
- •Методическое указание по курсу “Физика”
- •2008 Г.
- •Введение
- •Как вести себя на зачетах и экзамене
- •Основные понятия и определения
- •1М 1650763,73λ0,
- •1С 9192631770t0,
- •Производные единицы системы си
- •Определения основных понятий в соответствии с din
- •Скалярные и векторные величины
- •Десятичные кратные и дольные единицы
- •Физические величины и единицы измерения
- •Методы измерений
- •Аналоговые и цифровые методы измерения
- •Непрерывные и дискретные методы
- •Метод отклонения и компенсационный метод
- •Погрешности измерений и причины погрешностей
- •Методы обработки экспериментальных результатов
- •Введение в практикум
- •Примеры оформления задач
- •Советы и указания
- •Выполнение работы и оформление отчета
- •20__ Г. План проведения занятия в лаборатории
- •Правила оформления раздела отчета по лабораторной работе
- •Таблицы
- •Построение графиков
- •Электроизмерительные приборы
- •Вспомогательные электрические приборы
- •Источники тока
- •Шкала приборов
- •Чувствительность и цена деления электроизмерительного прибора
- •Оценка погрешностей приборов
- •Пример оформления таблицы при использовании электроизмерительных приборов
- •Методические указания к выполнению лабораторных работ
- •Обработка результатов физических измерений Понятие об измерении
- •Виды погрешностей
- •Вычисление случайных погрешностей при измерениях
- •Вычисление погрешностей косвенных измерений
- •Приближенные вычисления
- •Графическое представление результатов измерений
- •Некоторые советы и указания
- •Описание приборов
- •Штангенциркуль
- •Микрометр
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 2 Определение момента инерции махового колеса
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Упражнение 1
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 2
- •Упражнение 3
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 4
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 4 Определение момента инерции махового колеса методом колебаний
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Измерения и обработка результатов изменений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа № 9
- •Краткая теория
- •Описание установки и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Задачи уирс
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Поверхностное натяжение
- •Теория метода
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Описание метода
- •Порядок выполнения работы
- •Задачи уирс
- •Устройство вискозиметра впж–2
- •Порядок выполнения работ
- •Задачи уирс
- •Устройство вискозиметра вз-4
- •Порядок выполнения работ
- •Задачи уирс
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Основные формулы
- •Пример оформления отчета по лабораторной работе Лабораторная работа № 6
- •Краткая теория
- •Вычисление искомых величин и расчет погрешностей
- •Графики
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №2 Изучение резонанса напряжений
- •Краткая теория
- •§1 Вынужденные электрические колебания.
- •§2 Изменение амплитуды в контуре при изменении частоты внешнего воздействия.
- •§3 Фазовые резонансные кривые.
- •§4. Резонанс напряжений.
- •§5. Резонансные кривые.
- •Изучение резонанса напряжений.
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •2. Разрядка конденсатора
- •3. Схема экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы Проверка технического амперметра
- •Контрольные вопросы
- •Метод определения точки Кюри
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Метод тангенс–гальванометра
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Основные формулы
- •Пример оформления отчета по лабораторной работе Лабораторная работа № 1
- •Краткая теория
- •Вычисление искомых величин и расчет погрешностей
- •Графики
- •Описание поляриметра см
- •Принцип действия прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Длины волн светофильтров
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №2 Определение концентрации сахара
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки использующей оптическую скамью
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №4 Определения главного фокусного расстояния оптических систем
- •Краткая теория
- •Упражнение 1 Определение фокусного расстояния собирающей линзы
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 2 Определение фокусного расстояния системы линз и рассеивающей линзы
- •Задачи уирс
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №5 Определение показателя преломления с помощью рефрактометра
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Описание метода
- •Порядок выполнения работы
- •Длины волн светофильтров
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №7 Определение постоянной Стефана-Больцмана
- •Краткая теория
- •Закон Кирхгофа
- •Закон Вина
- •Формула Релея – Джинса
- •Формула Планка
- •Экспериментальная часть
- •Описание пирометра и подготовка к работе
- •Оценка температуры
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №8 Определение относительной энергии абсолютно чёрного тела при различных температурах
- •Краткая теория
- •Закон Вина
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы:
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №11 Исследование температурной зависимости сопротивления металла и полупроводника
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №12 Изучение статических характеристик транзистора
- •Краткая теория
- •Вольтамперные статистические характеристики полупроводниковых транзисторов
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Основные формулы
- •Графики
- •Пример оформления отчета по лабораторной работе Лабораторная работа № 9
- •Краткая теория
- •Вычисление искомых величин и расчет погрешностей
- •Графики
- •Физические постоянные
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Содержание
Порядок выполнения работы
Поместить источник света при полностью открытой диафрагме на расстояние
. Включить источник света. Плавным перемещением источника света установить его так, чтобы при напряженииU=0В стрелка микроамперметра отклонилась на максимальное число делений. Аккуратно закрыть трубу и изменяя напряжение U между анодом и катодом фотоэлемента, измерить значение силы тока, то есть получить зависимость I1=f(U) не менее 9 – 10 точек, достигая тока насыщения Iн (в таблице должно быть не менее 2 – 3 значений Iн).
Изменить положение источника света
,
и, повторив п.1 получить зависимостьI2=f(U) и I3=f(U). Поток световой энергии Ф постоянен (диафрагма источника света полностью открыта).
Изменить поток световой энергии Ф оставляя его неизменным (уменьшить диаметр отверстия диафрагмы источника света) и повторив п.1 получить зависимости I4=f(U), I5=f(U), I6=f(U).
Вычислить интегральную чувствительность γ фотоэлемента.
Экспериментальные и расчетные данные занести в таблицу:
N
n/n
, м
, м
, м
U, В
I1, μА
I4, μА
I2, μА
I5, μА
I3, μА
I6, μА
0
2
4
γ, μА/лм
Полученные результаты представить в виде графиков I=f(U).
Сделать соответствующий вывод.
Контрольные вопросы:
В чем заключается явление фотоэффекта?
Какие бывают виды фотоэффекта?
Что такое работа выхода?
Можно ли объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики?
Чем объяснить наличие тока насыщения у вакуумных фотоэлементов?
Дать определение потока световой энергии, силы света, освещенности. В каких единицах она измеряется?
Как определить А, если известны задерживающие разности потенциалов двух частот?
Литература
Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.
Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов /Ахматов А.С., Андреевский В.М., Кулаков А.И. и др.; Под ред. А.С. Ахматова. – М.: Высш. школа, 1980. – 360с., ил.
.Лекции.
Лабораторная работа №10
Исследование полупроводниковых диодов
Цель работы: 1.Исследовать вольтамперные характеристики диодов Д7Е и Д226.
2.Исследовать температурную зависимость сопротивления p-n перехода.
Приборы и принадлежности: Лабораторная установка, диоды Д7Е и Д226, миллиамперметр, микроамперметр, вольтметр, милливольтметр, реостат.
Краткая теория
Образование p–n перехода.
Действие полупроводникового диода основано на электрических свойствах электронно-дырочного перехода. p–n переход изготовляется вплавлением или диффузией акцепторной примеси в донорный полупроводник или донорной примеси в акцепторный полупроводник. p–n переходом является внутренняя граница в монокристалле, отделяющая области с различным типом проводимости толщиной 10-6 м.
Например, если на кристалл германия Ge наложить индиевую In “таблетку”, а затем нагреть эту систему примерно на 500°С, в вакууме или в атмосфере инертного газа, а затем медленно охладить то атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий, что приводит к созданию р–n перехода (рис.1).
Особенности p–n перехода.
Поскольку концентрация дырок в p–области велика, а в n–области мала, то градиент концентрации в кристалле будет вызывать диффузию дырок в направлении к n–области. Одновременно будет иметь место диффузия электронов из n–области в p–область.
рис.1
Процессы диффузии приведут к нарушению электрической нейтральности и увеличению омического сопротивления двойного контактного слоя.
Уход электронов из n–области оставляет за собой избыток положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси, а уход дырок из p–области – отрицательно заряженных неподвижных ионов акцепторной примеси. Кроме того, электроны, перешедшие в p–область, рекомбинируют с дырками p–области, а дырки, перешедшие в n–область, рекомбинируют с электронами (дырки захлопываются электронами) в тонком граничном слое. Это приводит к значительному обеднению основными носителями контактного слоя полупроводника, а, следовательно, к увеличению его омического сопротивления, и увеличению контактного электрического поля до некоторой разности потенциалов φ.
Электрическое поле двойного контактного слоя препятствует дальнейшей диффузии электронов в p–область и дырок в n–область. Преодолеть этот слой могут лишь те основные носители, энергия которых больше еφ.
В примесных полупроводниках, кроме основных (примесных) носителей зарядов, имеется незначительная доля неосновных (собственных) носителей тока: дырки в n–области и электроны в p–области.
Электрическое поле двойного контактного слоя p–n перехода не только не препятствует их диффузии, а наоборот, способствует их переходу. При некоторой контактной разности потенциалов φ на границе p–n перехода устанавливается динамическое равновесие. Поток основных носителей зарядов
уравновешивается обратным потоком собственных носителей
.
Динамическое равновесие устанавливается при выравнивании уровней Ферми в р– и n–областях, что приводит к смещению энергетических зон: уровни n–области опускаются вниз, а уровни р–области поднимаются вверх. Возникает потенциальный барьер для электронов и дырок высотой
.
На рис.2а показаны
энергетические схемы р–
и n–областей
до контакта (лежит выше
),
а на рис.2б – энергетическая схема этих
областей в термодинамическом равновесии
(уровни Ферми
и
расположены на одной высоте).
рис.2а рис.2б
Р–n переход, при обычных температурах равновесного контактного слоя является запирающим, обладая способностью выпрямлять переменный электрический ток.
Пусть к р–n переходу приложено внешнее прямое напряжение U: плюс к p–области и минус к n–области. В этом случае напряженность внешнего поля Е направлена против напряженности контактного поля Ек, что приводит к уменьшению высоты потенциального барьера (рис.3а) до величины
.
рис.3а рис.3б
Ширина запирающего слоя, а, следовательно, и его сопротивление резко уменьшаются.
При наложении внешнего напряжения в обратном направлении, т.е. плюс к n–области и минус к p–области, внешнее поле совпадает по направлению с контактным полем, что приводит к увеличению потенциального барьера (рис.3б) до величины
.
Ширина запирающего слоя (обедненного носителями тока) и его сопротивление увеличиваются.
При наложении внешнего переменного напряжения ток, обусловленный основными носителями, определяется как
,
а ток не основных носителей не зависит от высоты потенциального барьера и остается постоянным
.
Суммарный ток, текущий через р–n переход, уже не будет равен нулю.
Зависимость результирующего тока через р–n переход от приложенного напряжения
называют уравнением вольт–амперной характеристики р–n перехода.
Знак (+) относится к пропускному направлению, знак (–) – к запорному направлению.
При наложении прямого напряжения сила прямого тока через р–n переход растет по экспоненте
и при незначительном напряжении U<1В достигает большого значения порядка сотен ампер на м2.
При наложении обратного напряжения экспонента
убывает при увеличении U, а скобка
стремится к -1, т.е.
обратный ток стремится к току насыщения
,
который для большинства современных
диодов мал, порядка 10-9А.
График вольт–амперной характеристики р–n перехода показан на рис.4.
Коэффициент выпрямления р–n перехода, т.е. отношение прямого тока к обратному при одинаковой абсолютной величине напряжения может составлять 109 раз, что свидетельствует о том что, р–n переход практически обладает односторонней проводимостью при не очень высоких температурах: обладая большим сопротивлением при наложении обратного внешнего напряжения и малым при наложении прямого напряжения.
рис.4
При повышении температуры и прямое, и обратное сопротивление р–n перехода уменьшаются. Но прямое сопротивление уменьшается не значительно, т.к. концентрация основных носителей увеличивается с температурой мало (доноры и акцепторы почти все ионизированы). Обратное сопротивление с повышением температуры уменьшается быстро, так как зависит оно от концентрации свободных носителей тока, возрастающих с температурой экспоненциально.