Описание метода эксперимента

За время полета электронов они поворачиваются

на угол j: j ,

который не зависит от скорости .

На экране осциллографа в этом случае линии развертки поворачивается на этот угол j . Измерение:

tg j = U / C (8.13)

позволяет найти удельный заряд электрона из соотношения:

(8.14)

По закону сохранения энергии :

, (8.15)

откуда выразим V₀ :

. (8.16)

Подставим (8.16) в ( 8.15 ), получим :

, (8.17)

где m₀ NI = B, m₀ = 4p ´ 10 ^-7 Гн / м,

N - число витков соленоида,

I - ток в соленоиде,

U_z ~ 1.25´ 10³ В.

Обозначим постоянную величину :

. (8.18)

Ее определяют индивидуально для каждой установки. Окончательно получаем:

. (8.19)

1) Катод; 2) Управляющая сетка; 3) Пластины горизонтальной развертки; 4) Экран; 5) Соленоид.

Для изучения силы Лоренца на клеммы МП, обозначающие выводы соленоида, на боковой поверхности осциллографа, подают напряжение, с источника постоянного тока (0÷7В) включая последовательно с соленоидом мультиметр для измерения силы тока. При протекании электрического тока по соленоиду, возникающее магнитное поле действует на электроны, если они имеют отличную от нуля составляющую скорости, перпендикулярную оси соленоида V_x с силой:

F= eBV_x..

Величина V_x задается пилообразным напряжением развертки луча осциллографа, подаваемым на пластины горизонтального отклонения 3 (рис.8.4). Электроны испускаются накаленной нитью 1 (катод) и ускоряются напряжением сетки 2. Так как ускоряющая разность потенциалов U_z ~ 1.25´ 10³ В много больше напряжения на отклоняющих пластинах U₀ ~ 100 В, можно считать, что продольная скорость у всех электронов в данный момент одинакова. Электроны с разными поперечными скоростями в разные моменты времени по развертке попадают в разные точки экрана и создают изображение прямой линии вдоль оси X. При включении поля электроны двигаются по спирали.

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую схему: подключить мультиметр в режиме измерения силы тока последовательно с соленоидом (1 клемма соленоида расположена на боковой стороне осциллографа, а 2- земля) к источнику постоянного тока 0 ¸ 7 В.

2. Включить ток через обмотку соленоида и наблюдают наклон горизонтальной развертки луча осциллографа. Меняя полярность источника тока, меняется угол наклона луча на противоположный, что свидетельствует о векторном характере силы Лоренца.

3. При нескольких значениях тока I рассчитывают угол j по формуле (8.13), замеряя X и Y ( не менее 5 раз ) и заносят результат в таблицу.

Таблица

№ п/п	2х ( мм)	Y(мм )	j (град)	I(А)	e/m (Кл/кг)	De/m (Кл/кг)	Ee/m %
Среднее значение

4. Рассчитать значение по формуле (8.19), используя значение К, вычисленного по формуле (8.18), где N – число витков соленоида (спросить у преподавателя).

5. Вычислить значение абсолютной и относительной ошибки

измерения e/m.

Контрольные вопросы

1. Магнитное поле (его источник, основная характеристика).

2. Сила Лоренца (от чего зависит, на что действует, как определяется направление?).

3. Как зависит характер движения частицы в однородном поле от угла α между направлением скорости и индукции магнитного поля.

4. Шаг винтовой линии (определение, вывод формулы 8.9)

5. Что такое удельный заряд электрона? Чему он равен? (вывод формулы 8.12).

6. Описать метод эксперимента с выводом расчетной формулы (8.19).

Литература

5. Зисман Г. А. Тодес О. М. Курс общей физики. Т.2, гл.VII. 1974.

6. Детлаф А. А. Яворский Б. М. Курс физики. 1989 г. стр. 208 – 209.

7. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2, гл. 10.М.: Наука, 1978 г.,

8. Детлаф А. А. Яворский Б. М. Справочник по физике. гл. VII. М.: ФМЛ, 1963 г.,

9. Кушкин С.А., Сорокин А.Ф., Сурков М.И. Руководство к лабораторным работам по физике. А: 1997.

Лабораторная работа № 9.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА.

Цель работы: изучение (экспериментально) вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

Оборудование: источник питания 0÷7 В, диод, мультиметр (2 шт.), провода соединительные.

Краткая теория

Электронные состояния в кристаллах образуют энергетические зоны. Связанные состояния образуют валентную зону, свободные – зону проводимости. Полупроводниками называются кристаллы, для которых энергетическая щель между этими зонами DW лежит в пределах 0 < DW < 2 эВ. Полупроводниковые материалы объединяют обширный класс материалов с удельным сопротивлением 10^-8÷10^-6 Ом·м. Наиболее типичными полупроводниками являются кремний (Si) и германий (Ge).Чистые полупроводники обладают всегда равным числом электронов в зоне электронной проводимости и дырок. Обычно эти полупроводники называются полупроводниками с собственной проводимостью или собственными полупроводниками. Особую роль в физике и технике играют, однако, так назы­ваемые примесные полупроводники. Ничтожные коли­чества примесей резко меняют электрические свойства полупровод­ников. При этом примесью обычно для краткости называют не только наличие атомов других элементов, нарушающих правиль­ность кристаллической решетки, но и любые ее нарушения: нали­чие атома того же элемента, находящегося не в узле, а в междоуз­лии решетки, либо отсутствие атома в узле. В дальнейшем для оп­ределенности мы будем рассматривать нарушения решетки, обус­ловленные наличием реальных примесей - атомов других элементов.

Наличие примесных атомов сказывается на поведении полупро­водника двояко. Если, например, в кристаллической решетке чисто­го четырехвалентного полупроводника германия один из атомов заместить атомом пятивалентной сурьмы, то последний легко от­даст лишний пятый электрон. В той же решетке атом трехвалентного индия, заместивший один из атомов германия, будет стре­миться присоединить к себе четвертый электрон.

Примеси, отдающие электроны, называются донорными; примеси, стремящиеся присоединить к себе электроны - акцепторными. Таким образом, атомы сурьмы в кристаллической решетке германия являются донорами, атомы индия - акцепторами.

Рассмотрим конкретный пример. На (рис.9.1.а) изображена плоская схема кристалла германия. Германий четырехвалентен. Это значит, что во внешней оболочке его атомов имеются четыре сла­бо связанных электрона, которые осуществляют связь между данным и соседними атомами. На схеме эти связи показаны пунктир­ными стрелками.

Заместим теперь один из атомов германия каким-нибудь пяти­валентным атомом (сурьма, мышьяк). Из пяти электронов внешней оболочки атома примеси четыре будут вести себя, как электроны атома германия. Пятый же электрон окажется свободным. Таким образом, атом примеси превратится в положительный ион (рис.9.1.б). При отсутствии добавочных взаимодействий свобод­ный электрон будет удерживаться вблизи положительного иона. Однако их связь будет слаба, и под действием уже небольшого поля этот электрон сможет перемещаться против него, участвуя тем самым в электронной проводимости кристалла.

Пусть, например, в рассмотренную выше решетку германия вве­дены атомы трехвалентного индия (рис.9.1.в), во внешней обо­лочке которых имеются три электрона. Вследствие структуры решетки, атом индия должен будет стремиться к захвату еще одного электрона, которым может быть один из свободных элек­тронов (по принятой выше терминологии - электрон из зоны элек­тронной проводимости). Таким образом, электроны, которые при отсутствии примеси были бы свободны, «оседают» на атомах акцеп­тора и подвижностью будут обладать главным образом дырки.

В зависимости от механизма проводимости мы будем называть такие полупроводники электронными или дырочными и обозначать соответственно буквами n (от слова «negativ», что означает отри­цательный знак подвижного заряда) или р (от слова «positiv»—по­ложительный).

Электропроводность полупроводников резко увеличивается с ростом температуры. При этом электроны переходят из занятой валентной зоны, где образуются «дырки», в ранее пустовавшую зону, где образуются «электроны проводимости».

Полная электропроводность проводников является суммой дырочной (p-проводимость) и электронной (n-проводимость) электропроводности.

Полупроводниковый диод представляет собой контакт полупроводников n-типа и p-типа. В области контакта электроны и дырки нейтрализуют друг друга (рекомбинируют) и концентрация носителей тока становится очень малой. Возникает слой с большим сопротивлением, «запорный» слой или слой p-n перехода.

Диод обладает односторонней проводимостью, то есть его сопротивление меняется в тысячи раз в зависимости от полярности приложения напряжения. Рассмотрим причину происходящего явления. Присоединим к кристаллу стороннюю э.д.с. так, как это показано на (рис.9.2.а): минус - к n-кристаллу и плюс – к р- кристаллу (прямое подключение). Внешнее поле будет уменьшать поле, созданное в области контакта, т. е. облегчит передвижение свободных носителей заряда в этой области. Ток через кристалл будет сравнительно большим.

Переменим теперь полюсы внешней э.д.с. (обратное подключение) (рис.9.2. б). В этом случае внешнее поле в области контакта действует так же, как и внутреннее, т. е. обедняет ее подвижными носителями заряда. Сопротивление этой области сильно возрастает, ток проводимости резко уменьшается. При данном напряжении внешнего источника э.д.с. прямой ток в десятки и сотни раз превышает обрат­ный ток.

Так как сопротивление полупроводникового диода зависит от полярности и величины приложенного напряжения, то его вольт амперная характеристика становится не линейной. Эта нелинейность и обуславливает практическое использование диода в качестве выпрямителя, ограничителя и демодулятора электрических сигналов. Типичная вольтамперная характеристика диода представлена на рис.9.3.

Схема установки

Ход работы

1. Собрать схему установки, используя источник 0÷7 В; М1 – мультиметр в режиме вольтметра; М2 – мультиметр в режиме миллиамперметра (mA) – для прямого включения диода, и в режиме микроамперметра (μА) – для обратного.

2. Регулируя, подаваемое с источника напряжение, записать показания амперметра и вольтметра в таблицу (для прямого и обратного подключений диода). Необходимо сделать не менее 10 замеров.

3. Построить графики зависимостей I(U) для прямого и обратного включений.

Переход от прямого подключения диода к обратному (или наоборот) можно осуществить, поменяв полярность подключения источника.

Таблица

Прямой ток	Обратный ток
U, В	I, mА	U, В	I, μА

Контрольные вопросы

1. Ход работы.

2. Какие кристаллы называются полупроводниками (собственными, примесными)? Объяснить различие между донорными и акцепторными примесями.

3. Что такое полупроводники p- и n- типа (объяснить механизм их образования)?

4. Как устроен полупроводниковый диод? Как зависит сопротивление диода от полярности приложенного напряжения?

5. В чем особенность p-n перехода? Прямое подключение диода.

6. Почему вольтамперная характеристика диода не линейна?

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс общей физики, М.: Высшая школа, 1989. т. 2 гл. XII, § 13.2 – 13.7

2. Савельев И. В. Курс общей физики, М.: Наука, 1987. ч. 2 § 72, 78.

3. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. М.: Наука, 1974. II часть. гл.VI § 28.

Содержание

1. Лабораторная работа № 0. «Вводное занятие по курсу общей физики.

Разделы электричество и магнетизм»……………………………………………..4