод.

Тест

1. Элемент какой группы таблицы Менделеева нужно добавить к элементу IV группы, чтобы получить преимущественно дырочную проводимость?

А. Элемент из III группы.

Б. Элемент из V группы.

В. Любой элемент таблицы Менделеева.

Г. Нужно добавить мышьяк.

2. Элемент какой группы таблицы Менделеева нужно добавить к элементу IV группы, чтобы получить преимущественно электронную проводимость?

А. Элемент из III группы.

Б. Элемент из V группы.

В. Любой элемент таблицы Менделеева.

Г. Нужно добавить индий.

3. Укажите прибор, в котором можно создавать ток только в одном направлении.

А. Резистор.

Б. Конденсатор.

В. Трансформатор.

Г. Полупроводниковый диод.

4. Как влияет увеличение температуры на сопротивление чистых полупроводников?

А. Сопротивление уменьшается.

Б. Сопротивление увеличивается.

В. Сопротивление не изменяется.

5. Какими способами можно изменять сопротивление полупроводников?

А. Изменением температуры, освещенности, влажности.

Б. Изменением температуры, освещенности, внесением примесей.

В. Изменением освещенности, влажности, внесением примесей.

Лабораторная работа № 13

Изучение устройства и принципа действия трансформатора

Теоретическая часть

В настоящее время самостоятельной отраслью промышленности стала выработка электроэнергии. В этом процессе вращение оси генератора осуществляется за счет механической работы, совершаемой тепловыми машинами (паровой турбиной), падающей водой или ветряными установками.

Рассмотрим передачу электроэнергии, вырабатываемую на электростанции, потребителю. Пусть например, требуется выделить на резисторе R, удаленном от электростанции на расстояние L, некоторое количество теплоты. Если мощность, выделяющаяся на резисторе, равна P, а мощность потерь в линии электропередачи сопротивлением R_L равна P_L, то доля потерь составит

Тогда:

Пусть напряжение на входе линии электропередачи равно . Тогда

P

откуда:

P

Как показывает расчет, при потерях, равных приблизительно 10%, и расстояниях, равных приблизительно 500 км, для передачи электроэнергии городу с населением около 100 тыс. человек, требуется напряжение на входе линии электропередачи несколько сотен тысяч вольт. При меньших напряжениях доля энергии, потерянная на тепловыделение в проводах, делает передачу электроэнергии экономически невыгодной.

Поэтому на электростанциях используют устройства, которые повышают напряжение, а в местах потребления – устройства, которые понижают напряжение, – трансформаторы.

Действие трансформатора, как и действие электрических генераторов переменного тока, основано на явлении электромагнитной индукции.

Рис. 1

Трансформатор представляет собой две катушки с числом витков N₁ и N₂ на общем сердечнике (рис. 1). При подаче на одну катушку (первичную обмотку) переменного напряжения U₁, в ней появляется переменный ток, создающий переменное магнитное поле. В этом переменном магнитном поле оказывается вторая катушка (вторичная обмотка), в которой генерируется индукционный ток. Напряжение U₂ на разомкнутой вторичной обмотке пропорционально числу витков этой обмотки и связано с числом витков и напряжением на первичной обмотке соотношением:

Этот результат достигается только благодаря тому, что обе обмотки намотаны на один общий сердечник, сделанный из ферромагнетика, и поэтому обе обмотки пронизывает практически одинаковый магнитный поток. Отношение U₁/U₂ = k называется коэффициентом трансформации, а отношение мощности, передаваемой при замкнутой (через потребителя) вторичной обмотке, к мощности, подаваемой на первичную обмотку I₂U₂/I₁U₁, называется коэффициентом полезного действия трансформатора. Обычно у трансформатора КПД близок к единице.

Вопросы

1. Для какой цели используется трансформатор?

2. Каково устройство трансформатора?

3. От чего зависит величина напряжения на разомкнутой вторичной обмотке трансформатора?

4. Какую катушку трансформатора называют первичной, а какую вторичной?

5. Из какого материала изготавливается сердечник трансформатора? Почему?

6. Можно ли трансформировать постоянный ток?

7. Что такое коэффициент трансформации?

8. Почему при работе трансформатор гудит?

9. КПД трансформатора 90%. Напряжение на концах первичной обмотки U₁ = 220 В, на концах вторичной U₂ = 22 В. Сила тока во вторичной обмотке I₂ = 9 А. Какова сила тока I₁ в первичной обмотке трансформатора?

Цель работы: на опыте убедиться в возможности преобразовывать переменный электрический ток (по напряжению или силе электрического тока) трансформатором.

Оборудование: лабораторный трансформатор, ЛАТР (лабораторный автотрансформатор), маловольтовая лампочка (3,5 В), электрическая лампа (220 В), соединительные провода.

Теория. Дать определения:

- понятие трансформатора, его назначение; - устройство трансформатора; - принцип действия трансформатора; - коэффициент трансформации; - понятие повышающего и понижающего трансформаторов.

Ход работы.

Работа понижающего трансформатора.

1. Собрать электрическую цепь по схеме.

2. Пронаблюдать процесс загорания маловольтовой лампы во вторичной цепи трансформатора, подав напряжение порядка 120 – 150 В на первичную обмотку трансформатора.

3. Вычислить коэффициент трансформации для данного опыта.

4. Описать опыт и сделать вывод.

Работа повышающего трансформатора.

1 . Собрать электрическую цепь по схеме.

2. Пронаблюдать процесс загорания электрической лампы во вторичной цепи трансформатора, подав напряжение порядка 4 В на первичную обмотку трансформатора.

3. Вычислить коэффициент трансформации для данного опыта.

4. Описать опыт и сделать вывод.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Какое явление лежит в основе принципа действия трансформатора? (сформулировать)

2. Можно ли использовать трансформатор в цепях постоянного электрического тока? Почему?

3. Перечислите известные Вам области применения трансформатора.

Тест

1.

NH_2004_20O_A010

Работа трансформатора основана на явлении:

а) нагревание проводника с переменным током:

б) притяжение витков катушки при протекании тока;

в) вибрация сердечника катушки при протекании по ней переменного тока;

г) явление электромагнитной индукции.

2.

PI_2001_00P_A181

Из магнитного потока Ф₁, создаваемого током в первичной обмотке, лишь часть Ф₂ = Ф₁/2 пронизывает вторичную обмотку. Число витков в обмотках равно N₁ = 100, N₂ = 400. Коэффициент трансформации k = U₂/U₁ этой системы:

а) k = 1;

б) k = 2;

в) k = 4;

г) k = 6;

д) k = 8.

3. Индуктивное сопротивление катушки трансформатора:

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

4. В основе принципа действия трансформатора лежит явление:

а) явление электромагнитной индукции;

б) явление сцепления магнитного потока;

в) электрическая индукция.

5. Коэффициент трансформации равен 20. Какая обмотка трансформатора – первичная или вторичная – должна иметь большее сечение проводников?

А. Вторичная.

Б. Первичная.

В. Обе катушки имеют одинаковое число витков.