![]()
Главная Обратная связь Дисциплины:
Архитектура (936) ![]()
|
Упражнение 1. Измерения термо-ЭДС гальванометром
Соберите установку в соответствии с рис. 10. Согласно закону Ома в замкнутой цепи (рис. 10) ЭДС (в вашем случае термо-ЭДС) равна: где R - сопротивление гальванометра; r - сопротивление термопары. Гальванометр подбирают с много большим сопротивлением (R>>r), тогда ε=IR, т.е. показания гальванометра в вольтах мало отличаются от измеряемой термо-ЭДС.
Порядок выполнения работы 1. Присоедините термопару к гальванометру, запишите начальные значения температур tº1 и tº2 и показание гальванометра N0 в таблицу 2 (столбцы 1,2,4). 2. Включите электроплитку и, нагревая, через каждые 10-20° до температур, указанных на установке (или рекомендуемых преподавателем), запишите показания термометров и гальванометра Ni (При этом следите за температурой холодного спая tº2 и, если она изменяется, запишите новые значения tº2 одновременно с tº1 в таблицу 2. 3. Рассчитайте термо-ЭДС εi, ∆tº = tº1 - tº2 для каждого измерения и постоянную термопары по формулам: 4. Постройте график зависимости термо-ЭДС 5. Рассчитайте отношение концентраций свободных электронов по формуле (15):
Таблица 2 Экспериментальные данные, полученные в ходе выполнения лабораторной работы по варианту 1
Упражнение 2. Измерения универсальным вольтметром 1. Соберите схему по рис. 10, только вместо гальванометра 2. Запишите в таблицу 3 начальные показания tº1, tº2 и εi. Таблица 3 Экспериментальные данные полученные в ходе выполнения лабораторной работы по варианту 2
3. Включите печь и через каждые 6-10° (всего 5-6 измерений) измерьте новые значения tº1 печи и соответствующие значения термо-ЭДС εi. Данные запишите в таблицу 3.
4. Определите ∆tº = tº1 - tº2 для каждого измерения.
5. По формуле (16) вычислите постоянную термопары С для каждого ∆tº.
6. Рассчитайте среднее значение Сср и среднеквадратичную ошибку измерений σ. Запишите результат в виде С = (Сср ± σ)
7. По формуле (15) вычислите отношение концентраций свободных электронов
8. Постройте зависимость термо-ЭДС от ∆tº.
УИРС. Определение чувствительности термостолбика
Термостолбик представляет собой батарею из 50 термопар, соединенных последовательно. Корпус, в котором помещается термобатарея, имеет с лицевой стороны окно для доступа теплового потока. Просвет окна может регулироваться при помощи задвижек. С целью увеличения поверхности нагрева и уменьшения тепловой инерции термопары составлены из тонких ленточек нихрома и константана. Рабочие спаи термопар находятся посредине окна с лицевой стороны, холодные спаи расположены и закрыты с противоположной стороны. Конусная насадка предназначена для концентрации направленного на термостолбик потока излучения.
Порядок выполнения работы 1. Ознакомьтесь с устройством термостолбика и подключите его к измерительному прибору вместо термопары, соблюдая полярность, как указано на установке.
2. Просвет окна к термобатарее установите около 1 см.
3. Поднесите руку к конусной насадке или поверните её в сторону аудитории и убедитесь, что термостолбик имеет высокую чувствительность к тепловому излучению.
4. Соберите цепь: маломощная лампочка, амперметр, вольтметр, источник питания. Поместите лампочку от окна термостолбика на расстоянии
5. Рассчитайте мощность РЛ излучения лампочки по току и напряжению (при этом пренебрегаем потерями энергии на нагревание самой лампочки и окружающего воздуха).
6. Определите мощность РТ излучения, попадающего на окно термостолбика, как отношение
7. Определите чувствительность термостолбика как отношение
Оформление отчёта
Отчет содержит таблицу с результатами, графики зависимости термо-ЭДС от ∆tº, расчёт погрешности,
Контрольные вопросы
1. Что называется работой выхода электрона из металла? 2. Контактная разность потенциалов, причины её возникновения. 3. Постройте и обсудите зонную энергетическую диаграмму контакта двух металлов. 4. Законы Вольта. 5. Что такое термо-ЭДС? Как она возникает, от чего зависит? Явление термоэлектричества. 6. Каков физический смысл постоянной термопары? От чего она зависит? Методика её определения. 7. Термоэлектрические приборы и их практическое применение.
Литература 1. Шалимова К.В. Физика полупроводников. 2 изд., М.: Энергия, 1976 2. Верещагин И.К. и др. Физика твёрдого тела. М.: Высшая школа, 2001 3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высш. шк., 2000 4. Трофимова Т.И. Курс общей физики. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2000. 5. Рымкевич П.А., Курс физики. М.: Высш. шк., 1975.
ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД
Цель работы. Изучение физических явлений, происходящих в туннельном диоде, наблюдение вольтамперной характеристики и определение основных параметров туннельного диода. Приборы и принадлежности.Осциллограф С1-5; звуковой генератор (например ГЗ-ЗЗ); туннельные диоды (германиевые или из арсенида галлия).
Введение
Изучение физических свойств полупроводников способствовало появлению и быстрому развитию полупроводниковой электроники и, в частности, радиоэлектроники, оптоэлектроники, вычислительной техники, автоматики, СВЧ-техники и т.п. В достаточно большом ряду полупроводниковых приборов туннельный диод занимает особое место. Отличительной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) участка с отрицательной дифференциальной проводимостью (или отрицательным дифференциальным сопротивлением). Такая форма характеристики позволила использовать туннельные диоды для генерации электрических колебаний (до частот порядка Важной характеристикой полупроводниковых диодов является их быстродействие, т.е. способность быстро реагировать на изменение внешнего напряжения. Туннельный диод явился одним из первых приборов, который имеет очень высокую скорость переключения, порядка наносекунд ( Туннельный диод является базовым элементом многих полупроводниковых приборов. Это обусловлено физическими свойствами, которые связаны с квантово-механическим эффектом туннельного прохождения электронов через тонкий потенциальный барьер р—n перехода. Таким образом, туннельный диод представляет собой пример практического инструмента квантовой механики в современной технике. Туннельный диод - это изготовленный из сильно легированных полупроводников диод, в котором туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви вольтамперной характеристики участка отрицательной дифференциальной проводимости (отрицательного дифференциального сопротивления). Основой туннельного диода так же, как и обычного полупроводникового диода, является электронно-дырочный переход (р—n переход). Однако у туннельных диодов уровень Ферми ЕF находится не в запрещенной зоне, а в валентной зоне для p-области и в зоне проводимости для n-области диода. Уровнем Ферми называется энергетический уровень, вероятность заполнения которого при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 0,5. Уровень Ферми лежит в запрещенной зоне при относительно слабом легировании, примерно до 1017 атомов/см3. Перемещение уровня Ферми из запрещенной зоны в разрешенную у различных полупроводниковых материалов происходит при разной степени легирования примесей и зависит от вида легирующей примеси. Например, для германия (Ge) при комнатной температуре степень легирования должна быть не ниже 2*1019 атомов/см3; для кремния (Si) - не ниже 6*1019 атомов/см3; вырождение арсенида галлия (GaAs) наступает при легировании примесей ~1018 атомов/см3. Энергетическая зонная диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, показана на рис. 1.а, из которого следует, что при внешнем напряжении равном нулю валентная зона р-области частично перекрывается с зоной проводимости n-области. На границе p- и n-областей образуется тонкий потенциальный барьер, толщиной около 10 Принцип работы туннельного диода основан на т.н. туннельном эффекте. Туннельным эффектом называется отличная от нуля вероятность того, что микрочастица, обладающая энергией ниже высоты потенциального барьера, оказывается за ним (проходит сквозь барьер) или микрочастица с энергией ниже высоты барьера отражается от него. В туннельном диоде благодаря наличию потенциального барьера малой толщины (тонкий потенциальный барьер) становится возможным прохождение (туннелирование) электронов из области п- в p-область (поток 2, рис.1) и из p- в n-область (поток 1, рис. 1). Поток 2 создает прямой ток, поток 1 - обратный. При отсутствии внешнего поля (туннельный диод находится в состоянии термодинамического равновесия) эти потоки равны, поэтому равен нулю и результирующий ток через переход. Качественное описание происхождения ВАХ туннельного диода можно свести к следующему. Если к p-n-переходу приложить напряжение в прямом направлении (плюс источника напряжения - на р-область), то перекрытие зон уменьшится (рис. 1а, а потом б). На одной энергетической высоте окажутся часть заполненных электронами уровней в зоне проводимости n-полупроводника и часть свободных от электронов уровней валентной зоны p-полупроводника. Увеличится, таким образом, вероятность перехода электронов из n-полупроводника в p-полупроводник, поток 2 будет превышать поток 1 и в переходе возникнет прямой ток i. С ростом напряжения U ток будет увеличиваться до тех пор, пока дно зоны проводимости n-области не будет располагаться на одной высоте с уровнем Ферми p-области (рис. 1в), при этом ток достигает своего максимального значения
При дальнейшем увеличении напряжения этот ток будет возрастать (рис.1е) по закону:
где is -ток насыщения, включающий электронную и дырочную составляющие; e -величина элементарного заряда; U - напряжение, приложенное в прямом направлении: T - температура; k - постоянная Больцмана. Ток id связан с диффузией быстрых электронов и дырок и их проникновением в другую часть перехода через потенциальный барьер (см. рис. 1д,е). При данном U этот ток растет с увеличением температуры. Туннельные же токи слабо зависят от температуры. На рис.1е пунктирной кривой, переходящей в сплошную, показана прямая ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ), соответствующая диффузионному току id[*]. На рис. 2 приведена полная ВАХ туннельного диода. Особенностью этой характеристики является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (от точки с координатами iп, Uп до точки с координатами iв, Uв). Пунктирной кривой обозначен туннельный ток. Минимальное значение тока i При отрицательном смещении на переходе диода перекрытие зон возрастает (см. диаграмму энергетических зон на рис. 2), и значительно увеличивается вероятность туннельного перехода электронов из p-области в зону проводимости n-области. Вероятность же туннельного перехода электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области уменьшается до нуля, так как в валентной зоне соответствующие уровни заполнены.
При подаче на туннельный диод внешнего поля высота потенциального барьера р—n-перехода диода изменится на величину
где EFn – уровень Ферми в полупроводнике п- типа, E Туннельный диод используется для генерации и усиления электромагнитных колебаний, в переключающих схемах и т.п. Промышленность выпускает туннельные диоды из арсенида галлия и германия. Возможности технического применения туннельных диодов в радиоэлектронных схемах связаны со следующими параметрами (см. рис. 2): i iв – минимальный ток - прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение di/dU также равно нулю; iп/iв - отношение максимального тока к минимальному току; для туннельных диодов из арсенида галлия iп/iв U для германиевых Uп=40 - 60мВ; U Uрр — напряжение раствора - прямое напряжение, большее напряжения U r Интересны также такие параметры, как удельная ёмкость, резонансная частота туннельного диода и др., но их измерение и вычисление не входит в данную работу. Параметры туннельного диода зависят от физических свойств исходного полупроводникового материала, от концентрации примесей и ее распределения и т.п. Например, чем больше ширина запрещенной зоны исходного полупроводника, тем при больших напряжениях наблюдается отрицательное дифференциальное сопротивление.
![]() |