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
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Набор полупроводниковых приборов НПД-2
Данный набор позволяет познакомить учащихся с некоторыми типами полупроводниковых приборов и продемонстрировать основные принципы работы этих устройств. Набор размещается в картонной коробке размером 29 х 17 х 12 см.
К набору прилагается лаконичное руководство по эксплуатации, в котором не указаны конкретные типы использованных полупроводниковых приборов.
Все полупроводниковые приборы располагаются в однотипных пластмассовых панелях с габаритами 15 х 10 х 7 см
На передней крышке панели нанесено условное графическое изображение полупроводникового прибора. Сзади на панели имеется крепление, позволяющее установить прибор на штативе. Передняя крышка крепится на пластмассовых защелках, которые легко ломаются, крышку можно снять, что позволяет рассмотреть сам прибор.
В набор входит шесть приборов:
Терморезистор
Терморезистор с подогревателем
В модуле использован терморезистор типа ММТ-4 сопротивлением 9,1 кОм (измерения показали около 8 кОм при 25 градусах по Цельсию), спираль нагревателя имеет сопротивление 4 Ом.
Модуль позволяет легко продемонстрировать изменение сопротивления терморезистора с изменением температуры. Из недостатков можно отметить, что не предусмотрена возможность измерения температуры терморезистора. В этом плане отдельно выпускавшийся прибор с терморезистором ММТ-4, гораздо лучше.
Этот прибор не входит в данный комплект, он представляет собой демонстрационную пробирку, на которую сверху надето крепление для контактов, а сам терморезистор с одной стороны надежно защищен от агрессивной среды, а с другой имеется возможность при помощи лабораторного термометра измерить температуру воздуха внутри пробирки.
Фоторезистор
Фоторезистор типа ФР-765 с темновым сопротивлением 1 МОм
С помощью данного прибора можно посмотреть, как меняется сопротивление этого полупроводникового прибора при изменении освещенности или посмотреть, как данный процесс зависит от цвета светового излучения. Согласно измерением темновое сопротивление терморезистора достигает 4,4 МОм.
Фотоэлемент
Фотоэлемент имеет диаметр рабочей поверхности 33 мм, его э.д.с. составляет 0,22 В ,а ток короткого замыкания 46 мА при освещенности 550 лк [1].
Пара диодов
Максимально допустимое напряжение составляет 220 В, а допустимый прямой ток 0,2 А. Корпус диодов черный с синей точкой, напоминает КД103А, но у него максимально допустимое обратное напряжение всего 50 В, так что либо в инструкции допущена ошибка, либо это другой тип диодов [2].
Последовательно с диодами включены резисторы типа МЛТ-0,5 сопротивлением 120 Ом.
Светодиод
Светодиод с добавочным сопротивлением и выпрямительным диодом. Вероятно типа АЛ307Б.
Добавочное сопротивление МЛТ-0,5 сопротивлением 1,2 кОм позволяет питать прибор от напряжения 12 В. Последовательно со светодиодом включен прибор с зеленым корпусом и белой точкой, вероятно выпрямительный диод.
Транзистор
Как видно, здесь не просто один полупроводниковый прибор, а достаточно сложная схема на печатной плате.
На плате располагается транзистор КТ315А [3], резистор типа МЛТ-0,5 с сопротивлением 120 Ом. Транзистор имеет на верхнем торце корпуса сине-зеленую метку 5.
Выводы
В целом приборы сделаны достаточно надежно с расчетом на то, что бы по незнанию их было бы довольно трудно вывести из стоя. Однако с другой стороны эти защитные элементы приводят к тому, что данные приборы более всего подходят для качественной демонстрации, проведение количественных измерений с диодами или транзистором затруднено.
Источник
ПОЛУПРОВОДНИКИ
В ту эпоху полупроводники еще не нашли своего применения в электронной технике, и считались бесполезными. Действительно, если требуется проводник, то лучше взять медь, алюминий, а если требуется диэлектрик то, фарфор, слюду или стекло.
Электрические свойства материалов
Полупроводники, по своим свойствам, это и плохие диэлектрики и плохие проводники. Но без полупроводников не было бы современной электронной техники. Из полупроводников широко используются Кремний, Галлий, Германий и Селен. Все атомы, как известно, соединяются в молекулы.
Рисунок объединения атомов в молекулу
Только с изобретением полупроводников стало возможным значительно уменьшить размеры электронной техники. Вся современная электронная техника, будь то диод, транзистор, микросхема или новейший микропроцессор создана благодаря открытию полупроводников. Для примера, простейшая ламповая ЭВМ, далеко не сравнимая по мощности с современными компьютерами, занимала несколько комнат, причем надежность её была низкой.
Электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры и излучения (например светового).
Атомы с кристаллической решеткой
Германий и кремний имеют по четыре валентных электрона, они находятся во внешних слоях оболочек атома. И кремний и германий являются алмазоподобными кристаллами. Их валентные электроны имеют единые орбиты.
Рисунок единые орбиты электронов
Если в расплавленный кремний ввести атомы мышьяка (или фосфора) имеющего валентность пять, то есть 5 электронов на внешних слоях атома, 4 электрона атома мышьяка займут свое место в кристаллической решетке.
Донорные и акцепторные примеси
Если концентрация электронов в полупроводнике значительно превышает концентрацию дырок, то основные носители заряда электроны, если же в полупроводнике преобладают дырки, то основные носители дырки. Те же электроны, которые не смогли занять место в кристаллической решетке, им просто не хватило места, становятся свободными. Говорят, что в таком случае кремний стал полупроводником n – типа. Атом Мышьяка выступил в роли «донорной” примеси.
Рисунок с электроном и дыркой
Ток в полупроводниках, может осуществляться, не только за счет электронов, но и за счет «дырок”. Что же такое «дырка”? Если в расплавленный кремний или германий ввести немного Индия, который имеет валентность три электрона на внешних слоях атома, то он также займет свое место в кристаллической решетке, правда у него имеются только 3 электрона, и он будет вынужден забрать 1 электрон у атома кремния. Таким образом образовалась «дырка” или положительный заряд. Такая примесь называется «акцепторной” и создает в атоме дырочную проводимость. Принято говорить, что такой полупроводник становится р – типа. Если к выводам такого полупроводника приложить напряжение, то он начинает проводить ток ! При этом электроны начинают притягиваться положительным полюсом источника тока, (как мы помним разноименные заряды притягиваются) они уходят из полупроводника в источник тока и оставляют позади себя дырки и при этом создается такая картина, что электроны двигаются к плюсу, а дырки к минусу, что и видно на приведенном ниже рисунке.
Как двигаются электроны и дырки в полупроводнике
В освободившиеся дырки у отрицательного полюса «впрыгивают” электроны и начинают свое движение к положительному полюсу. В полупроводнике, пока к нему не подключен источник тока, дырки и электроны блуждают хаотически и только с подачей напряжения начинают двигаться упорядоченно. Проводимость бывает собственная и примесная. В полупроводниках с собственной проводимостью количество дырок примерно равно количеству свободных электронов. Примесная проводимость, как и было рассказано выше появляется путем введения в кристалл полупроводника трех или пяти валентной примеси. Используются при создании электронных приборов полупроводники с примесной проводимостью. На следующем рисунке изображено добавление фосфора, пятивалентного элемента в атомы германия:
Свободный электрон германий
Чем больше в атом кремния введено атомов мышьяка, тем больше в нем становится свободных электронов способных создавать ток. Такой проводник становится проводником n – типа. Соответственно, чем больше в атом кремния введено атомов индия, тем больше будет в нем количество «дырок”, электроны в этих полупроводниках двигаются от дырки к дырке. Такие полупроводники, как писалось выше, становятся полупроводниками p –типа. Электропроводность полупроводников с введенными в них примесями, становится выше в несколько раз, по сравнению с чистыми полупроводниками. Полупроводники позволяют преобразовывать тепловую энергию и энергию света в электрическую. Они могут работать и как охлаждающие элементы:
Полупроводниковые охлаждающие батареи
И как преобразущие в электроэнергию тепло.
Для питания устройства на лампах необходимо питание от сети либо громоздкий аккумулятор, для питания же устройства на транзисторах достаточно небольшой батареи питания. Появление полупроводниковых транзисторов позволило значительно уменьшить размеры радиоприемников:
На фото ламповый радиоприемник. Ниже изображен транзисторный радиоприемник, разница в размерах, как все знают, существенная — в 10-100 раз.
Если бы в свое время не были открыты полупроводники, а позднее транзисторы, которые входят в состав любой микросхемы, не было бы очень многих технических достижений, полётов в космос, компьютеров, не говоря уже о таких устройствах как мобильный телефон и планшетный компьютер. Изобретение транзистора в 1948 году учеными Браттейн, Бардин и Шокли означало новую эру в электронной технике, эру полупроводников. Так выглядел первый транзистор:
Фото первый транзистор
А вот так выглядит выпущенный позднее советский транзистор МП39-МП42 со спиленным корпусом.
Транзистор с открытым корпусом
С тех пор полупроводниковые приборы и в частности транзисторы сильно эволюционировали:
Фото современных транзисторов
На фото изображены сверху вниз: транзистор большой мощности, средней мощности, малой мощности и транзистор в SMD исполнении. В общем можно смело утверждать, что не будь в природе полупроводниковых материалов, мы бы до сих пор пользовались ламповыми приёмниками и усилителями, а про смартфоны и планшеты никто бы и не мечтал. Материал подготовил AKV.
Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКИ
Описание нового Блютус протокола беспроводной связи — Bluetooth Mesh.
Схема простого кварцованного передатчика FM диапазона на мощность до 0,2 Вт, при питании от 12 В.
Обзор возможностей комплекта бесконтактного модуля считывателя карт RFID RDM6300. Подключение схемы и тесты.
Источник
