Лабораторная работа по электронике, электротехнике, радиотехнике (Вариант 4)

Исследование электрической прочности диэлектриков Цель работы: Определения и исследование электрической прочности композиционных (слоистых) диэлектриков при разной форме электродов на переменном токе промышленной частоты. Оборудование: 1.Термостат 2. Термокамера 3. Образцы диэлектриков 4. Повышающий трансформатор 5. Вольтметр Порядок выполнения работы Зависимость пробивного напряжения от числа слоёв 1.Включаем виртуальную рабочую установку. Рис. 2. Включение экспериментальной установки 2.Выставляем количество слоёв образца равное 1 Рис. 3. Выставление количества образцов 3. Запускаем процесс измерения пробивного напряжения, нажав кнопку «Запустить» виртуального измерителя Uпр, который постепенно поднимает напряжение и фиксирует на табло прибора пробивное напряжение; Рис. 4. Измерение напряжения пробоя 4. Фиксируем напряжение пробоя, рассчитываем электрическую прочность диэлектрика для данной толщины образца. Результаты сведем в таблицу 1. 5. Измерение электрической прочности проводится для заданного набора слоев, определенного в задании на выполнение лабораторной работы. 6. Строим график изменения напряжения пробоя от количества слоёв. Рис. 5. График изменения напряжения пробоя от количества слоёв. Зависимость пробивного напряжения от температуры 1.Включаем виртуальную рабочую установку; Рис. 6. Включение экспериментальной установки 2.Выбираем номер образца 1. Рис. 7. Выбор образца 3.Выставляем на термостате температуру 30 градусов; Рис. 7. Выбор температур 4. Включаем нагреватель; 5. Ждем, пока текущая температура образца поднимется до необходимой; 6. Включаем измеритель Uпр и дождаться пробоя образца; Рис. 8. Измерение напряжения пробоя 7. Записываем напряжение пробоя в таблицу 2.; 8. Повторяем эксперимент для значения температуры 40, 50, 60 и 80 градусов по Цельсию; Таблица 2. Результаты эксперимента 9. Строим график зависимости напряжения пробоя от температуры. Вывод: При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя. При увеличении числа слоев диэлектрика напряжение пробоя повышается прямо пропорционально количеству слоев, однако, электрическая прочность практически не изменяется. Явление пробоя связано с нарушением химических связей между молекулами (атомами), ионизацией атомов вещества лавинообразно нарастающим под действием ударной ионизации потоком электронов. Электрическая прочность материала определяется длиной свободного пробега электронов, то есть плотностью вещества и его агрегатным состоянием. Исследование температурной зависимости электропроводности твердых диэлектриков Цель работы: Исследование температурной зависимости электропроводности диэлектриков и полупроводниковых материалов, нахождение таких параметров материала, как ширина запрещенной зоны и энергия активации примеси. Оборудование: Термокамера, исследуемый образец, источник напряжения, вольтметры, потенциометр, реостат. Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки Порядок выполнения работы 1.Включаем виртуальную рабочую установку. Рис. 2. Включение экспериментальной установки 2.Снимаем зависимость электропроводности от температуры Таблица 1. Результаты эксперимента Рис. 2. Графики зависимости электропроводности от температуры Рассчитаем энергию активации Е_А=k (lnσ_1-lnσ_2)/(1/T_2 -1/T_1 )=1,38*〖10〗^(-23)*(ln0.00018-ln0.0005)/(1/333-1/293)=3.43*〖10〗^(-20) Дж В ходе эксперимента был исследован полупроводник n-типа, легированный донорной примесью с концентрацией ND Вывод: Удельная проводимость, как практически измеряемая величина, содержит информацию об основных количественных параметрах исследуемого материала. Это связано с тем, что удельная проводимость зависит от концентрации носителей заряда, их подвижности и ширины запрещённой зоны (для собственного полупроводника), либо энергии активации примеси (для примесного полупроводника). Таким образом, зная экспериментально измеренную величину удельной проводимости, можно по соотвествующим соотношениям рассчитать основные энергетические параметры полупроводника, т.е. Eg, EД, ЕА. При низких температурах в полупроводнике отсутствуют собственные носители заряда, и проводимость определяется только примесными носителями, концентрация которых с ростом температуры экспоненциально растёт Исследование электрических свойств проводниковых материалов Цель работы: Исследование температурной зависимости электропроводности проводниковых материалов. Оборудование: Измерение сопротивления исследуемых проводников и термоЭДС термопар производится с помощью ампервольтметра, постоянно подключённого к испытательному стенду. Все исследуемые образцы расположены в корпусе стенда, причём резисторы R1,R2,R3 и один из спаев термопар помещены в термостат Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки Порядок выполнения работы Зависимость пробивного напряжения от числа слоёв 1.Включаем виртуальную рабочую установку. Рис. 2. Включение экспериментальной установки 2.Устанавливаем значение термостата на 20°С, снимаем показания с амперметра и вольтметра для первого образца, затем для второго и для третьего. Результаты сведем в таблицу 1. Рис. 3. Измерение напряжения и тока Таблица 1. Результаты эксперимента 3.Рассчитаем удельные сопротивления образцов: 4.Строим график зависимости сопротивления от температуры Вывод: Концентрация электронов и средняя скорость их теплового движения в металлах слабо зависит от температуры (электронный газ – вырожденный), но с повышением температуры увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решётки, что приводит к более интенсивному рассеянию электронов в процессе их направленного движения. Соответственно уменьшается средняя длина свободного пробега и возрастает удельное сопротивление. Исследование электрических свойств проводниковых материалов (терморезисторы) Цель работы: Изучение физических свойств и определение параметров полупроводникового и металлического терморезисторов Оборудование: Генератор напряжения (0-15В), миллиамперметр, вольтметр, нагревательный элемент и термостат. Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки Порядок выполнения работы Зависимость пробивного напряжения от числа слоёв 1.Включаем виртуальную рабочую установку. Рис. 2. Включение экспериментальной установки 2.Снимаем ВАХ при 300 К, результаты сведем в таблицу 1. Таблица 1. Результаты эксперимента Рис. 3. ВАХ полупроводникового терморезистора 3.Снимаем температурную зависимость полупроводникового терморезистора при U=5 В, результаты сведем в таблицу 2. Таблица 2. Результаты эксперимента Рис. 4. Температурная зависимость сопротивления полупроводникового терморезистора 4.Снимаем температурную зависимость металлического терморезистора при U=2 В, результаты сведем в таблицу 3. Таблица 3. Результаты эксперимента Рис. 4. Температурная зависимость сопротивления металлического терморезистора 5 . Вычисляем для полупроводника величину коэффициента температурной чувствительности B= (T_1 T_2)/(T_2-T_1 )·ln R_1/R_2 = (300·350)/(350-300)·ln 160/210= -561 6. Вычисляем ожидаемое теоретическое значение коэффициента сопротивления при температуре, близкой к комнатной α=-B/T^2 =-(-561)/〖293〗^2 =0.0065 Вывод: Поскольку электропроводность — величина обратная удельному электрическому сопротивлению вещества, то сопротивление металла R линейно растет с повышением его абсолютной температуры В полупроводниках с повышением температуры число носителей значительно возрастает, так как концентрация свободных носителей заряда с ростом температуры как в области примесной, так и в области собственной проводимости увеличивается значительно быстрее, чем изменяется подвижность, то электропроводность растет. Определение ширины запрещённой зоны полупроводника Цель работы: Исследование температурной зависимости обратного тока плоскостного диода и определение ширины запрещенной зоны полупроводника Оборудование: 1. Исследуемый диод 2. Термостат 3. Блок питания 4. Вольтметр 5. Электроплитка Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки Порядок выполнения работы 1.Включаем виртуальную рабочую установку. Рис. 2. Включение экспериментальной установки 2.Исследуем температурную зависимость обратного тока диода, измеряя его значение через 5°С. Таблица 1. Результаты эксперимента 3.Строим график зависимости натурального логарифма обратного тока диода lnIS от обратной температуры 1/T. Рис. 2. График зависимости натурального логарифма обратного тока диода lnIS от обратной температуры 1/T. Полученные значения ширины запрещенной зоны близки к ширине запрещенной зоны германия (ΔE = 0,65 эВ) Вывод: На вольтамперные характеристики полупроводниковых выпрямителей в сильной степени влияет температура. При повышении температуры увеличиваются прямой и обратный токи. Обратный ток существенно зависит от температуры, тогда как относительное изменение прямого тока с изменением температуры незначительно. С ростом температуры уменьшается высота потенциального барьера и экспоненциально растет концентрация неосновных носителей заряда, вследствие чего увеличивается ток насыщения (обратный ток) IS с повышением температуры.