Пусть анод и катод вакуумного диода имеют форму больших пластин, напряжение между ними (анодное напряжение) UАК. Напряженность электрического поля в пространстве между пластинами , где dАК - расстояние между анодом и катодом. На электроны, "испаряющиеся" с нагретого катода, будет действовать сила и, через диод будет течь ток (анодный ток). Можно ли управлять анодным током? Вакуумный триод. Напряженность электрического поля между катодом и сеткой: , где dКС – расстояние между катодом и сеткой. Если , то анодный ток будет равен нулю. Числовой пример: UАК = 200 В, dКС = 1 мм, dАК = 50 мм, UКС = 4 В = φК – φС. Триод - как электронный ключ.
Вывод: Изменяя потенциал сетки по отношению к катоду, можно управлять анодным током и даже прекращать его совсем.
Сеточная характеристика триода.
Характеристики вакуумного триода:
· Рабочая точка (Р).
· Крутизна при U А = пост.
· Внутреннее сопротивление при Uс = пост.
· Коэффициент усиления при IА = пост.
Усилитель низкой частоты на триоде: Uн = I Rн.
Задачи:
1. Электронная лампа триод имеет внутреннее сопротивление 3 кОм и крутизну характеристики 3 мА/В. Найти коэффициент усиления этой лампы.
2. Найти крутизну характеристики лампы и среднее внутреннее сопротивление ее на участке изменения анодного напряжения от 55 до 80 В, вызывающего изменение анодного тока от 40 до 70 мА, если коэффициент усиления 1.
Вопросы:
1. Если соединить проводником анод с сеткой триода, то сила тока резко возрастает. Почему?
2. Почему возрастает сила тока, если соединить катод с сеткой?
3. Если коснуться пальцем сетки, то сила тока убывает. Почему?
4. Что произойдет, если коснуться сетки лампы наэлектризованной палочкой?
"Полупроводниками... будут называться проводники... сопротивление которых очень сильно уменьшается с температурой".
И. Кенигсбергер
Урок 52/3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с полупроводниками, выяснить природу свободных носителей заряда в них, характер собственной и примесной проводимости.
ТИП УРОКА: комбинированный.
ОБОРУДОВАНИЕ: набор полупроводников, выпрямитель ВС-24, гальванометр от амперметра, кинофильм "Полупроводниковые диоды и стабилитроны".
ПЛАН УРОКА:
1. Вступительная часть 1-2 мин
2. Опрос 10 мин
3. Объяснение 20 мин
4. Закрепление 10 мин
5. Задание на дом 2-3 мин
II. Опрос фундаментальный: 1. Электронные пучки и их свойства. 2. Электронно-лучевая трубка.
Задача:
1. Определить ускорение, время движения и конечную скорость электронов у анода вакуумного диода, если их скорость у катода равна нулю, напряжение между катодом и анодом 300 В, а расстояние между ними 1 см. Электрическое поле считать однородным.
III. Место полупроводников в периодической таблице. Сравнение удельных сопротивлений металлов, полупроводников и изоляторов (Справочник по физике и технике, Табл. 167 и Табл. 172). На сколько порядков отличаются удельные сопротивления германия и парафина?, кремния и резины?.
Существуют ли еще способы отличить твердый полупроводник от металла?
"Недавно я наткнулся на необычный случай,... который находится в прямом противоречии с влиянием тепла на обычные металлы..."
Фарадей
Демонстрация зависимости сопротивления полупроводника от температуры и освещенности.
Поэтому полупроводники и называют полупроводниками, что при достаточно высоких температурах они являются проводниками, а при низких - диэлектриками. Другие свойства полупроводников: величина удельного сопротивления от 10-8 до 10 Ом·м, чувствительность к свету, большое значение термо-ЭДС относительно металлов, эффектом выпрямления тока на контактах. Внутреннее строение полупроводника на примере кремния. Атом кремния.
Парноэлектронная (ковалентная) связь (моделирование на магнитной доске).
Энергетическая щель диэлектрика (∆Е) - минимальная энергия, необходимая для того, чтобы оторвать электрон от атома диэлектрика и превратить его в свободный. Примеры: у алмаза ∆Е = 7 эВ, у германия ∆Е = 0,72 эВ, у графита валентная зона и зона проводимости перекрываются. Значение энергетической щели зависит от структуры решетки и свойств атомов; лежит в пределах от нуля /металлы/ до десятков электрон-вольт (диэлектрики). Энергия квантов света 1,6 – 3 эВ. Электроны и дырки. Рекомбинация дырок и излучение света. Характер теплового движения электронов и дырок, зависимость их концентрации от температуры и освещенности.
Электрическое поле в полупроводнике (рисунок на доске). Дрейф электронов и дырок. Ток электронов и ток дырок (аналогия с перемещением пустых мест в кинотеатре, если зрители с первого ряда переходят на сцену, а их места занимают зрители следующего ряда). Собственная проводимость полупроводников. Вольтамперная характеристика чистого полупроводника.
Полупроводники, как принцессы на горошине, очень чувствительны к примесям. Примесная проводимость. Способы легирования полупроводника примесью.
Если в кусок кремния (рисунок на доске), содержащий 20 электронов и 20 дырок, добавить 1000000 атомов мышьяка (донорная примесь), то в полупроводнике с такой примесью (n – типа) будет 1000020 электронов и 20 дырок (на самом деле дырок будет гораздо меньше из-за рекомбинации с электронами). Демонстрации с полупроводником n-типа (от лат. negativus- отрицательный).
Если в кусок кремния, содержащий 20 электронов и 20 дырок, добавить 1000000 атомов индия (акцепторная примесь), то в полупроводнике с такой примесью (р - типа) будет 20 электронов и 1000020 дырок /электронов будет гораздо меньше из-за рекомбинации с дырками/.
IV. Демонстрация кинофильма.
V. §§ 71,72
Дополнительная информация: Схема работы ксерокса такова: слою полупроводника сообщается электрический заряд, и тут же на него проецируют изображение. Проводимость освещенных участков возрастает, и заряд с них стекает на металлическую подложку. Порошку сообщается заряд противоположного знака, и он прилипает к тем участкам полупроводникового слоя, где сохранился электрический заряд. Остается перенести изображение на бумагу и закрепить его, что достигается нагреванием.
Фотоэлектромагнитный эффект. При падении света на пластинку из закиси меди в цепи возникает электрический ток. На освещаемой поверхности под действием света образуются электроны и дырки, их концентрация увеличивается и они диффундируют в глубь полупроводника. Перемещаясь в магнитном поле, они отклоняются соответственно вниз и вверх, при этом возникает фотоэлектрическая ЭДС порядка 20 – 30 В.