Название книги
Юный техник, 2007 № 05
Журнал «Юный техник»
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Как сделать полупроводник?
Фотоэлемент, а тем более транзистор — изделие наукоемкое, требующее сложной технологии и высокой культуры производства. Но американский изобретатель Нил Штайнер, проанализировав работы советского изобретателя 0. Лосева и американца П. Кодингтона, пришел к иному заключению. Следуя его советам, дома, на письменном столе, вы можете делать диоды, фотоэлементы и даже транзисторы.
Эти и другие опыты Штайнера могут оказаться полезными не только в качестве чисто познавательного экскурса в историю. Не исключено, что на этом пути можно обнаружить новый класс полупроводниковых электронных приборов.
Итак, возьмите медную пластинку размером 2×3 см, а если такой не найдете, расплющите молотком на наковальне кусок толстой медной проволоки. Нагрейте его на газовой горелке до появления на поверхности легкой коричневой патины — слоя окисла. Попробуйте измерить его электрическое сопротивление. Оно окажется разным в зависимости от полярности присоединения омметра. Получается, что кусок меди приобрел свойства полупроводникового диода. Роль р-n перехода в нем выполняет граница между медью и слоем окисла.
Превратить его в диод совсем не сложно. Прижмите к слою окисла при помощи бельевой прищепки чистую медную пластину, припаяв к обеим по проводу. Вот и получился у вас простейший диод. Он может выпрямлять переменный ток частотой 50 Гц и напряжением до двух вольт. Если нужно больше — соедините несколько таких диодов последовательно. Для работы на более высоких частотах, например, в приемниках, такие диоды не подойдут из-за большой емкости.
Капля расплавленной соли и проволочка — это уже фотоэлемент.
Яркий луч света заставляет фотоэлемент вырабатывать приличный ток.
В свое время подобные выпрямители (их называли купроксными) широко применяли в технике. Но они сильно грелись, имели большое сопротивление в прямом направлении и получались очень громоздкими. Их заменили германиевые и кремниевые диоды, у которых этих недостатков нет.
Известно, что полупроводниковые диоды в прозрачном корпусе способны изменять свое сопротивление под действием света. Это связано с тем, что попадающий на р-n переход свет увеличивает подвижность зарядов. Это же явление превращает все полупроводниковые диоды, а также транзисторы со вскрытым корпусом в фотоэлементы, способные вырабатывать электрический ток. Вот этой особенностью и воспользовался Нил Штайнер.
Положите на покрытую окислом поверхность меди кусок проволоки, посыпьте ее поваренной солью и нагрейте на газовой горелке. Соль расплавится и застынет в виде твердой прозрачной капли. Если осветить эту каплю ярким лучом света, то между проволокой и пластинкой появится напряжение 20–50 мВ. Вот вам и фотоэлемент. (Судя по нашим опытам, фотоэффект наблюдается и тогда, когда на поверхность окисленной меди наносится обычная капля соленой воды, а в нее вводится тонкая медная проволока.)
Мощность фотоэлемента невелика, и для питания двигателей, например, он непригоден. Но, как оказалось, такие фотоэлементы прекрасно реагируют на быстрое изменение амплитуды светового луча, и их можно использовать в светотелефонах.
Штайнер присоединил через конденсатор емкостью 1 мФ к выходу усилителя низкой частоты (УНЧ) лазерный диод от указки и на вход этого УНЧ подал сигнал от плеера.
Свой самодельный фотоэлемент Штайнер подключил ко входу другого УНЧ, нагруженного на громкоговоритель. Направив луч лазера на фотоэлемент, Штайнер получил высококачественную передачу музыки на расстояние более 20 м. Неплохо для фотоэлемента, сделанного своими руками почти из ничего!
Источник
Луч упал на кристалл.
Займемся тем, что приготовим полупроводник. Один раз вам это уже удалось — когда вы превратили алюминиевую ложку в выпрямитель тока. Теперь опыт не менее интересный, и с теоретическими пояснениями. Ставить его лучше в химическом кружке или в школьной лаборатории, И не потому, что опыт опасный: просто дома у вас скорее всего нет требуемых веществ.
Сначала — предварительный опыт. Приготовьте раствор нитрата или ацетата свинца и пропустите через негo сероводород (работайте под тягой!). Выпавший осадок сульфида свинца PbS высушите и проверьте, как он проводит электричество. Оказывается, это самый обычный изолятор. Так причем же здесь полупроводники?
Не будем спешить с выводами, а поставим следующий, основной опыт. Для него придется приготовить равные количества, скажем, по 15 мл, 3%-ного раствора тиокарбамида NH2C(S)NH2 и 6%-ного раствора ацетата свинца. Вылейте оба раствора в небольшой стакан. С помощью пинцета внесите в раствор стеклянную пластинку и держите ее вертикально (либо закрепите в таком положении). Надев резиновые перчатки, налейте в стакан почти доверху концентрированный раствор щелочи (осторожно!) и очень аккуратно размешайте стеклянной палочкой, стараясь не задевать ею пластинку. Слегка подогрейте раствор — так, чтобы появился пар; помешивание продолжайте. Минут через десять стеклянную пластинку аккуратно выньте, вымойте под струей воды и высушите.
И в этом случае вы получили сульфид свинца — так в чем же разница?
Во втором опыте реакция идет медленно, и осадок выпадает не сразу. Если вы наблюдали за раствором, то заметили, что сначала он помутнел и стал почти как молоко, и лишь потом потемнел,— это промежуточные соединения, разлагаясь, образовали черный сульфид свинца. И он оседает на стекле в виде тонкой черной пленки, которая состоит из очень маленьких, различимых только под микроскопом кристаллов. Поэтому пленка кажется очень гладкой, почти зеркальной.
Присоедините к пленке два электрических контакта и пропустите ток. Если сульфид свинца из предыдущего опыта вел себя как диэлектрик, то теперь он проводит ток! Включите в цепь амперметр, измерьте ток и подсчитайте сопротивление: оно окажется выше, чем у металлов, но не столь уж большим, чтобы служить препятствием для прохождения тока.
Поднесите к пластинке зажженную лампу совсем близко и снова включите ток. Вы сразу обнаружите, что сопротивление сульфида свинца резко упало. Примерно так же будет вести себя черная пленка, если ее просто нагреть. Но если при освещении и нагревании проводимость увеличивается, значит, мы имеем дело с полупроводником!
Отчего же у сульфида свинца такое свойство? Мы записали его формулу как PbS , однако истинный состав кристаллов этого вещества не вполне ей соответствует. Некоторые соединения, среди которых и сульфид свинца, не подчиняются закону постоянства состава. И все они — полупроводники. (Это же, между прочим, относится и к оксиду алюминия, выпрямлявшему переменный ток.)
В кристалле PbS порядок расположения частиц должен, казалось бы, строго повторяться. Но нередко благодаря тому, что концентрации растворов, из которых кристаллы получены, колеблются, порядок нарушается. Сказывается влияние температуры, других внешних причин. Как бы то ни было, в реальном кристалле соотношение атомов серы и свинца не точно 1:1. Отклонения от этого отношения очень невелики, всего около 0,0005. Но и этого достаточно, чтобы свойства существенно изменились.
Атомы свинца и серы связаны в кристалле двумя электронами: свинец отдает их сере. Ну а когда соотношение 1:1 нарушается? Если рядом с атомом свинца нет атома серы, электроны окажутся свободными — они-то и будут служить носителями тока. А таких случаев совсем не так мало, как может показаться. Конечно, отношение 1,0005:1 почти равно единице, но если вспомнить, как много атомов в кристалле, то эта незначительная разница уже не покажется вам такой пустячной.
Состав сульфида свинца можно регулировать. Нужно это затем, чтобы изменять его проводимость. Когда атомов серы в кристалле становится больше, то проводимость падает, а когда их меньше, то образуется больше свободных электронов, и проводимость растет. Словом, меняя соотношение атомов серы и свинца, можно получить требуемую проводимость. Опыт этот поставить непросто; если вы не рискнете проводить эксперимент, поверьте на слово, что он получается.
Возьмите кварцевую трубку и поместите в нее лодочку с сульфидом свинца. С другой стороны введите в трубку такую же лодочку со свинцом и очень сильно нагрейте трубку, чтобы свинец начал испаряться. Сульфид в этом случае будет поглощать пары, он обогатится свинцом, н его электропроводность значительно повысится.
Осталось лишь ответить на вопрос, отчего сульфид свинца так чувствителен к освещению. Световые кванты сообщают энергию электронам, причем в каждом конкретном случае наиболее эффективны лучи с определенной длиной волны. Для сульфида свинца — это инфракрасное тепловое излучение. Поэтому-то мы и советовали вам поднести лампу поближе к пленке.
Между прочим, в приемниках инфракрасного излучения и используют обычно прекрасный полупроводник — сульфид свинца.
О. Ольгин. «Опыты без взрывов»
М., «Химия», 1986
Ваши комментарии
Перед отправкой Вашего сообщения ознакомьтесь,
пожалуйста, с Правилами комментирования материалов на нашем сайте.
Источник
ИЗ ИСТОРИИ ТЕХНОЛОГИЙ И НЕ ТОЛЬКО
среда, 30 мая 2012 г.
ПОЛУПРОВОДНИК СВОИМИ РУКАМИ
Детекторный радиоприёмник классифицируется как радиоустройство, в котором принятые сигналы радиостанций не усиливаются, а лишь детектируются. Под процессом детектирования понимается преобразование модулированных высокочастотных колебаний в исходный НЧ модулирующий сигнал. Устройство для осуществления детектирования называют детектором. Детекторы в зависимости от амплитуды электрических колебаний делят на два типа: работающие под влиянием максимального уровня электрических колебаний (когерер, магнитный детектор) и детектирующие все амплитуды электрических колебаний (кристаллический, ламповый и электролитический детекторы).
Детекторные радиоприёмники могут иметь источник питания, а могут и вообще его не иметь, смотря какой тип детектора используется в их схемах. Источник питания необходим для работы когерера, магнитного и электролитического детекторов.
Для хорошей работы детекторного радиоприёмника главное установить качественную антенну и заземление. От типа и качества антенны зависит эффективность приёме радиостанций радиоприёмником. Для детекторного приёмника лучше всего использовать внешние антенны, оптимальная длина антенны составляет 40. 50 м, а высота её подвеса 10. 15 м.
Входные цепи являются основными избирательными элементами детекторных приёмников, с помощью которых осуществляется настройка на заданную частоту. Детекторные приёмники с одним настраиваемым контуром отличает простота устройства и высокая чистота звука.
Наибольшие расстояния, на которых возможен надёжный и регулярный приём радиовещательных станций, зависит в основном от мощности передающей радиостанции, длины волны приёма и времени суток.
Приёмник состоит из антенны и заземления, подключённых к колебательному контуру из катушки L1 с отводами и конденсатора Cн, детектора VD1, фильтра , образованного Cбл и наушников.
Почти все детали приёмника можно изготовить самостоятельно, из подручных средств, без специального оборудования.
Антенна — любой длинный провод, желательно медный, чем длиннее и толще, тем лучше. От высоты подвеса антенны зависит качество приёма, чем выше, тем лучше. Антенна крепится на изоляторах. Изолятор можно изготовить, например, из пластиковой бутылки.
Заземление. Для устройства заземления необходимо закопать в землю массивный металлический предмет, на глубину не менее полутора метров.
Катушка колебательного контура (L1) — состоит из 100-300 витков провода диаметром 0.3 — 0.8 мм, намотанных на жёстком каркасе виток к витку. После каждого 20 витка необходимо делать петельки — отводы. После окончательной намотки петельки отводов надо освободить от изоляции. По простой формуле L=2пR можем определить общую длину провода для нашей катушки 15.7 см — один виток, тогда на 100 витков потребуется 15,7 метров провода.
Конденсаторы (С), так же как и катушки, можно изготовить своими силами. Легче всего изготовить конденсатор постоянной ёмкости. Для самодельных конденсаторов ёмкостью до нескольких сотен пикофарад используется алюминиевая или оловянная фольга, тонкая писчая или папиросная бумага, упаковочный полиэтилен. Схема сборки на картинке.
Работа самодельного кристаллического детектора в значительной степени зависит от его конструктивного исполнения.
Контактные пары в зависимости от их природы обладают различной способностью односторонний проводимости тока, которая может быть охарактеризована зависимостью вида I=f(U), где I — ток, U — напряжение. В результате касания острого конца пружинки поверхности кристалла образуется контакт. У такого контакта электрическое сопротивление при направлении тока от пружины к кристаллу значительно отличается от электрического сопротивления, когда ток течёт от кристалла к пружинке. Другими словами, в такой конструкции детектора ток проходит только в одном направлении. Свойство пропускать ток в одном направлении имеют многие вещества, но наилучшими являются природные минералы гален, пирит, халькопирит и др. Основным недостатком кристаллического детектора с подпружиненным остриём является возможность нарушения контакта во время работы. Небольшое механическое (тряска) или электрическое воздействие способны нарушить стабильность контакта и тем самым привести к потере рабочей детекторной точки. В этом случае приём вообще исчезает и для его возобновления необходимо вручную переставить остриё пружины на поверхности кристалла, то есть устанавливать новую детекторную точку.
В зависимости от типа кристалла, используемого в детекторе, выбирают и наушники. Головной телефон (наушники) — самостоятельно изготовить практически невозможно. В детекторном приёмнике могут быть использованы электромагнитные наушники с сопротивлением звуковых катушек в 1000 Ом и более, низкоомные -сопротивление катушек менее 300 Ом, а также пьезоэлектрические наушники. Наибольшее распространение имеют высокоомные наушники. Низкоомные наушники применяются в приёмниках с низкоомным детектором, например, карборунд-сталь, но такие детекторы имеют малое распространение. В отдельных случаях, когда радиопередача слышна достаточно громко, появляется возможность подключить вместо наушников абонентский громкоговоритель и тем самым расширить слушательскую аудиторию. Усилить звучание наушников при отсутствии такого громкоговорителя можно, если прикрепить к наушникам рупор определённой формы и размеров. Рупор можно изготовить из любых материалов, например бумаги или картона, но лучше использовать дерево.
Одна из конструкций самодельного детектора показана на рис. 1. Основанием детектора служит колодочка длиной 35 мм, шириной 15 мм и толщиной 3-5 мм. Выпили её из прочного изоляционного материала — эбонита, текстолита, фибры или из сухой фанеры. Углы колодочки закругли напильником. Просверли в ней два отверстия для ножек от штепсельной вилки. Расстояние между центрами отверстий должно быть 20 мм. К одной ножке под гайку прикрепи чашечку, свитую из медной проволоки толщиной 1-1,5 мм. В эту чашечку плотно вставь кристалл галена (свинцового блеска), обёрнутый фольгой.
Рычажок сделай из двух полосок, вырезанных из любого металла толщиной 1-1,5 мм. Стойку рычажка в нижней части согни под прямым углом. Просверли отверстие, через которое стойка крепится на контактной ножке под гайку. Обе части рычажка скрепи болтиком. Конец рычажка, на который надевается деревянная ручка, заточи, чтобы ручка при её надевании не трескалась и хорошо держалась.
Спираль можно свить из балалаечной или гитарной струны на гвозде. Конец спирали, соприкасающийся с кристаллом, должен быть очень острым. Рекомендуем расплющить его молотком и срезать наискось ножницами.
Рычажок должен опускаться и подниматься свободно и в то же время удерживаться в нужном положении. При этом спираль должна только слегка прикасаться к поверхности кристалла.
Такой детектор работает не при всяком положении острия спирали на кристалле. На поверхности кристалла есть так называемые чувствительные точки — места, где образуется запорный слой при соприкосновении с ними острия.
Чтобы найти чувствительную точку, острие спирали нужно переставлять на кристалле с места на место, поднимая и опуская рычажок. Дело это очень кропотливое: стоит только чуть толкнуть приёмник, острие сбивается с чувствительной точки и её снова нужно искать.
Кристалл свинцового блеска — гален можно изготовить самому. Для этого потребуются чистый свинец, сера в порошке (так называемый серый цвет) и стеклянная пробирка.
Кусок свинца наскобли ножом или напили крупным напильником. Полученные опилки смешай с серой. Примерная пропорция свинца и серы должна быть такая: свинцовых опилок 20-30 г, серы 5-8 г. Если нет весов, можно смешать порции, равные по объёму, например один напёрсток свинцовых опилок и столько же серы. Смесь насыпь в пробирку, и слегка утрамбуй деревянной палочкой. К пробирке приделай проволочную ручку, чтобы при нагревании пробирки не обжечь пальцы (рис. 2).
Пробирку со смесью нагревай на огне спиртовки, керосинки или примуса (это нужно делать на воздухе или в каком-либо нежилом помещении). Вначале пробирку держи высоко над пламенем, а затем, когда сера расплавится, поднеси пробирку ближе к огню. Когда смесь накалится, сними пробирку с огня и, держа в вертикальном положении, дай ей постепенно остынуть. Кристалл можно достать, только разбив пробирку.
Получившаяся масса похожа на шлак. В местах излома она имеет блестящую зернистую поверхность. Такая поверхность кристалла и обладает хорошими детектирующими свойствами. В детекторе она должна быть обращена к острию стальной пружинки.
Надо сказать, что с первого раза не всегда удаётся получить кристалл хорошего качества. Если нагрев пробирки производить на сильном огне, она может лопнуть и смесь свинца с серой сгорит. При неудаче не отчаивайся, а повтори опыт ещё раз.
Если нет свинца и серы, можно сделать графитовый детектор. Его устройство показано на рис. 3. В нём детектирует контакт между графитом от твёрдого (марки Т) простого (не химического) карандаша длиной 20-25 мм и кусочком стального незаржавевшего лезвия от безопасной бритвы. Изоляционная колодочка и контактные ножки — точно такие же, как в конструкции галенового детектора. Кусочек лезвия от безопасной бритвы зажат под гайку контактной ножки. Под гайку второй контактной ножки поджат конец медной проволочки, другой конец которой обмотан 3-4 раза вокруг графитового стерженька. Остро заточенный конец графита соприкасается с поверхностью лезвия. Длина проволочной петли, удерживающей графитовый стержень,
должна быть достаточной для того, чтобы остриё графита можно было перемещать по всей поверхности лезвия и тем самым находить наиболее чувствительную точку детектора.
Графитовый детектор работает вполне удовлетворительно. Недостаток его — малая устойчивость чувствительной точки и необходимость частой заточки острия графита.
Можно попробовать сделать детектор с постоянной чувствительной точкой. Его устройство (в сильно увеличенном виде) показано на рис. 4. Возьми кусочек медной проволоки толщиной 2,5-3 мм и длиной 20-30 мм. Зачисти её до блеска мелкой шкуркой, накали докрасна на спиртовке, газовой горелке или на примусе и быстро опусти в нашатырный спирт. На проволоке образуется тонкий слой окиси. Он является полупроводником. Очисти осторожно один конец проволоки от слоя окиси и прикрути к нему кусок медной проволоки. К другому концу окисленной проволоки, не зачищая его, прикрути кусок неокисленного медного провода. Свободные концы этих проводников будут служить выводами детектора. Изготовить хороший детектор с первого раза не всегда удаётся. Поэтому советуем изготовить несколько таких детекторов и отобрать из них тот, который даст лучшие результаты.
Источники:
Л.Троицкий. Первый радиоприемник. Издательство ДОСААФ. Москва — 1956
САМОДЕЛЬНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ, «Юный радиолюбитель», В.Борисов, 1959 (МРБ 330)
Из своего опыта хочу добавить, что вполне возможно приёмник будет работать и без конденсатора в колебательном контуре, так как его роль будет выполнять межвитковая ёмкость катушки (есть такое явление в радиотехнике), точную же настройку на станцию можно выполнить передвижением в каркасе катушки феритового (или железного) сердечника.
Описанный выше вариант приёмника является экстремальным, если же собирать его из современных деталей (миниатюрный конденсатор переменной ёмкости, катушка на ферритовом сердечнике, высокочастотный диод), то размер приёмника будет не больше размера зажигалки, а приём будет возможен даже на метровую антенну без заземления. Существуют схемы сложных радиоприёмников на операционных усилителях (микросхемах) где в качестве источника питания используется энергия радиосигнала – почти по Тесле.
Источник
