Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лаб_ФОЭ

.pdf
Скачиваний:
62
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
2.71 Mб
Скачать

Для нахождения Uконт рекомендуется воспользоваться следующей методикой. Строим график зависимости ln IА(UV) (рис. 2.9). При UА< 0 (тормозящее поле) анодный ток зависит от напряжения экспоненциально

q U

 

 

 

q U

 

IA I0 exp

0

A

ln IA ln I0

 

0 A

.

(2.13)

kT

 

 

 

 

 

kT

 

При UА> 0 (ускоряющее поле) анодный ток зависит от напряжения согласно закону «трех / вторых»

IA

3

 

 

ln IA ln

 

3

UA.

(2.14)

UA

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Из (2.13) и (2.14) следует, что зависимости ln IА(UV) и в тормозящем, и в ускоряющем полях линейны, но имеют разный наклон к оси напряжений. Напряжение, соответствующее точке пересечения этих прямых, UА = 0 (происходит переход от тормозящего поля к ускоряющему). Откуда по графику ln IА(UV) определяем величину контактной разности потенциалов:

Рис. 2.9

Uконт = UV.

Порядок проведения эксперимента

1.Проверьте правильность собранной схемы; по схеме определите назначение каждого из приборов лабораторной установки.

2.Перед включением приборов установите:

на источниках питания: ручки регулировки напряжения – в крайнее левое положение; ручки ограничения выходного тока – в среднее положение; на вольтметре: предел измерений напряжения – в положение «2 В»»;

на миллиамперметре: предел измерения силы анодного тока – в положение

«2 мА».

3.Включите приборы. На источнике питания цепи накала U1 установите выходное напряжение 4 5 В (величину накального напряжения уточните у преподавателя). После установления не изменяющегося во времени тока в цепи накала лампы (~ 3-5 минут) можно приступать к измерениям.

4.Регулировкой выходного напряжения источника U2 установите величину анодного тока IА диода порядка 0,2-0,3 мА (при малых IА возрастает погрешность измерений). Согласно показаниям вольтметра V измерьте разность потенциалов UV.

Таблица 2.2

UV

IА

ln(IА)

41

5.Изменяя напряжение источника U2 через 0,1-0,15 В, согласно п. 4 снимите показания UV и IА. Измерения необходимо проводить не менее 15 раз при отрицательных и при положительных значениях UV. Данные измерений внесите в табл. 2.2. С помощью таблиц или калькулятора рассчитайте ln(IА).

6.Постройте график ln(IА) = f(UV); найдите линейные отрезки на участках тормозящего и ускоряющего поля, продолжите их до пересечения и по предлагаемой методике определите величину контактной разности потенциалов.

7.На линейном участке графика ln(IА) = f(UV) в области тормозящего поля найдите наиболее далеко отстоящие друг от друга точки 1 и 2, определи-

те в них величины анодного тока и UA. С помощью формулы (2.11) рассчитайте температуру катода.

Контрольные вопросы

1.Понятие вырожденного электронного газа; заполнение энергетических состояний электронов в металле; распределение Ферми – Дирака; уровень Ферми; работа выхода электронов из металла.

2.Электронный газ на поверхности металла; явление термоэлектронной эмиссии; расчет плотности эмиссионного тока; формула Ричардсона – Дешмана.

3.Конструкция вакуумного диода с термокатодом; назначение электродов лампы, схемное обозначение вакуумного диода с термокатодом.

4.Вид вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного диода; характерные участки ВАХ.

5.Зависимость IА (UА) в области тормозящего поля; определение температуры катода.

6.Влияние пространственного электронного заряда на анодный ток в вакуумном диоде; уравнение Богуславского – Ленгмюра (закон «трех вторых»).

7.Контактная разность потенциалов между наружными поверхностями

контактирующих металлов; методика определения Uк между электродами диода по данным измерений.

Список литературы

1.Сушков А. Д. Вакуумная электроника: Физико-технические основы: Учеб. пособие. – СПб.: Лань, 2004. – С. 96–112.

2.Погорельский А. М., Христофоров В. В. Квантовая физика: Метод. руководство к лабораторным работам. – Новосибирск: НГТУ, 2005. С. 20–24.

3.Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 2/ Под ред. В.Н. Лозовского.

СПб.: Лань, 2000. – С. 311-324.

42

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТОК ВАКУУМНОГО ДИОДА

Краткая теория

При прямом включении диода анод имеет положительный относительно катода потенциал, электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергии, значительно превышающую их тепловую энергию даже при небольших (порядка десятка вольт) напряжениях на аноде. В силу радиального характера электрического поля движение электронов в пространстве между анодом и катодом практически происходит вдоль радиуса лампы.

Максимальная скорость направленного движения электронов m при попадании на анод значительно превышает начальную скорость 0 в момент вылета с поверхности катода. Пренебрегая 0, из закона сохранения энергии найдем m.

 

 

 

m 2

 

 

 

 

2q U

 

 

q U

 

m

 

0 A

,

(2.15)

A

 

m

 

0

 

2q0

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где q0 – элементарный заряд; m – масса электрона.

Влияние магнитного поля на ток диода

Пусть вакуумный диод с током в анодной цепи находится в однородном магнитном поле индукции B , силовые линии которого направлены вдоль оси коаксиальной системы электродов. В этом случае на движущиеся в межэлектродном пространстве электроны действует сила Лоренца, имеющая электрическую Fэ и магнитную Fм составляющие

F q0E q0 B.

(2.16)

Магнитная составляющая силы Лоренца создает нормальное ускорение, отклоняющее электроны от радиального движения и искривляющее их траекторию (рис. 2.10). Искривление траектории приводит к увеличению длины и времени пробега электронов при движении от катода к аноду.

В отсутствии магнитного поля электрон дви- Рис. 2.10 жется под действием только электрической силы вдоль радиуса системы «катод-анод» (траектория 1). В слабых магнитных полях электрон движется по траектории 2, время

пробега при этом несколько возрастает, однако сила анодного тока практически не меняется, так как не происходит существенного увеличения отрицательного объемного заряда, уменьшающего ток диода. В средних магнит-

43

ных полях (траектория 3) время пробега электронов значительно возрастает, что приводит к увеличению отрицательного объемного заряда, в результате чего ток диода уменьшается. При критическом значении магнитной индукции В = Вкр электроны не достигают анода и под действием магнитной Fм составляющей силы Лоренца возвращаются на катод.

Движение электрона в рассматриваемом случае (см. рис. 2.11) совершается по круговой циклоиде траектории, которая образуется при наложении двух одновременных движений: вращения по окружности со скоростью

вращ Е/В и кругового движения центра этой окружности со скоростью

круг = вращ. Подробное рассмотрение движения заряженной частицы в

скрещенных полях дано в [4]. При критическом значении магнитного поля радиус окружности равен половине расстояния между катодом и анодом

R= 0,5(rА rК); средняя напряженность электрического поля Е UA/(rА rК).

Вточке траектории, наиболее близкой к аноду, скорости вращательного и кругового движения складываются

 

 

круг вращ

2E

 

2UA

.

(2.17)

 

Bкр

Bкр (rA rK )

 

 

 

 

 

 

 

Магнитная составляющая силы Лоренца не изме-

 

няет величины скорости, она поворачивает ее

 

вектор, поэтому для рассматриваемой точки тра-

Рис. 2.11

ектории

m . Из (2.15) и (2.17) получим:

2q0UA

 

 

 

2UA

.

 

 

 

m

B (r r

)

 

 

 

 

кр

A

K

 

 

После несложных преобразований найдем отношение заряда электрона к его массе:

q0

 

 

2UA

 

.

(2.18)

m

B

(r r ) 2

 

 

 

 

 

кр

A

K

 

 

Согласно изложенным выше представлениям сила анодного тока в диоде должна упасть до нуля при достижении критического значения магнитной индукции, так как электроны не долетают до анода и цепь лампы по постоянному току размыкается. Однако этого не наблюдается и при В = Вкр анодный ток диода уменьшается примерно в два раза по сравнению с начальным значением. Объяснить это явление можно частичной потерей энергии электронов при их движении. Наиболее существенную роль играют два механизма.

1. Электроны, движущиеся в вакууме в вблизи анода, взаимодействуют с электронами проводимости металлического анода, вызывая появление внутри корпуса анода переменных наведенных токов. Наведенные токи образу-

Подобное движение совершает точка, находящаяся на ободе валика, катящегося без проскальзывания по внешней поверхности неподвижного колеса.

44

ются за счет энергии движущихся в вакууме электронов, в результате чего энергия этих электронов уменьшается.

2. Согласно классической электромагнитной теории Максвелла ускоренное движение электрического заряда приводит к излучению электромагнитных волн. Мощность электромагнитного излучения, возникающего при ускоренном движении заряда, определяется формулой Лармора

P

q2a2

,

(2.19)

6

c2

 

 

 

 

0

 

 

 

где а – ускорение заряда; электрическая постоянная СИ; с – скорость света в вакууме. Вращающиеся в межэлектродном пространстве электроны из-за наличия нормального ускорения генерируют электромагнитное магнетронное излучение, при

этом электроны теряют энергию на излучение.

 

В результате рассмотренных механизмов элек-

 

троны при движении между электродами диода

 

тично теряют энергию и движутся по траектории,

 

приближающейся к аноду (см. рис. 2.12). В конеч-

 

ном итоге они попадают на анод, замыкая тем самым

Рис. 2.12

ток в анодной цепи лампы. Описанные эффекты соз-

дания наведенного тока и возникновения

 

тронного излучения при движении электронов в магнитном поле применяются в специальных лампах магнетронах и гиротронах для генерации магнитных волн СВЧ диапазона.

Точные расчеты показывают, что при достижении критического значения магнитного поля (В = Вкр ) крутизна спада анодного тока достигает максимального значения. При увеличении магнитной индукции (В > Вкр) увеличивается время пробега электронов, что приводит к дальнейшему спаду анодного тока. В очень сильных магнитных полях (В Вкр) электроны не

могут удалиться от катода на достаточно большие расстояния, и анодный ток в лампе прекращается.

Методика выполнения работы

Цели работы: изучение конструкции и физических принципов работы вакуумного диода; исследование влияния электрических и магнитных полей на движение электронов в вакууме; определение удельного заряда электрона.

Приборы и принадлежности: магнетронный блок; источник постоянного регулируемого анодного напряжения UА ; источник постоянного регулируемого напряжения цепи соленоида UL; источник постоянного регулируемого напряжения цепи накала Uн ; электронный миллиамперметр (mA); электронный вольтметр (V); соединительные проводники.

Схема опыта

45

Описание установки: изучение влияния магнитного поля на анодный ток вакуумного диода проводится при помощи магнетронного блока. Магнетронный блок представляет собой длинный соленоид L с находящимся внутри соленоида вакуумным диодом VD. Конструкция магнетронного блока (вид сверху) дана на рис. 2.14: 1 – соленоид с током; 2 – корпус диода; 3 –

анод; 4 – катод.

Рис. 2.13. Электрическая схема опыта: Источником питания анодной цепи (источник цепи накала Uн не показан) диода служит стабилизированный ис-

точник UА, изменение анодного напряжения производится ручками регулировки выходного напряжения источника. Питание цепи соленоида производится от регулируемого источника напряжения UL. При протекании тока I в соленоиде возникает однородное магнитное поле, индукцию которого можно рассчитать по формуле длинного соленоида:

B

0IN

,

(2.20)

l

 

 

 

где магнитная постоянная СИ; I – сила тока в соленоиде; N – количество витков соленоида; l – длина соленоида.

Из соотношений (2.18) и (2.20) можно получить формулу для расчета искомого отношения заряда электрона к его массе по значению критического тока Iкр соленоида

q0

 

 

 

 

2UA

 

.

(2.21)

m

[

I

кр

N (r r )]/ l 2

 

 

 

 

 

0

 

A

K

 

 

Порядок выполнения работы

1. Перед включением источников питания установите ручки регулировки выходного тока и напряжения в крайнее левое положение. Включите источники и после двухминутного прогрева приступайте к измерениям.

 

2. Регулировкой выходного напряжения

 

источника UА установите максимальную силу

Рис. 2.14

анодного тока IА ≈ 450-500 мкА. С помощью

вольтметра измерьте анодное напряжение.

 

3.Регулировкой выходного напряжения и тока источника UL установите силу тока в цепи соленоида I = 0,4 А. Измерьте значение анодного тока IА.

4.Изменяя значения тока соленоида через ~ 0,05 А, повторяйте измере-

ния анодного тока IА до достижения максимального тока соленоида I 1,0

А. При проведении измерений проверяйте значение анодного напряжения, оно должно оставаться постоянным, при изменении значения UА необходимо провести его регулировку. Данные эксперимента внесите в табл. 2.3.

46

Таблица 2.3

UА

IА

I

5.По данным эксперимента постройте график зависимости анодного тока от тока соленоида IА(I).

6.Определите по графику критическое значение тока соленоида Iкр, соответствующего точке наиболее крутого спада анодного тока (точке перегиба исследуемой функции).

7.По формуле (2.21) рассчитайте отношение заряда электрона к его массе и сравните полученный результат с табличным значением (заряд и массу электрона необходимо взять из таблицы физических постоянных).

Дополнительные данные к расчету: число витков соленоида N = 2000;

радиус анода rA = 6 мм; радиус катода rК = 4 мм. Длину соленоида измерьте при помощи линейки.

Контрольные вопросы

1. Конструкция вакуумного диода с термокатодом; физические явления; на которых основана работа вакуумного диода; вольт-амперная характеристика диода.

2.Движение электронов в радиальном электрическом поле диода; расчет максимальной скорости электронов.

3.Влияние магнитного поля на движение электронов в вакуумном диоде. Траектории электронов в слабых, средних и сильных магнитных полях. Критическое магнитное поле.

4.Почему при достижении критического значения магнитной индукции анодный ток диода не уменьшается до нуля? Какие физические процессы приводят к потере энергии электронами, движущимися в межэлектродном пространстве диода?

5.Объясните причину возникновения наведенных токов.

6.Объясните причину возникновения магнетронного излучения. В каких приборах применяется магнетронное излучение?

7.Какой характер носит движение электронов в вакуумном диоде в

сильных магнитных полях В Вкр с учетом потери их кинетической энергии?

8.Какой характер носит движение электронов в вакуумном диоде в

сильных магнитных полях при В Вкр ?

Список литературы

1.Савельев И. В. Курс общей физики: В 5 кн.: Кн. 2: Электричество и магнетизм: Учеб. пособие. – М.: Астрель, 2003. С. 246 258.

2.Астайкин А. И., Воронина Л. В., Липатов А. Ф., Профе В. Б. Приборы

физической электроники: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк., 2008. С. 120 132.

3.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика. Электродинамика: Учеб. посо-

бие. – М.: Наука, 1969. С. 175 177.

4.Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 2/ Под ред. В.Н. Лозовского.

СПб.: Лань, 2000. – С. 311 324.

47

РАЗДЕЛ 3 ИЗУЧЕНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Краткая теория

Структура транзистора

Биполярный (БП) транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и тремя выводами. Слово “биполярный” в названии транзистора означает, что в процессе работы транзистора участвуют как основные, так и неосновные носители. БП транзисторы состоят из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимости. Существует две разновидности транзисторов: n-p-n и р-п-р типа.

Транзисторы n-p-n типа состоят из эмиттперного и коллекторного слоев электронного полупроводника, разделенных тонким базовым слоем дырочного полупроводника.

а

б

Рис. 3.1. Транзистор n-p-n типа: а – структура транзистора;

б – схемное обозначение

Переход П1 между эмиттерным и базовым слоями называют эмиттерным переходом, переход П2 между базовым и коллекторным слоями называют коллекторным переходом. Эмиттерный слой полупроводника имеет повышенную по сравнению с базовым и коллекторным слоями концентрацию носителей*. Эмиттерный переход в транзисторе п-р-п типа при прямом смещении является инжектором электронов, создающих управляемый ток в транзисторе. Стрелкой на схемном графическом изображении БП транзистора указывается направление тока эмиттера при открытом режиме работы.

Транзисторы р-п-р типа состоят из эмиттерного и коллекторного слоев дырочного полупроводника, разделенных тонким базовым слоем электронного полупроводника.

а

б

Рис. 3.2. Транзистор р-п-р типа: а – структура транзистора;

б – схемное обозначение

Эмиттерный переход в транзисторе p-n-p типа при прямом смещении является инжектором дырок, создающих управляемый ток в транзисторе.

Быстродействие транзисторов определяется подвижностью инжектиру-

* Концентрация электронов в эмиттере примерно на 2 порядка больше концентрации дырок в базе.

48

емых в базу носителей, поэтому в настоящее время транзисторы n-p-n типа более распространены, чем транзисторы p-n-p типа, так как подвижность электронов в германии и кремнии значительно превышает подвижность дырок*. Все дальнейшие рассуждения будут относиться к транзисторам п-р-п типа.

Толщина базового слоя зависит от назначения транзистора данного вида и составляет от 1 мкм до 30 мкм в транзисторах разных видов, в любом случае она всегда должна быть значительно меньше диффузионной длины пробега электронов в дырочном полупроводнике (для n-p-n транзисторов).

Схемы включения БП транзистора

Транзистор, включенный в электрическую схему, можно рассматривать в качестве четырехполюсника, то есть элемента схемы, имеющего два входных и два выходных электрода. Для питания транзистора необходимы источники входного UВх и выходного UВых напряжения.

Рис. 3.3. Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой из электродов транзистора подключен к общему электроду четырехполюсника, различают схемы с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Следует отметить, что физические процессы, происходящие при работе транзистора, определяются напряжениями на переходах транзистора и токами в его электродах и не зависят от схемы включения транзистора.

Принципы работы БП транзистора

Для работы транзистора в статическом режиме необходимо использовать два источника постоянного напряжения. Рассмотрим транзистор, включенный в статическом режиме работы по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Источник U1 создает прямое или запорное смещение на эмиттерном переходе. Напряжение источника U2 (при работе без нагрузки) перераспределяется между переходами П1 и П2. Источник U2 создает прямое смещение на эмиттерном переходе и запорное смещение на коллекторном переходе, вследствие чего сопротивление коллекторного перехода значительно превышает сопротивление эмиттерного перехода. Поэтому практически все напряжение U2 падает на коллекторном переходе и слабо влияет на работу эмиттерного перехода.

При отрицательном напряжении между базой и эмиттером (источник U1 подсоединен отрицательным полюсом к базе U1 0) эмиттерный переход П1 закрыт, ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода IКобр.

* Германий и кремний являются основными материалами для изготовления транзисторов.

49

Такой режим работы транзистора называют режимом отсечки.

При положительном напряжении между базой и эмиттером (источник U1 подсоединен положительным полюсом к базе U1 > 0) эмиттерный переход П1 открыт, в эмиттере протекает ток IЭ. Из-за асимметрии перехода П1 величина электронной компоненты тока в эмиттерном переходе составляет порядка 99 % от тока эмиттера IЭ (отношение электронной составляющей тока эмиттера к величине тока эмиттера называют коэффициентом инжекции). Некоторая, весьма небольшая, часть инжектированных в базу электронов рекомбинирует в базе с дырками, убыль которых компенсируется током IБ в базовом электроде.

Рис. 3.4. Включение транзистора в открытом статическом режиме по схеме ОЭ

Инжектированные электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, за счет диффузионного движения попадают в область электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода П2. Откуда электроны, как неосновные носители, перебрасываются полем коллекторного перехода в коллекторный слой транзистора, создавая управляемую часть коллекторного тока, равную стIЭ ( ст – статический коэффициент передачи эмиттерного тока). Полный ток коллектора складывается из управляемой составляющей стIЭ и неуправляемого тока обратно смещенного коллекторного перехода IКобр:

IК = стIЭ + IКобр.

(3.1)

Найдем связь между IК и IБ:

IЭ = IК + IБ => IК = ст(IК + IБ ) + IКобр.

Из полученного соотношения выразим IК:

IК =

ст IБ

IКобр

.

(3.2)

1 ст

 

 

 

Введем обозначение

 

 

 

 

 

 

ст =

 

ст

,

 

(3.3)

 

 

 

 

 

1 ст

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

IК = стIБ + (1 + ст) IКобр.

(3.4)

В открытом режиме работы транзистора IКобр IБ следовательно

 

 

 

 

IК стIБ.

(3.5)

50