Әдістемелік нұСҚаулар ақпарат алудың физикалық негіздері

Теориялық кіріспе

Бұл жұмысты орындау үшін біртекті магнит өрісіне магнит өрісінің индукциясы векторына әр түрлі бұрышпен жылдамдықпен ұшып кіретін зарядталған бөлшектердің қозғалысын сипаттайтын заңдылықтар қолданылады. Бұл жағдайда ұшып кіретін бөлшекке келесі формуламен анықталатын Лоренц күші әсер етеді

Лоренц күші векторлық түрде былай жазылады

Егер q<0, онда Лоренц күші қарама-қарсы жаққа бағытталады. Егер зарядталған бөлшек біртекті магнит өрісіне 90⁰-қа тең бұрышпен ұшып кіретін болса, онда ол жазықтығы - ға перпендикуляр болатын шеңбер бойымен қозғалады. Бұл кезде Лоренц күші центрге тартқыш күш ролін атқарып , жұмыс істелінбейді.

Жұмыста өлшеу үшін (мұндағы е – электрон заряды, m – электрон массасы) Электрондар қозғалысына айқасқан электрлік және магниттік өрістердің әсер етуі қолданылады.

Ол үшін цилиндрлік анодты үшэлектродты электрондық шам соленоидқа орналастырылады, яғни А анодтың осі бойымен өтетін шамның қыздырғыш жібі (катод) К соленоид осіне параллель болуы керек (сурет 3).

Қондырғының принциптік схемасы 4 суретте келтірілген. Анод тізбегіндегі Л шамды К₁ қосқышымен тұйықтаған кезде онда радиальды электр өрісі пайда болады. Соленоидтағы L тізбекті К₂ қосқышымен тұйықтаған кезде онда магнит өрісі пайда болады. Бұл магнит өрісінің индукциясы электр өрісінің кернеулік векторына перпендикуляр болады және магнит өрісінің осі бойымен бағытталады (4 сурет).

Электр өрісі катодтан анодқа қарай ұшатын электрондар жылдамдығының шамасын арттырады, ал магнит өрісі оның бағытын өзгертеді.

Қондырғыдағы шамның торы анодпен қосылған. Сондықтан электрондар тек катодпен тор аралығындағы кеңістікте ғана үдеумен қозғала алады. Әрі қарай тормен анодтың арасында электрондар жылдамдығының шамасы өзгермейді, себебі бұл аймақта электр өрісі жоқ.

Соленоид тізбегі тұйықталмаған кезде магнит өріснің индукциясы В=0, электрондар анодқа қарай радиальды траекториямен қозғалады. Анодтық тізбекте шамасы анықталған ток орнатылады.

Әлсіз магнит өрісінде Лоренц күшінің әсерінен электрондар траекториясы қисаяды (5 сурет), бірақ бәрі де анодқа жетеді және анодтағы ток сол қалпында қалады. Магнит индукциясының артқан сайын траекторияның қисықтық радиусы кемиді және индукцияның (аумалы мәні) бірқатар мәнінде электрондар анодқа жетпейді, себебі олар диаметрі тормен анодтың арасындағы а қашықтыққа тең болатын шеңбер бойымен қозғалатын болады. В –ны әрі қарай арттыру қисықтық радиусының одан әрі кемуіне әкеледі. Сондықтан болғаннан бастап шамның анодтық тогы кемитін болады.

Тұрақты анодтық кернеу U_a кезіндегі I_а анодтық токтың В –дан тәуелділігі 6 суретте келтірілген.

Барлық электрондардың бастапқы жылдамдықтары нольге тең болатын шарт үшін бұл тәуелділік суретте 1 үзік сызықпен көрсетілген.

В=В_кр кезінде анод тогы нольге дейін төмендеуі керек. Бірақ қыздырылған катод шығаратын электрондар әр түрлі бастапқы жылдамдықтарға ие болатындықтан анодтық токтың күрт төмендеуі байқалмайды. Бұл 6 суретте 2 тұтас қисығы.

Аумалы индукция аумалы токқа сәйкес келетіндігін біліп жұмыс формуласын қорытып шығарайық (6 сурет). Энергияның сақталу заңы бойынша электр өрісінің энергиясы электрондардың кинетикалық энергиясына ауысады

Лоренц күші центрге тартқыш күштің ролін атқарады

Соленоид үшін екендігін біле отырып, мұндағы , ал N – соленоидтың орам саны, l – соленоидтың ұзындығы екендігін ескере отырып келесі формуланы аламыз

SA1

Сурет 7
Жұмысты орындаудан бұрын АТ автотрансформатор реттегіші нольге, ал RP потенциометр қозғалтқышы секундке келтірілуі керек.

Алынған көрсеткіштермен тәуелділік график құру (графикті миллиметрлік қағазда құру).

Қисықтың бастапқы төмендеуі бойынша соленоидтағы аумалы (критический) токтың мәнін анықтау.

Келесі өрнек бойынша элетронның меншікті зарядын есептеу

Алынған өлшеулерді 2 кестеге енгізу. Есептеулер ХБ жүйесінде жүргізілуі керек.

2 Кесте

Ua		Iскр		а		n

Назар аударыңыздар! Құрал-жабдықта адам өміріне қауіпті айнымалы кернеу (220 В) пайдаланылады. Қондырғы іске қосылып тұрған кезде ток өткізгіш бөліктерді ұстамаңыз. Электр схемасындағы қосылуларды кернеу бар кезде жүргізбеңіз!

Бақылау сұрақтары

1. 
   Лоренц күшін векторлық және скалярлық түрде жазыңыз.
   
2. 
   3 электродты электрондық шам қалай жұмыс істейтіндігін түсіндіріп беріңіз.
   
3. 
   Неліктен шамды соленоидтың ішіне орналастырады?
   
4. 
   Аумалы соленоидтың физикалық мағынасы.
   
5. 
   Жұмыс қалай орындалатынын айтып беріңіз.
   
6. 
   Жұмыс формуласын қорытып шығарыңыз.
   
7. 
   Аумалы ток өтімділігінің физикалық мағынасы.
   

№ 3 Зертханалық жұмыс

1. p-n ауысудың қасиеттерін зерттеу;

2. Токтың кері және тура өту бағытына сәйкес ВАС алу;

3. p-n ауысудың ВФС алу;

4. Зерттелетін p-n ауысудың сипаттамаларын салу.
Құрал-жабдықтар: өлшеуіштік қондырғы, зерттеу объектісі.
Теориялық кіріспе

Біреуі электрондық, екіншісі кемтіктік өткізгіштікке ие екі жартылау өткізгіштердің жанасу шекарасы электрондық-кемтіктік ауысу деп аталады (немесе p-n ауысу). Осы ауысулар жартылай өткізгішті аспаптардың жұмысының негізі бола отырып, практикалық қолданысықа ие. p-n-ауысу екі жартылайөткізгіштердің механикалықы қосылысымен жүзеге асыруға болмайды. Әдетте өткізгіштіктері әртүрлі болатын аймақтарды кристаллдарды өсіру кезінде, не кристаллдарды арнайы өңдеу кезінде алынуы мүмкін. Мысалы, n-типті германий кристалына индий «түйірі» салынады. (1а. суреті). Осы жүйе вауумның ішінде, не инертті газдың атмосферасында жуықтап алғанда 500 °С температурада қыздырылады; индий атомдары германийдің ішіне белгілі бір деңгейге дейін енеді. Содан кейін балқыманы жайлап суытады. Индийден тұратын германий кемтіктік өткізгіштікке ие болғандықтан, онда кристалданған балқыма мен n-типті германийдің шекарасында p-n-ауысу пайда болады (1б. суреті).

p-n-ауысу болатын физикалық процестерді қарасытрайық. (2-сурет). Айталық, донорлық жартылай өткізгіш (– шығу жұмысы, –Ферми деңгейі) акцепторлы жартылай өткізгішпен (– шығу жұмысы, –Ферми деңгейі) түйістіріледі (2,б-суреті). n-жартылай өткізгіштегі концентрациясы жоғары болатын электрондар концентрациясы төмен болатындай р-жартылай өткізгішке енетін болады. Кемтіктердің диффузиясы кері бағытта өтетін болады, яғни р n бағытта.

n-жартылай өткізгіште электрондардың кетуіне байланысты шекараның маңатында қозғалмайтын ионизацияланған атомадардың теңгерілмеген оң көлемдік заряды қалып қояды. р-жартылай өткізгіште кемтіктердің кетуіне байланысты шекараның маңатында қозғалмайтын ионизацияланған атомадардың теңгерілмеген теріс көлемдік заряды пайда болады (2,а-суреті).

Осы көлемдік зарядтар шекарада өріс бағыты n-аймақтан р-аймаққа бағытталған қос электрлік қабатты түзеді, осы қабат кейін nр бағытта электрондардың көшіне, ал pn бағытта кемтіктердің көшуіне кедергі болады.

n- және p-типті жартылай өткізгіштердегі донорлар мен акцепторлардың концентарциясы бірдей болады, сондықтан қозғалмайтын зарядтар жинақталатын қабаттардың d₁ және d₂ қалыңдықтары (2,в-суреті) өзара тең болады (d₁=d₂).

p-n-ауысудың белгілі бір қалыңдығында екі жартылай өткізгіштерге тән Ферми деңгейлерінің (2,в-суреті). p-n-ауысу аймағында энергетикалық зоналар қисаяды, нәтижесінде электрондар мен кемтіктер үшін потенциалдық тосқауыл пайда болады. Потенциалдық тосқауылдың биіктігі екі жартылай өткізгіштердегі Ферми деңгейлерінің бастапқы айырмасымен анықталады. Акцепторлық жартылай өткізгіштің барлық энергетикалық деңгейлері донорлық жартылай өткізгіштің деңгейіне қатысты биіктігі тең болатын биіктікке көтерілген, сонымен қосы көтерілу екі еселі d қалыңдықпен жүреді.

Рис.3

Жапқыш қабаттың кедергісін сыртық электр өрісінің көмегімен өзгертуге болады.

Егер p-n-ауысуға түсірілген сыртқы электр өрісі n-жартылай өткізгіштен p-жартылай өткізгішке қарай бағытталған болса (3,а-суреті), яғни түйісу қабытының өрісімен сәйкес келетін болса, онда ол n-жартылай өткізгіштегі электрондардың, p-жартылай өткізгіштегі кемтіктердің қозғалысы p-n-ауысудың шекарасынан кері жаққа қарай бағытталады. Нәтижесінде жапқыш қабат кеңейіп оның кедергісі өседі. Жапқыш қабатты кеңейтетін сыртқы өрістің бағыты жапқыш (кері) деп аталынады. Осы бағытта p-n-ауысу арқылы электр тогы мүлдем өтпейді. Жапқыш қабаттағы ток жапқы бағтта тек токтың негізгі емес (p-жартылай өткізгіштерде электрондардың, n-жартылай өткізгіштерде кемтіктердің) тасушылары арқылы ғана пайда болады.

Егер p-n-ауысуға түсірілген сыртқы электр өрісі түйісу қабаты өрісіне қарам-қарсы бағытталған болса, онда ол n-жартылай өткізгіштегі электрондардың, p-жартылай өткізгіштегі кемтіктердің p-n-ауысу шекарасына қарай қозғалысы бір-біріне қарама-қарсы бағытта болады. Осы аймақта олар рекомбинацияланады, түйісу қабатының ені мен кедергісі азаяды. Демек, осы бағытта p-n-ауысу арқылы электр тогы p-жартылай өткізгіштен n-жартылай өткізгішке қарай ағады; ол өткізгіштік (тура) деп аталынады.

Сонымен, p-n-ауысу бір жақты (вентильді) өткізгіштікке (металдың жартылай өткізгішпен түйісуіндегі секілді) ие.

4-суретте p-n-ауысудың ВАС көрсетілген. Көрсетілгендей, тура кернеуде сыртқы электр өрісі негізгі ток тасымалдаушылардың p-n-ауысу шеакрасына қарай қозағалсына себепкер болады (3,б-суретті қара). Нәтижесінде түйісу қабатының ені кішірейеді. Осыған сәйкес ауысудың кедергісі де төмендейді (кернеу көп болған сайын, күшті болады), ал ток күші өсе бастайды (4-суреттегі оң жақ тармағы). Токтың осы бағы тура деп аталады.

Жапқыш кернеу кезінде сыртқы электр өрісі негізгі ток тасымалдаушылардың p-n-ауысу шекарасына қарайғы қозғалысына кедергі болады да, концентрациясы жартылай өткізгіштерді соншалықты көп болмайтын негізгі емес ток тасымалдаушылардың қозғалысына себепші болады (3,а-сурет). Бұл негізгі ток тасымалдаушылармен біріктірілген түйісу қабатының енінің өсуіне алып келеді.осыған байланысты ауысудың кедергісі өседі. Сондықтан осы жағдайда p-n-ауысу арқылы негізгі емес ток тасымалдаушылар арқылы (кері деп аталынады) ағатын аз ғана ток өтеді (4-суреттегі сол жақ тармақ). Осы октың жылдам өсуі түйісу қабатының бұзылуына алып келеді. Айнымалы ток тізбегіне қосылған кезде p-n-ауысу түзет ретінде қызмет етеді.

.