IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование свойств полупроводников
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Вступление
Я учусь в физико-математическом профиле уже два года. Физикой увлекаюсь с детства, так как меня окружали люди, которые в той или иной степени были связаны с ней. Меня всегда интересовали учебники физики и в одном из них, а именно в учебнике Ландсберга, я заметил, что нет упоминания о полупроводниках, но ведь они – неотъемлемая часть современной жизни. Я задался вопросом: «Почему отсутствует эта глава, полная интересными фактами и различной интересной информацией?». Он не давал мне покоя, и я решил узнать ответ. Благодаря моему учителю физики Дороховой Елене Владимировне и нескольким интернет-источникам мне удалось узнать, что во времена Ландсберга полупроводники были плохо изучены, поэтому практически мало использовались. Мне захотелось больше узнать о полупроводниках и разобраться в этой интересной и увлекательной теме.
Во время изучения полупроводников я смог найти много интересных фактов, а также информацию, которая сможет заинтересовать любого. А проведенные эксперименты позволили разобраться в свойствах полупроводников и в их практическом применении.
Изучение полупроводников и их свойств
Открыты полупроводники были в 1833 году Майклом Фарадеем. Он обнаружил уникальные свойства сульфида серебра, нехарактерные ни для проводников, ни для диэлектриков.
Олег Владимирович Лосев - специалист в области полупроводниковой электроники - установил, что полупроводниковые приборы можно использовать для детектирования и для усиления сигнала. Они могли действовать подобно электронным лампам. О.В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50-х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. В СССР изучение полупроводников начались в конце 20-х годов под руководством академика А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.
После изучения истории полупроводников я занялся практической частью. Полупроводники используются практически во всех современных приборах, и для более детального изучения их свойств мне пришлось проделать немалую работу.
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры
Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры на один градус удельное сопротивление полупроводников уменьшается, как правило, на 5%-6%. Именно на этом свойстве полупроводников основано использование терморезистора.
Терморезистор – это сопротивление, и при протекании по нему электрического тока в нем выделяется энергия. Поэтому, если надолго оставить ключ замкнутым, температура терморезистора начнет повышаться, и величина сопротивления изменится.
Основной частью терморезистора является полупроводник, который заключен в корпус и снабжен выводами. Терморезистор – это резистор, сопротивление которого зависит от температуры.
Убедимся в этой зависимости. Собрал цепь, использовал терморезистор, цифровой миллиампермерт и вольтметр, химический стакан, источник постоянного тока. Запишем показания приборов (при комнатной температуре). Нальем в стакан горячей воды и погрузим в нее терморезистор. Ждем примерно минуту и замкнем ключ. Запишем показания приборов.
Повторим этот опыт несколько раз с разной температурой, чтобы увидеть зависимость сопротивления R от температуры t, построим график этой зависимости.
График зависимости R(t).
Вывод: сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры, в то время как напряжение остается постоянным.
Термореле
П ростейшее автоматическое устройство с терморезистором в качестве датчика температуры называется термореле.
Возьмем терморезистор, транзистор, лампу 12 В 21Вт, стакан, источник постоянного тока, модуль с клеммами для подключения источника питания.
При напряжении 10 В лампа не светится при комнатной температуре терморезистора. При погружении терморезистора в горячую воду с температурой 80°С лампа, включенная в цепь коллектора транзистора, загорается. По сути, я смонтировал макет автомата для отслеживания температуры. Если температура терморезистора превысит заданный уровень, включится сигнальная лампа. Такой принцип можно использовать в пожарной сигнализации.
Термореле нашло свое применение во многих приборах. Так, например, его используют как в бытовых приборах – чайники, холодильники, так и в военной промышленности – ракеты. К примеру, они используются в самонаводящихся авиационных ракетах Р-3С. Устанавливаются они на самолетах и используются по принципу «воздух-воздух». (8)
Зависимость сопротивления полупроводников от освещенности
Обогащение полупроводника электронами и дырками может осуществляться различными внешними воздействиями, например, освещением полупроводника. В этом случае энергия от источника возбуждения передается непосредственно носителям заряда, а тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. После прекращения действия источника возбуждения концентрация избыточных носителей заряда быстро убывает как за счет рекомбинации в объеме полупроводника, так и диффузии в области с меньшей концентрацией.
Фоторезистор – полупроводниковый прибор, в основе работы которого лежит зависимость проводимости полупроводника от внешнего освещения. Фоторезистор изготавливается из полупроводникового материала в виде пленки, которая закреплена на основании и вставлена в корпус. Корпус имеет окно, через которое пленка хорошо видна в виде зигзагообразной полоски темного цвета.
Для определения параметров фоторезистора при различной освещенности в электрическую цепь последовательно с ним подключен цифровой миллиамперметр, а падение напряжения на фоторезисторе измеряется с помощью цифрового вольтметра. Выходное напряжение источника питания устанавливается равным 10 В.
Проведем опыт. Собрал цепь, использовал фоторезистор, цифровой миллиампермерт и вольтметр, дополнительный источник света, источник постоянного тока, люксметр.
При отсутствии освещенности тока в цепи нет, значит сопротивление очень велико (стремится к бесконечности), полупроводник практически является диэлектриком. При увеличении освещенности фоторезистора сила тока заметно возрастает. Освещенность измеряем люксметром.
Построил график зависимости сопротивления R от освещенности Е.
Вывод: сопротивление фоторезистора уменьшается при увеличении освещенности поверхности полупроводника, а проводимость соответственно возрастает.
Фотореле
В состав любого устройства автоматики входит датчик – прибор, измеряющий какой-либо параметр системы и исполнительный механизм, запрограммированный на определенные действия в соответствии с изменением контролируемого параметра. В моем эксперименте датчиком является фоторезистор, а в роли исполнительного механизма выступает транзистор, работающий в ключевом режиме. Такое устройство называется фотореле. Собрал цепь из фоторезистора, транзистора, лампы, источника постоянного тока, ключа, взял дополнительный источника света.
При нормальной освещенности поверхности фоторезистора лампа не горит. Если ее осветить ярким светом, лампа, включенная в цепь коллектора транзистора, при этом загорается. Мы получили макет автомата для отслеживания уровня освещенности.
С фотореле встречается каждый, кто выходит на улицу, ведь оно присутствует в обыкновенных уличных фонарях. Также фотореле используется в турникетах в метро и в устройствах, служащих для подсчета изделий на конвейере. В военной технике фоторезистор нашел очень интересное применение – ПЗРК. Это ручной комплекс самонаводящейся ракеты. Головка самонаведения данной ракеты обладает повышенной чувствительностью и способна различать истинные и ложные цели в условиях постановки противником искусственных помех в инфракрасном диапазоне. Для этого она имеет два канала – основной и вспомогательный. Фотоприемник основного канала ГСН – это фоторезистор на основе сурмянистого индия, охлажденного до температуры минус 200° С. Применение новой тепловой головки самонаведения на цель позволило использовать для снижения аэродинамического сопротивления не «треножник», который использовался на ракете переносного комплекса «Игла-1», а изящную внешне иглоподобную конструкцию. Подобное техническое решение, которое и дало название ПЗРК, было предложено инженерами КБМ г. Коломна еще до появления в печати информации о применении аэродинамической «иглы» на американской ракете «Трайдент-1». (7)
Полупроводниковый диод
После исследования двух видов полупроводников, я задался вопросом: «Можно соединить эти два вида? И что мы получим после этого?»
Соединить их, конечно, можно, но прижать полупроводники друг к другу и надавить на них недостаточно. Но как же это делают? Я смог найти ответ на этот вопрос в книге Л.Н. Капцова и В.А. Курочкина. На образец кремния n-типа кладут кусочек алюминия и ненадолго помещают в печь с температурой 580 С. При такой температуре на границе соприкосновения кремния с алюминием образуется жидкий расплав, хотя остальная часть остается в твердом состоянии. В жидком расплаве атомы алюминия равномерно распределяются среди атомов кремния. После нагревания пластину полупроводника вынимают из печи и охлаждают. Жидкий расплав кристаллизуется и получается твердый слой кремния с примесью алюминия. При этом ионы алюминия, замещая ионы кремния в кристаллической решетке, не нарушают ее совершенства, а лишь изменяют тип проводимости полупроводника. Таким образом, в промежуточном слое между алюминием и кремнием образуется p-n-переход. В настоящее время чаще используют германий или кремний и наплавляют на пластинку каплю индия.
Какими же свойствами обладает такой проводник? Для этого я провел опыт.
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами. Металлические выводы привариваются к противоположным областям p-n перехода, а вся система заключается металлический корпус. Если положительный полюс источника питания подключается к p-области, а отрицательный к n-области, то включение перехода называют прямым. При изменении полярности – обратным.
Вывод: Полупроводниковый диод пропускает ток только в одном направлении!
Я снял вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и убедился в том, что диод способен пропускать ток только в одном направлении.
Схема для снятия В-А характеристики.
Вывод: Главное свойство диода – односторонняя проводимость. Значит его можно использовать для выпрямления переменного тока.
Для работы многих приборов или узлов, например, интегральной схемы в компьютере нужен постоянный ток и небольшое напряжение. Напряжение можно понизить с помощью трансформатора. А как получить постоянный ток? Ведь компьютер мы включаем в розетку, а там переменное напряжение, меняющееся по гармоническому закону. Ток в цепи половину периода течет в одном направлении, а вторую половину в противоположном. Нам нужен ток, текущий только в одном направлении.
Рассмотрим варианты выпрямления переменного тока.
Однополупериодное выпрямление
Если собрать цепь, стоящую из полупроводникового диода, лампочки и источника переменного напряжения, то диод пропускает ток только в одном направлении. Но только полпериода! А вторую половину периода тока нет. Лампочка светится, но очень сильно мигает.
Характеристика диодов:
Максимальное постоянное обратное напряжение, 10 кВ
Максимальное импульсное обратное напряжение, 1,2 кВ
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, 2 А
Максимально допустимый прямой импульсный ток, 70 А
Максимальный обратный ток, 5 мкА
Максимальное прямое напряжение, 1.3 В
Двухполупериодное выпрямление
Если взять четыре диода, лампочку и источник переменного напряжения и соединить их так, как показано на схеме, ток через лампочку идет обе половины периода в одном направлении. Таким образом, получаем ток, постоянный по направлению, но по величине он меняется. Мы видим, что яркость лампы меняется, значит ток непостоянный по величине. От пульсации можно избавится с помощью конденсатора.
Использование конденсатора в качестве фильтра.
Применение полупроводниковых диодов
Мне стало интересно, а где же еще применяются диоды, ведь без них мы не можем представить даже самый простой калькулятор.
В настоящее время трудно представить автомобиль, в котором нет ни одного полупроводникового прибора. Самым распространенным узлом автомобиля, где начали использовать полупроводниковые приборы, стало электронное зажигание. Затем присоединилось электронное управление и другими узлами автомобиля, видеокамера заднего вида, фары, и, наконец, система глобального позиционирования (GPS).
Диод Ганна
Но диоды применяются не только в гражданских приборах, машинах, но и в военных приборах. Так я смог найти очень интересную информацию о диоде Ганна.
Данный диод отличается от других тем, что он работает на принципе возникающих доменов. Этот эффект имеет название эффекта Ганна.
Это возникает при воздействии сильного электрического поля, которое распределяется по диоду пропорционально сопротивлению его отдельных участков. Вследствие этого возникает повышение напряжения на отдельных участках диода и возрастает напряженность этих участков. Следовательно, после этого формируются электроны «тяжелого» и «легкого» типа, образующие между собой домен сильного поля – это образование в виде сгустков электронов, перед которым создается область с их пониженной концентрацией.
Остановлюсь на его практическом применении.
Внушительное количество боевой техники, которая состоит на вооружении ВКО, обладает электровакуумными приборами, которые в настоящее время начинают повсеместно выходить из строя. С помощью данных диодов можно обеспечить высокую наработку на отказ системы, устойчивость к воздействиям радиации, стабильность генерируемой частоты и работу в СВЧ-диапазоне волн. Поэтому наиболее перспективным развитием является использование диодов Ганна для обеспечения частоты СВЧ-колебаний, надежности, а также уменьшения габаритов модулей радиотехнических систем. Данные требования встают на первое место, так как к современным радиолокационным комплексам предъявляются высокие требования по нахождению не только аэродинамических, но и баллистических целей. Но для обеспечения таких мощностей необходимо использование мощных гетеродинов для возможности генерации высокочастотного излучения. (3)
Фотоэлемент
Я встретился с одним интересным прибором – фотоэлементом, это такой прибор, который преобразует энергию светового излучения в энергию электрического тока.
Рассмотрим какой-нибудь плоский полупроводник с дырочной проводимостью – кремний. Создается тонкий слой полупроводника с электронной проводимостью. На границе раздела этих слоев возникает p-n переход. Под действием света в полупроводниковом кристалле происходит внутренний фотоэффект – это процесс изменения распределения электронов и дырок по энергиям. В результате внутреннего фотоэффекта количество свободных электронов и дырок увеличивается. Когда электрон и дырка в дырочном полупроводнике приближаются к p-n-переходу, то под действием контактного электрического поля p-n-перехода электрон перебрасывается в электронный полупроводник, а дырка отбрасывается в слой дырочного полупроводника. Вследствие такого разделения слой электронного полупроводника приобретает отрицательный заряд, а слой дырочного полупроводника – положительный. То есть между слоями образуется разность потенциалов. При замыкании слоев проводником в цепи возникает электрический ток; сила тока в цепи пропорциональна плотности потока светового излучения, падающего на фотоэлемент. Систему последовательно или параллельно соединенных кремниевых фотоэлементов называют солнечной батареей.
Расскажу немного о солнечных батареях, а именно о их применении в быту, ракетах и даже в военной технике.
В повседневной жизни не каждый может позволить себе такую роскошь, как солнечные батареи. Так как они не только громоздкие, но и очень дорого обходятся, ведь одной солнечной батареи для полного комфорта просто не хватит. Но некоторым все-таки удается приобрести солнечные панели и оборудовать ими свой дачный участок. К примеру, для обогрева воды в душе.
Малая мощность солнечных батарей обусловлена еще тем, что большая часть падающего на них светового потока рассеивается, отражается или поглощается без выработки электрического тока (потери — до 75%). Отсюда низкие мощности фотоэлементов и высокая стоимость их электроэнергии.
Для эффективной работы на большом удалении от баз подразделения вооруженных сил и других структур нуждаются в специальном оснащении, обеспечивающем эксплуатацию тех или иных систем.
В частности, широкое применение электронной аппаратуры с некоторых пор предъявляет требования в виде необходимости применения систем подзарядки, способных работать в полевых условиях. Не так давно начались поставки очередных изделий этого класса.Мобильные электростанции нового типа выпускаются научно-производственной группой «Солярис». Заместитель генерального директора этой организации Юрий Даниловский рассказал «Известиям» некоторые подробности текущих работ и сотрудничества промышленности и Росгвардии. Так, к настоящему времени электростанция типа ЭПС-120П уже прошла все необходимые испытания, подтвердив соответствие предъявленным требованиям. Также уже стартовало серийное производство таких изделий. Первые серийные комплексы были переданы заказчику в конце августа 2019 года. (10)
Освоение околоземного космического пространства, а в перспективе – планет, спутников, комет и астероидов Солнечной системы требует создания космических аппаратов, способных не просто двигаться по орбите под действием гравитации, но и полноценно работать за пределами Земли. Для этого необходим источник энергии. Поиск иного, внешнего и стабильного источника, дал единственный возможный ответ – таковым, при современном уровне развития технологий, может служить только Солнце. Именно поэтому по сей день в приоритете остаются солнечные батареи. Но вдали от Солнца эти батареи уже действовать не будут и нам придется искать новый источник энергии, но это уже совсем другая история.
Заключение
Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность. В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов.
Литература
1. Галкин В.И., Прохоренко В.А., Полупроводниковые приборы, Минск 1979
2. Д.А. Браун, Новые материалы в технике, М.: Высшая школа, 1965. - 194 с.
3. Диод Ганна
4. Кнаб О.Д., БИСПИН - новый тип полупроводниковых приборов, Электронная промышленность, 1989, N8
5. Лаборатория L-микро. Электричество 2. Руководство по выполнению экспериментов, М., МГИУ, 2006
6. Л.Н. Капцов, В.А. Курочкин, "Электроны-полупроводники-транзисторы".
7. ПЗРК
8. Р-3С
9. Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия", 1976
10. ЭПС-120П