Вказівки до роботи. Підготовка до експерименту
1. Уважно розгляньте електричне коло для дослідження залежності сили прямого струму, який проходить через діод, від поданої на діод напруги (рис. 1) та електричну схему цього кола (рис. 2).
Електричне коло складається з послідовно з’єднаних джерела постійного струму, вимикача (ключа), регулювального реостата, амперметра та напівпровідникового діода, увімкненого в прямому напрямку. Для вимірювання спаду напруги паралельно діоду під’єднано вольтметр.
2. Перенесіть електричну схему (див. рис. 2) у зошит, поряд із кожним елементом поставте відповідну цифру (див. рис. 1).
Експеримент
1. Складіть електричне коло за схемою на рис. 2.
Зібрано електричне коло згідно з наданою схемою, яке містить послідовно підключені джерело постійної напруги, ключ, повзунковий реостат, міліамперметр/амперметр та напівпровідниковий діод, а також вольтметр, що підключений паралельно до діода.
2. Переміщуючи повзунок реостата, поступово збільшуйте напругу на діоді (щоразу приблизно на $0{,}1\text{ В}$), почавши з мінімально можливого значення. Щоразу знімайте покази приладів і заносьте їх до таблиці.
| Напруга $U$, $\text{В}$ | $0$ | $0{,}1$ | $0{,}2$ | $0{,}3$ | $0{,}4$ | $0{,}5$ | $0{,}6$ | $0{,}7$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Сила прямого струму $I_{\text{пр}}$, $\text{А}$ | $0$ | $0$ | $0{,}002$ | $0{,}005$ | $0{,}025$ | $0{,}070$ | $0{,}160$ | $0{,}280$ |
3. Змініть полярність під’єднання джерела живлення, а відповідно, і амперметра та переконайтеся, що в цьому випадку стрілка амперметра майже не відхиляється.
При зміні полярності підключення джерела живлення діод опиняється у стані зворотного зміщення (закритий стан). Опір $p\text{-}n$-переходу різко зростає, зворотний струм прямує до нуля, і стрілка вимірювального приладу практично не відхиляється від нульової позначки.
Опрацювання результатів експерименту
За результатами експерименту побудуйте графік залежності сили струму, що проходить через діод, від поданої на діод напруги для прямого ввімкнення діода.
Побудований графік вольт-амперної характеристики (ВАХ) для прямого ввімкнення є суттєво нелінійним: при напругах до $0{,}4\text{–}0{,}5\text{ В}$ сила струму майже не зростає, а після подолання порогової напруги відкриття $p\text{-}n$-переходу спостерігається різке експоненціальне зростання сили струму.
Аналіз експерименту та його результатів
Проаналізувавши експеримент і його результати, зробіть висновок, у якому зазначте: 1) роботу якого пристрою ви досліджували; 2) чи однаково цей пристрій проводить електричний струм в обох напрямках; 3) чи є лінійною залежність сили струму в пристрої від поданої на нього напруги.
Висновок:
- Під час виконання роботи було експериментально досліджено роботу напівпровідникового діода.
- Досліджуваний напівпровідниковий пристрій має однобічну провідність: добре пропускає електричний струм у прямому напрямку та створює надзвичайно великий опір у зворотному напрямку (провідність у різних напрямках суттєво різниться).
- Залежність сили струму від прикладеної напруги є нелінійною (вольт-амперна характеристика являє собою криву), що демонструє невиконання класичного закону Ома для напівпровідникових елементів із $p\text{-}n$-переходом.
Творче завдання
Запропонуйте простий пристрій, за допомогою якого можна визначати напрямок електричного струму в колі (можна запропонувати декілька варіантів).
- Варіант 1 (Напівпровідниковий світлодіод): Оскільки світлодіод пропускає струм лише у прямому напрямку, він світитиметься тільки тоді, коли до його анода під’єднано позитивний полюс джерела, а до катода — негативний. Відсутність світіння свідчитиме про зворотний напрямок струму.
- Варіант 2 (Магнітна стрілка або компас): Якщо розмістити компас поруч із провідником (над або під ним), магнітне поле струму поверне магнітну стрілку. За правилом правої руки (або правилом свердлика) за напрямком північного полюса стрілки легко визначити напрямок протікання струму.
- Варіант 3 (Магнітоелектричний гальванометр/амперметр): Стрілочний вимірювальний прилад магнітоелектричної системи відхиляє стрілку праворуч або ліворуч залежно від полярності підключення, що дозволяє миттєво ідентифікувати напрямок струму в досліджуваній ділянці кола.