metod_lab_el-magn

104

2. Определить массу катода M1 на технических весах. Вставляют ка-

тод в ванну.

3. Собрать схему (рис. 1), присоединив обработанный электрод к отри-

цательному полюсу источника.

4. Замкнуть ключ К и установить при помощи реостат R определен-

ное значение тока, одновременно пускают секундомер. Пропускают ток

30 − 40 мин. В течение этого времени поддерживают постоянную силу тока при помощи реостата.

5. Отключить питание, вынуть катод, просушить и вторично опреде-

лить его массу M 2 . Разность M 2 − M1 дает приращение массы катода M . 6. По формуле (7) вычислить величину электрохимического эквивален-

та.

7.По формуле (10) находят число Фарадея F , подставляя значение k в

мгКл. В соединении CuSO4 медь двухвалентна: Z = 2 . Масса грамм-

атома меди A = 63,54 ×103 мг .

6.Вычислить заряд электрона по формуле (11) в системе СИ и СГС и сравнить с табличными данными.

7.Полученные данные занести в таблицу

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Каков механизм электролитической проводимости?

2.Какие жидкости являются электролитами?

3.Назовите носителей тока в электролитах?

4.Что такое электролиз?

5.Сформулировать законы Фарадея для электролиза?

6.Пояснить смысл электрохимического эквивалента и числа Фарадея?

105

Литература: 2, § 189-192; 4, § 32; 7, § 92-94.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №17

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

Цель работы: познакомиться с устройством и работой транзистора,

определить его электрические характеристики Приборы и принадлежности: транзистор, два амперметра, два

вольтметра

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Электропроводность полупроводников

Все вещества, в отношении их электропроводящих свйоств делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.

В металлах концентрация свободных электронов велика, поэтому со-

противление металлов электрическому току незначительно. В типичных ди-

электриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков значительно. По величине элетрического со-

противления полупроводники занимают помежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов порядка

10−8 -10−6 Ом × м, полупроводников – 10− 2 -106 Ом× м, диэлектриков

108 -1013Ом × м.

Характерной особенностью полупроводников является то, что их элек-

трические свойства резко изменяются под влиянием ряда физических факто-

ров: температуры, освещения, электрического поля, а также примесей. К по-

лупроводникам относятся окислы и сульфиды металлов, а также некоторые интерметаллические соединения.

В полупроводниках, находящихся при низких температурах, свободные электроны отсутствуют. Для того, чтобы валентный электрон стал электро-

106

ном проводимости и мог принимать участие в зарядопереносе, необходима дополнительная энергия. Такую энергию можно сообщить повышая темпера-

туру полупроводника или воздействуя на него излучением. Для каждой тем-

пературы существует своя равновесная концентрация электронов проводи-

мости, значение которой можно определить по формуле:

где С- константа, T - температура, EC − EF - разность энергии дна зоны

проводимости и энергии Ферми, k - постоянная Больцмана.

Процесс отрыва электрона от нейтрального атома сопровождается об-

разованием на его месте вакансии. В чистом полупроводнике число электро-

нов проводимости равно числу вакансий. В результате теплового возбужде-

ния электроны с соседних нейтральных атомов могут переходить на вакант-

ное место. Такое коллективное поочередное движение электронов, находя-

щихся в основном в состоянии равновесия около атомов, можно представить в виде встречного потока положительно заряженных частиц, называемых дырками. Перемещение как свободных электронов, так и дырок в отсутствие электрического поля носит хаотический характер.

Если к полупроводнику приложить определенную разность потенциа-

лов, то движение дырок и электронов примет направленный характер. Элек-

троны будут перемещаться в сторону большего потенциала (против внешне-

го электрического поля), а дырки - в сторону меньшего потенциала (вдоль поля). Таким образом, в чистом полупроводнике имеется два вида проводи-

мости - электронная и дырочная. Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов, а дырочная – коллективным, последова-

тельным движением связанных с атомами валентных электронов. Первая но-

сит название n - проводимости, а вторая - p - проводимости. Электропро-

водность веществ, обусловленная свободными электронами и дырками, об-

разовавшимися в равных количествах при тепловых движениях атомов, на-

зывается собственной проводимостью.

107

В практических целях чаще используются полупроводники с добавка-

ми других элементов - примесей, наличие которых приводит к преобладанию одного из типов проводимости. Так, если к четырехвалентному германию добавить незначительное количество пятивалентного мышьяка, то в нем об-

разуется избыток слабосвязанных с ядром электронов. Эти электроны уже при комнатной температуре могут отрываться от атома мышьяка и прини-

мать участие в создании тока проводимости.

Полупроводники с преимущественно электронной проводимостью на-

зываются полупроводниками n - типа, а примеси, добавление которых к соб-

ственному полупроводнику приводит к увеличению концентрации свобод-

ных электронов, называются донорными.

Добавление к германию примеси с валентностью, равной трем, напри-

мер, бора приводит к повышению концентрации дырок. Такие примеси назы-

ваются акцепторными, а полупроводники с преимущественной дырочной проводимостью - полупроводниками p - типа. Проводимость, обусловленная присутствием в полупроводнике примесей какого - либо типа, называется примесной.

p − n переход

Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами про-

водимости, называемый p − n переходом.

В результате ухода электронов и дырок из атомов в приконтактных об-

ластях возникает область положительно и отрицательно заряженных ионов

(доноров и акцепторов) - двойной слой. Этот слой обладает большим сопро-

тивлением, так как в нем отсутствуют свободные носители заряда. Сами электроны и дырки, перейдя в соседние области p − n перехода, рекомбини-

руют там с основными носителями. Таким образом, на границе двух полу-

проводников появляется контактное поле напряженностью Ek (см. рис. 1).

108

Eк

L

Рис. 1. Схематическое изображение p − n перехода:

+ - ионизованные атомы акцепторной примеси, - - ионизованные атомы донорной примеси,

L - ширина p − n перехода,

EK - напряженность контактного поля перехода.

где mn , m p - подвижности электронов и дырок – величина, численно равная скорости носителей заряда при единичном значении напяженности поля, Ek

- напряженность контактного электрического поля в области двойного слоя, n p - концентрация электронов в p - полупроводнике, pn - концентрация дырок в n - полупроводнике.

Направление контактного поля таково, что оно препятствует дальней-

шему переходу через двойной слой основных носителей с той и другой сто-

роны p − n перехода и, наоборот, способствует переносу неосновных носи-

телей. Таким образом, с течением времени диффузионная и дрейфовая ком-

поненты тока уравновесят друг друга и суммарный ток через p − n переход станет равен нулю. Поскольку ток через p − n переход определяется вероят-

ностью прохождения основных носителей через потенциальный барьер, су-

109

ществующий в области двойного слоя, а высота этого барьера увеличивается при включении обратного смещения, следовательно, ток через переход уменьшается. Эта ситуация противоположна той, которая наблюдается при прямом смещении p − n перехода. На этом свойстве p − n перехода осно-

вано действие полупроводниковых диодов, используемых для выпрямления переменных электрических токов.

Транзистор

Полупроводниковый транзистор представляет из себя комбинацию двух последовательно соединенных p − n - переходов, сформированных на одном полупроводниковом кристалле. Центральная область этого элемента называется базой, а две крайние - эмиттером и коллектором. Если область ба-

зы обладает проводимостью n - типа, то мы имеем дело с p − n − p транзи-

стором, а если область базы имеет проводимость p - типа, то с n − p − n

транзистором. Их схематическое изображение приведено на рис. 2.

В усилителях и генераторах транзистор обычно работает в активном режиме, при котором на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а

на коллекторный - обратное. Рассмотрим работу транзистора p − n − p типа в этом режиме.

Наличие прямого напряжения на эмиттерном переходе приводит к ин-

жекции дырок из эмиттера в базу и инжекции электронов в противополож-

ном направлении. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы,

поток инжектированных дырок будет намного превышать поток электронов.

Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу. Если ширина базы намного меньше диффузион-

ной длины дырок, то почти все из них за счет диффузии и без рекомбинации достигнут области коллекторного перехода и будут переброшены в p - об-

ласть коллектора контактным полем двойного слоя . Следовательно, ток эмиттера в транзисторе будет приблизительно равен току коллектора.

110

Рис. 2. Схематическое изображение транзистора

а) p − n − p транзистор,

б) n − p − n транзистор

Всхемах с использованием транзистора выделяют две цепи - входную,

вкоторую включается источник усиливаемых колебаний, и выходную, в ко-

+-

ε к

Рис. 3. Схема соединения транзистора с общим эмиттером.

торую включается нагрузочное сопротивление. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различают три спо-