![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Министерство сельского хозяйства российской федерации
- •Введение
- •Лабораторная работа № 1 Изучение электростатического поля методом моделирования
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •3.1 Задание 1 Фокусировка электронного луча и регулирование его положения на экране
- •3.2 Задание 2 Определение чувствительности осциллографа и чувствительности электроннолучевой трубки
- •3.3 Задание 3 Наблюдение формы различных сигналов и измерение входного напряжения
- •3.4 Задание 4 Получение фигур Лиссажу и определение частоты исследуемого сигнала
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 Исследование p-n-перехода и определение параметров полупроводникового диода
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 Изучение принципа работы электронных ламп и определение характеристик вакуумного триода
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 Изучение электропроводности жидкостей и определение электрохимического эквивалента меди
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Библиографический список
3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
При подготовке к лабораторной работе необходимо составить конспект по одному из учебников, указанных в библиографическом списке:
- для инженерных специальностей: С. 269-270 /1/, С. 186-187 /2/, С. 450-452 /2/, С 236-240 /3/;
- для неинженерных специальностей: С. 300-304 /4/.
3.1 Подключить исследуемый проводник к цифровому омметру.
3.2 Включить омметр в электрическую сеть, прогреть его 30…40 секунд.
3.3 Включить в электрическую сеть сушильный шкаф. В процессе нагрева, начиная с температуры 30 ˚С, измерять сопротивление исследуемого проводника (с точностью до 0,1 Ом). Измерения производить через каждые 10 ˚С до 100˚С. Результаты измерений записать в таблицу 1.
Таблица 1 Результаты измерения зависимости сопротивления
проводника от температуры
Обозначения физических величин |
Результаты измерений |
|||
№ измерения |
1 |
2 |
… |
n |
t, ºС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.4 Когда температура достигнет 100 ˚С, выключить печь и омметр.
3.5
Построить график температурной
зависимости сопротивления проводника
на миллиметровой бумаге, откладывая по
горизонтальной оси температуру в
градусах Цельсия (рекомендуемый масштаб
10 град/см), а по вертикальной оси - величину
измеренного сопротивления (рекомендуемый
масштаб 0,5 Ом/см).
График строить в виде прямой линии,
проходящей через точку 1, полученную
при комнатной температуре. При этом
необходимо, чтобы примерно половина
экспериментальных точек находилась
над линией, а половина - под ней, как на
рисунке 2:
Рисунок 2 Примерный вид графика зависимости сопротивления от температуры
3.6
Продолжить линию графика до пересечения
с вертикальной осью, эта процедура
называется экстраполяцией, по полученной
точке пересечения определить сопротивление
при температуре 0 ºС
и определить
точки, лежащие точно на прямой на рисунке
2 точки 2 и 3.
3.8
Для точки, лежащей точно на прямой ближе
к концу графика (на рисунке 2 это точка
3), рассчитать среднее значение
температурного коэффициента сопротивления
.
Из формулы (2) следует, что температурный
коэффициент сопротивления
вычисляется по формуле:
.
(3)
Подставив в (3)
полученные значения
,
найти
.
3.9
Поскольку при измерениях значения
округлялись до 0,1 Ом,
то погрешности
и
следует принять равными
Ом.
Погрешность
рассчитать по формуле:
,
(4)
где
- инструментальная погрешность термометра
(половина цены деления).
3.10 Результаты представить в виде:
и
.
(5)
Используя полученные числовые значения, записать уравнение прямой в виде
.
(6)
3.11
Сделать выводы. Сравнить полученное
значение
со справочным (смотри приложение В) и
определить материал проводника.
4 Контрольные вопросы
4.1 Что представляет собой ток в металлах?
4.2 Как зависит сопротивление металлического проводника от температуры?
4.3 Как зависит сопротивление проводника правильной формы от его размеров?
4.4 Какими причинами обусловлено сопротивление проводников?
Лабораторная работа № 4
Изучение температурной зависимости сопротивления
полупроводника
Цель и задача работы: Изучение теории проводимости полупроводниковых материалов, получение экспериментальной зависимости сопротивления полупроводника от температуры и определение энергии активации электрона (ширины запрещенной зоны).
1 Общие сведения
В отличие от металлических проводников, сопротивление полупроводников уменьшается ростом температуры. Это объясняется современной физикой твердого тела, где обосновано, что в твердом теле энергетические уровни отдельных атомов объединяются в систему близко расположенных уровней, называемых разрешенными энергетическими зонами. Разрешенные зоны разделены запрещенными зонами ─ интервалами энергии, которой не могут обладать электроны в данном кристалле.
В полупроводнике
при температуре 0 К
все зоны, в которых имеются электроны,
полностью заполнены, и он является
диэлектриком. При повышении температуры
некоторые электроны в зоне, заполненной
валентными электронами (валентная
зона), могут получить избыточную энергию
,
достаточную для перехода через запрещенную
зону в зону проводимости. Энергия
называется энергией активации. Переход
электрона из валентной зоны в зону
проводимости ведет к образованию в
валентной зоне вакантного места,
соответствующего положительному заряду
и получившего название дырка. Химически
чистые, беспримесные полупроводники
называются собственными, концентрации
электронов
и дырок
в них одинаковы.
На рисунке 1 приведена диаграмма энергетических зон собственного полупроводника. Электрические свойства полупроводников обусловлены валентными электронами в валентной зоне V, которая отделена запрещенной зоной Z от следующей разрешенной зоны C, называемой зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны Z у полупроводников составляет примерно 1 эВ.
Рисунок 1 Диаграмма энергетических зон для собственного
полупроводника: С – зона проводимости; Z – запрещенная зона;
V – валентная зона; WC - минимальная энергия электрона в зоне проводимости; WF - уровень Ферми; WV – максимальная энергия электронов в валентной зоне; Wa – энергия активации
В собственных
полупроводниках концентрация электронов
в зоне проводимости и соответственно
дырок
в валентной зоне определяется формулой:
,
(1)
где
- собственная
концентрация носителей заряда;
- энергия Ферми (уровень Ферми) для
данного полупроводника; Т
– абсолютная температура;
- постоянная Больцмана,
.
Уровень Ферми в собственных полупроводниках расположен в середине запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости, т. е.:
.
(2)
Подставив (2) в (1), получим концентрацию носителей заряда:
.
(3)
При помещении
полупроводника в электрическое поле в
нем появляется электрический ток,
образованный движением электронов,
попавших в зону проводимости, и дырок,
имеющихся в валентной зоне. Плотность
тока
зависит от концентрации электронов и
дырок
,
величины их заряда
и средней скорости
их направленного движения и определяется
формулой:
,
(4)
где индексы
и
относятся соответственно к электронам
и дыркам. Так как в собственных
полупроводниках концентрации
и
,
то (4) можно переписать:
.
(5)
Плотность тока
связана с удельной электропроводностью
законом Ома в дифференциальной форме:
(6)
где
- удельное электрическое сопротивление;
- напряженность электрического поля.
Обозначим
удельную электропроводность при
температуре 0 К,:
.
(7)
Из выражений (5), (6) и (7) найдем что:
.
(8)
Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью. С точки зрения зонной теории это обстоятельство объясняется так: с повышением температуры растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, соответственно растет и число дырок, что увеличивает концентрацию заряженных частиц, участвующих в создании электрического тока.