- •Оглавление
- •Предисловие
- •Рекомендации преподавателям
- •Указания студентам
- •I. Электрическое поле и постоянный электрический ток. Лабораторная работа № 2.1 исследование электростатического поля методом зонда
- •1. Электростатическое поле и его характеристики
- •2. Изучение электростатических полей, созданных системой проводящих электродов
- •3. Изучение свойств электрического тока в изотропной среде
- •4 . Экспериментальные установки
- •5. Опытное определение эквипотенциальных точек и построение эквипотенциальных линий
- •6. Изучение электрических полей, созданных точечными и равномерно распределенными зарядами, с помощью электронного учебника «Открытая физика» и математического пакета Maple
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.2 закон ома и правила кирхгофа для разветвленных цепей
- •1. Закон Ома
- •2. Правила Кирхгофа
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Проверка закона Ома для участка цепи и измерение внутренних сопротивлений источников тока
- •5.Нахождение токов в разветвленной цепи
- •6.Изучение темы «Правила Кирхгофа для разветвленных цепей» с помощью программы «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.3 Температурная зависимость сопротивления проводников и полупроводников
- •1. Электропроводность металлов
- •2.Электропроводность полупроводников
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Определение зависимости сопротивлений проводника и термистора от температуры
- •5. Вычисление энергии активации полупроводника
- •6. Изучение электропроводности твердых тел с помощью пакета программ “Открытая физика”
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.4 релаксационный генератор на основе тиратрона
- •1. Тлеющий разряд в газах
- •2. Газоразрядные приборы
- •3. Релаксационный генератор на основе тиратрона
- •4. Экспериментальная установка
- •5. Измерение потенциала зажигания и гашения тиратрона
- •6. Измерение периода релаксационных колебаний секундомером
- •6. Измерение периода релаксационных колебаний с помощью осциллографа
- •7. Измерение емкости батареи конденсаторов
- •8. Изучение квазистационарных процессов в rc-цепях с помощью пакета программ «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •II. Магнитное поле. Лабораторная работа № 2.5 магнитное поле кругового тока
- •1. Закон Био-Савара-Лапласса и его применение для определения индукции магнитного поля кругового тока
- •2. Магнитное поле Земли
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли
- •5. Проверка закона Био-Савара-Лапласса
- •6. Изучение силовых линий магнитного поля с помощью пакета программ «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.6 определение удельного заряда электрона
- •1. Сила Лоренца
- •2. Краткое описание тетрода 6э5п
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Методика определения удельного заряда электрона
- •5. Измерение удельного заряда электрона
- •6. Работа с компьютерной моделью движения заряда в магнитном поле
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.7 эффект холла
- •1. Эффект Холла и его теоретическое обоснование
- •2 Датчики Холла
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Градуировка датчика
- •5. Измерение индукции магнитного поля вдоль оси соленоида
- •6. Определение параметров датчика
- •Контрольные вопросы
- •III. Колебания и волны. Лабораторная работа № 2.8 Свободные механические колебания
- •1. Изучение гармонических колебаний математического и физического маятников
- •2. Ангармонические колебания физического маятника
- •3. Затухающие колебания физического маятника
- •4. Измерение периода малых колебаний математического маятника и определение ускорения свободного падения
- •5. Определение зависимости периода колебания физического маятника от амплитуды
- •6. Исследование затухающих колебаний.
- •7. Изучение темы «Свободные колебания математического маятника» с помощью программы «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.9 изучение электронного осциллографа
- •1. Электронный осциллограф
- •2. Сложение двух колебаний одного направления и одинаковых или близких частот
- •3. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
- •4. Использование осциллографа
- •5. Схема экспериментальной установки
- •6. Подготовка электронного осциллографа к работе
- •7. Измерение амплитуды, периода и частоты синусоидальных колебаний
- •8. Измерение периода биений
- •9. Определение сдвига фаз двух гармонических взаимно-перпендикулярных колебаний одинаковой частоты
- •10. Определения частоты колебаний по заданной частоте
- •11. Изучение квазистационарных процессов в rlc-цепях с помощью пакета программ “Открытая физика”
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.10 Закон Ома для цепей переменного тока
- •1. Цепи переменного тока (краткая теория)
- •2. Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2. 11 стояЧие волны и определение скорости звука в воздухе
- •1. Звуковые волны
- •2. Звуковые волны в газах
- •3. Стоячие волны
- •3. Описание экспериментальной установки и выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •ПриложениЕ I. Таблицы физических величин
- •Диэлектрическая проницаемость
- •ПриложениЕ II. Некоторые сведения о единицах физических величин
- •Основные и производные единицы электрических и магнитных величин в си
- •Коэффициенты перевода внесистемных единиц в единицы си
- •Приставки для образования кратных и дольных единиц
- •Греческий алфавит
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Электромагнетизм, колебания и волны Учебное пособие для выполнения лабораторных работ
- •428000, Г. Чебоксары, ул. П. Лумумба, 8
2.Электропроводность полупроводников
Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры на один градус удельное сопротивление полупроводников уменьшается, как правило, на 5-6 %. Именно на этом свойстве полупроводников основано использование терморезистора (термистора). Полное объяснение свойства терморезисторов на основе зонной теории твердых тел дается в заключительном разделе курса физики. Поэтому ограничимся краткой упрощенной картиной. В полупроводниках (кремний, германий и др.) при низких температурах все валентные электроны атомов участвуют в образовании ковалентных связей. Для того, чтобы электрон получил возможность перемещаться и переносить электрический ток (стал свободным), ему нужно сообщить энергию, достаточную для вырывания его из ковалентной связи. После отрыва от двух соседних нейтральных атомов, связанных ковалентной связью, одного электрона они приобретают положительный заряд. Такую систему с отсутствием электрона называют дыркой. Дырки также могут двигаться по полупроводнику и участвовать в переносе электрического тока. Это происходит при переходе на место дырки электрона из соседей ковалентной связи, где и оказывается новое положение дырки. При наличии достаточно большого числа свободных электронов и дырок полупроводник оказывается способным обеспечить прохождение электрического тока. Чем больше свободных электронов, тем меньше сопротивление полупроводника. Увеличение концентрации электронов в зоне проводимости легко обеспечивается небольшим увеличением температуры, что делает явным коренное отличие полупроводника от металла: сопротивление полупроводников при увеличении температуры не увеличивается, а уменьшается.
Полупроводники высокой степени очистки в области не слишком низких температур обладают электрической проводимостью, обусловленной наличием в них собственных носителей тока — электронов и дырок с зарядом . Эту проводимость называют собственной проводимостью полупроводника.
В соответствии с наличием в собственном полупроводнике двух типов носителей — электронов и дырок — его удельная электропроводность складывается из , обусловленной наличием свободных электронов, имеющих концентрацию и подвижность и , обусловленной наличием дырок, имеющих концентрацию р и подвижность . Так как то полная удельная электропроводность собственного полупроводника
. (3.12)
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры в определённых температурных интервалах описывается выражением:
(3.13)
где – константа, имеющая смысл предельного сопротивления при , – энергия активации (высота энергетического барьера), - постоянная Больцмана. Под энергией активации понимается энергия, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное. Ее величина менее 1 эВ. Уменьшение сопротивления с возрастанием температуры, в основном, объясняется увеличением количества носителей тока, т.е. концентрации свободных электронов и дырок. Наличие отрицательного температурного коэффициента сопротивления является характерным свойством полупроводников.
Из уравнения (3.13) следует, что
. (3.14)
График зависимости , согласно (3.14) примет вид, изображенный на рис. 3.3
Рис. 3.3. Пример проведения прямой по результатам измерений с помощью программы MicroCal Origin 3.0
Угловой коэффициент прямой (3.14) равен:
. (3.15)
Из (3.15) можно определить энергию активации .
Зависимость ,
. (3.16)
показана на рис. 3.4.а. По оси ординат график отсекает отрезок . Угловой коэффициент прямой (3.16) равен - . Строя такой график, можно определить, таким образом, постоянную и энергию активации .
В качестве примера на рис. 3.4, б показаны зависимости от 1/Т для чистых германия и кремния, полученные экспериментально. Как видно из рис. 3.4., результаты эксперимента находится в хорошем согласии с теоретическим графиком.
Рис. 3.4. Зависимость : а) – схематичный график,
б) – экспериментальный – для германия и кремния
Между металлами и полупроводниками существует следующее принципиально важное различие. В то время как в металлах концентрация носителей заряда практически не зависит от температуры и температурная зависимость их проводимости целиком определяется температурной зависимостью подвижности носителей, в полупроводниках, наоборот, температурная зависимость их проводимости практически полностью определяется температурной зависимостью концентрации носителей. При данной температуре концентрация носителей тока и проводимость собственных полупроводников определяется энергией активации.
Свойство резкой зависимости сопротивления полупроводников от температуры используется для изготовления большого класса полупроводниковых приборов — термосопротивлений. Они представляют собой объемные полупроводниковые сопротивления с большим температурным коэффициентом сопротивления. Термисторы используются для измерения температуры, мощности электромагнитного излучения, для температурной компенсации разнообразных элементов электрических цепей, для устройства различных реле времени и т. д.