В. А. Буров
А
ИЗУЧЕНИЯ
ПОЛУ-
ПРОВОДНИКОВ
В ШКОЛЕ

В. А. БУРОВ
МЕТОДИКА
ИЗУЧЕНИЯ
ПОЛУ-
ПРОВОДНИКОВ
В ШКОЛЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«ПРОСВЕЩЕНИЕ»
Москва 1965.
В книге изложена методика преподавания основ-
ных свойств полупроводников и их технических приме-
нений, включая анализ содержания и последователь-
ность изложения учебного материала.
Большое внимание уделяется методике и технике
демонстрационного эксперимента с новым учебным обо-
рудованием по полупроводникам. Изложение материа-
ла в основном соответствует программе по физике для
средней школы.
Пособие предназначено для преподавателей физи-
ки старших классов средней школы.
Рукопись рецензировал кандидат педаг. наук
А. И. ИВАНОВ.
Владимир Алексеевич Буров
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В ШКОЛЕ
Редакторы В. Л. Климонтович, Л. С. Маслов.
Обложка художника И. Н. Давыдова. Художественный
редактор И. Н. Вахлин. Технический редактор М. И. Смирнова.
Корректор Л. П. Михеева.
* * ♦
Сдано в набор 11/V-1965 г. Подписано к печати 28/VII 1965 г.
84Х1081/#2. Печ. л. 4,875 (8,19). Уч.-изд. л. 7,86. Тираж 37 тыс.
экз. А 11561. Т. п. 1965 г. Хе 241.
♦ « *
Издательство «Просвещение» Государственного комитета Совета
Министров РСФСР по печати.
Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Саратовский полиграфический комбинат Росглавполиграфпрома
Государственного комитета Совета Министров РСФСР по печати,
г. Саратов, ул. Чернышевского, 59, Заказ 286.
Цена 21 коп.
Предисловие
В программу по физике для средней школы введена
тема «Электрические свойства полупроводников».
Изученйе полупроводников в школе имеет большое
общеобразовательное и политехническое значение. Оно
способствует повышению научного уровня курса физики
и отражению в нем физических основ современного тех-
нического прогресса.
Методика преподавания полупроводников в школе
разработана еще недостаточно, в частности нет полного
решения вопросов, касающихся содержания учебного ма-
териала и последовательности его изучения. Объяснение
физических явлений в полупроводниках дается только на
основе классическсй электронной теории. Мало уделяет-
ся внимания методике и технике демонстрационного и
лабораторного эксперимента, подбору учебного оборудо-
вания по полупроводникам и другим вопросам. Между
тем решение этих вопросов в значительной степени опре-
деляет успех изучения полупроводников в школе.
В предлагаемом методическом пособии делается по-
пытка восполнить указанный пробел.
В пособии рассматриваются:
1.	Содержание, последовательность и место учебного
материала о полупроводниках в курсе физики средней
школы.
2.	Методика преподавания основных свойств полуйро-
водников и их технических применений с использовани-
ем понятия химической связи и элементов зонной теории.
3.	Методика и техника физического эксперимента с
полупроводниковыми приборами.
4.	Методика подготовки учащихся к выполнению ра-
бот физического практикума.
3
5.	Новая система учебного оборудования по полупро-
водникам, выпускаемая промышленностью для школ.
Предлагаемая методика, система физического экспе-
римента и новое учебное оборудование проверялись ав-
тором в течение трех лет в практике преподавания в
средней школе № 98 ст. Кратово, Московской ж. д. Кро-
ме того, учебное оборудование проверялось в экспери-
ментальнрй школе АПН РСФСР № 315 Москвы.
Автор выражает сердечную благодарность старшему
научному сотруднику сектора обучения физике Институ-
та общего и политехнического образования Академии
педагогических наук РСФСР А. А. Покровскому, под не-
посредственным руководством которого разрабатыва-
лась предлагаемая система физического эксперимента и
новое учебное оборудование.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Физика полупроводников является одной из самых
молодых, быстро развивающихся отраслей современной
науки и техники, в которой ярко проявилась тесная связь
теории и практики, науки и производства.
Изучение полупроводников помогло значительно рас-
ширить и углубить наши знания о строении твердых тел,
о природе протекающих в них электрических явлений.
Полупроводники за короткий срок получили значи-
тельное применение в радиоэлектронике, автоматике, те-
лемеханике и других областях современной техники. По-
лупроводниковые приборы успешно конкурируют с
электронными лампами, ртутными выпрямителями, ме-
таллическими термопарами, химическими источниками
тока.
Применение полупроводников революционизировало
и ускорило решение целого ряда технических задач, ко-
торые не могли быть решены с помощью прежних тех-
нических средств. Полупроводники позволили создать
солнечные батареи, термоэлектрогенераторы, лампы
дневного света и другие приборы. Большие возможно-
сти открывают полупроводники перед энергетикой, холо-
дильной техникой и теплотехникой.
Полупроводники составляют обширный класс ве-
ществ, который, по образному выражению академика
А. Ф. Иоффе, представляет почти весь окружающий нас
неорганический мир, а более точно: полупроводниками
являются большинство минералов и неметаллических
элементов периодической системы Д. И. Менделеева (се-
лен, кремний, германий и т. д.), а также окислы метал-
лов, сульфиды, селениды и т. п. Полупроводники часто
определяют как вещества, электрическая проводимость
которых обеспечивается движением электронов и зани-
5
мает промежуточное значение между проводимостью изо-
ляторов и металлов.
Однако не это количественное отличие выделяет их
в особый класс веществ. Эти отличия связаны с особыми
свойствами полупроводников, краткий перечень которых
приводится ниже.
1.	Электропроводность полупроводников имеет двой-
ственный характер: наряду со свободными электронами
роль носителей тока играют и так называемые дырки,
которые в электрическом отношении эквивалентны поло-
жительным зарядам. Общее количество тех и других но-
сителей тока может быть одинаковым (собственная про-
водимость) и различным (примесная проводимость).
2.	Электропроводность полупроводников увеличива-
ется с повышением температуры. Зависимость электро-
проводности от температуры лежит в основе работы раз-
личных термосопротивлений (термисторов), получивших
широкое применение для измерения и автоматического
регулирования температуры.
3.	Электропроводность полупроводников увеличива-
ется при действии на них света. Добавочная электропро-
водность, обусловленная действием света, называется
фотопроводимостью. Фотопроводимость зависит от ро-
да полупроводника, его температуры, а также вида и ко-
личества примесей в полупроводнике. Она имеет времен-
ный характер и после прекращения облучения убывает
до начального значения. Фотопроводимость лежит в ос-
нове работы различных фотосопротивлений, которые де-
лают чувствительными не только к видимому свету, но и
к инфракрасным лучам. Фотосопротивления получили
широкое применение в оптических измерениях и в фото-
электронной автоматике.
4.	Электропроводность полупроводников сильно зави-
сит от различного рода примесей. Примеси изменяют не
только величину электропроводности, но и знак носите-
лей тока. В связи с этим в полупроводниках различают
два вида проводимости: собственную и примесную. При-
месная проводимость существует во всех реальных полу-
проводниках и полупроводниковых приборах.
Следует заметить, что электропроводность полупро-
водников не всегда так сильно зависит от воздействия
перечисленных выше внешних факторов. У каждого
полупроводника, например, существует такая область
О
температур, в пределах которой электропроводность
остается почти постоянной. Аналогично этому и заклю-
чение о сильном влиянии света на электропроводность
полупроводников не является универсальным. У некото-
рых полупроводников действие света очень незначитель-
но изменяет величину электропроводности, а у других
полупроводников она увеличивается в тысячи и даже
миллионы раз. То же следует сказать и о влиянии на
электропроводность различных примесей. У одних, полу-
проводников введение ничтожного количества примесей
увеличивает электропроводность в миллионы раз, у дру-
гих такая операция производит едва заметное действие,
причем иногда в результате введения примеси электро-
проводность полупроводника не увеличивается, а умень-
шается.
5.	Полупроводники обладают большой величиной
термоэлектронной эмиссии. Благодаря этому свойству
они широко применяются для покрытия катодов различ-
ных электровакуумных приборов (радиоламп, электрон-
нолучевых трубок и т. д.).
6.	Электропроводность полупроводников увеличивает-
ся с возрастанием напряженности электрического поля.
В результате их вольт-амперная характеристика отлича-
ется от прямой линии. Это свойство полупроводников ле-
жит в основе действия нелинейных сопротивлений (ва-
ристоров), применяемых для функциональных преобра-
зований в приборах и счетно-решающих устройствах,
а также для защиты высоковольтных линий от грозовых
разрядов и перенапряжений.
7.	Некоторые полупроводники обладают высокой ди-
электрической проницаемостью (до 2000), величина
которой не постоянна и зависит от приложенного напря-
жения. Такие полупроводники получили название сегне-
тоэлектриков. Некоторые сегнетоэлектрики обладают
высокими пьезоэлектрическими свойствами. Сегнето-
электрики применяются в электроакустике, а также в ка-
честве диэлектриков для изготовления малогабаритных
конденсаторов—варикондов. Вариконды, кроме обычного
своего назначения, применяются также в качестве не-
линейных элементов для замены электронных ламп в раз-
личной электро* и радиотехнической аппаратуре (гене-
раторы импульсов, частотные модуляторы, датчики тем-
пературы и др.).
7
8.	Некоторые полупроводники имеют сильно выра-
женные ферромагнитные свойства. Это ферриты, основ-
ным преимуществом которых является отсутствие потерь
на индукционные токи, вплоть до очень высоких частот.
Благодаря этому свойству ферриты получили широкое
применение в цепях переменного тока высокой частоты
и раскрыли новые возможности для радиоэлектроники,
автоматики (бесконтактные реле), счетно-решающих
устройств (магнитные ячейки памяти) и др.
9.	При действии на полупроводник с током магнит-
ного поля в полупроводнике возникает целый ряд гальва-
но- и термомагнитных явлений: уменьшается его электро-
и теплопроводность в направлении, перпендикулярном
магнитному полю и току, возникает поперечная разность
потенциалов (эффект Холла) и разность температур. Эф-
фект Холла служит одним из основных методов исследо-
вания электрических свойств полупроводников. Он позво-
ляет определять число, подвижность и знак носителей
тока, т. е. все основные характеристики полупроводника.
Эффект Холла нашел практическое применение так-
же в различных полупроводниковых приборах, служа-
щих для измерения силы и мощности тока, напряженно-
сти магнитного поля, а также для преобразования сигна-
лов (модуляторы, детекторы, усилители, генераторы
и др.).
10.	Некоторые полупроводники люминесцируют под
действием света, потока электронов, радиоизлучений,
электрического поля и др. Такие полупроводники назы-
ваются люминофорами. Они выступают в роли преоб-
разователей частоты света и аккумуляторов световой
энергии. Люминофоры нашли широкое применение в
люминесцентных лампах, электроннолучевых трубках,
электронно-оптических преобразователях, в люмине-
сцентных и электронных микроскопах, усилителях света,
применяемых в телевидении, рентгенотехнике и других
областях.
Кроме перечисленных выше объемных свойств полу-
проводников, большое практическое значение имеют-кон-
тактные свойства, или свойства электронно-дырочных
переходов. К этим свойствам относятся:
1.	Односторонняя электрическая проводимость. Это
свойство лежит в основе работы полупроводниковых вы-
прямителей, широко применяемых в радиоэлектронике,
8
автоматике, счетно-электронных машинах и энерге-
тике.
2.	Значительная величина термоэлектродвижущей
силы. Полупроводниковые термоэлементы (термопары)
нашли применение в измерительной технике, а термо-
электрогенераторы открывают путь для непосредствен-
ного преобразования внутренней энергии в электриче-
скую с высоким к. п. д.
3.	Значительный эффект охлаждения одного из кон-
тактов при пропускании электрического тока (эффект
Пельтье), лежащий в основе работы полупроводниковых
охлаждающих устройств.
4.	Значительная величина фотоэлектродвижущей си-
лы. Фотоэлектрический эффект лежит в основе работы
различных фотоэлектронных приборов: фотоэлементов,
фотоумножителей, фотоэлектронных преобразователей и
др. Все эти приборы получили большое распространение.
Например, фотоэлементы широко применяются в свето-
вых измерениях, фотоэлектронной автоматике, полупро-
водниковых фотобатареях, преобразующих энергию сол-
нечного света в электрическую энергию, а также в зву-
ковом кино, фототелеграфе, телевидении и т. п.
5.	Значительная величина радиоэлектродвижущей
силы. Это явление применяется для изготовления атом-
ных элементов и батарей, с помощью которых решается
задача непосредственного преобразования в электриче-
ский ток энергии радиоактивного распада. Элекггронно-
дырочные переходы применяются также в дозиметриче-
ских устройствах в качестве датчиков излучений. В та-
ких датчиках происходит преобразование импульсов, соз-
даваемых радиоактивными излучениями, в электриче-
ские импульсы. Полупроводниковые датчики с электрон-
но-дырочным переходом по принципу действия анало-
гичны газоразрядным счетчикам. Их можно рассматри-
вать также как миниатюрные твердые ионизационные
камеры.
6.	Переменная величина электрической емкости. Вели-
чина электроемкости перехода зависит от величины и
полярности приложенного напряжения. Это свойство ле-
жит в основе работы полупроводниковых конденсаторов
переменной емкости, получивших применение для элект-
ронной настройки радиоприемников.
9
7.	Контакт трех полупроводников с чередующейся
электропроводностью (двойной электронно-дырочный пе-
реход типа п — р — п или р — п — р) обладает свойством
усиливать и генерировать электрические колебания. Это
свойство лежит в основе работы полупроводниковых три-
одов (транзисторов), которые успешно заменяют работу
радиоламп и получают все большее распространение в
радиоэлектронике и автоматике.
Перечень основных свойств полупроводников и их
технических применений можно было бы продолжить, но
и сказанного вполне достаточно, чтобы правильно оце-
нить значение полупроводников в современной науке и
технике.
ГЛАВА 1.
ПОЛУПРОВОДНИКИ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ
ШКОЛЫ
§ 1. Свойства полупроводников, изучаемые в школьном
курсе физики
В программе по физике для средней школы основной
учебный материал о полупроводниках находится в новой
теме «Электрические свойства полупроводников», кото-
рая изучается в разделе «Электричество».
Содержание этой темы в настоящее время нельзя
признать окончательно установленным. В связи с этим
попытаемся отобрать круг вопросов, которые имеют наи-
большую научную и практическую значимость и в то же
время доступны для понимания учащихся.
В содержание обязательного учебного материала
должно быть включено прежде всего изучение собствен-
ной проводимости полупроводников и зависимости ее от
температуры.
Изучение собственной проводимости имеет в основном
теоретический интерес: оно позволяет объяснить физиче-
ские свойства полупроводников.
Второе свойство важно потому, что оно позволяет
вскрыть главную причину возникновения проводимости.
Как известно, характерной особенностью полупроводни-
ков, отличающей их от металлов, является тепловое про-
исхождение носителей тока. Поэтому электропроводность
полупроводников возникает с появлением теплового дви-
жения. При температуре около абсолютного нуля полу-
проводники фактически являются изоляторами.
Носители тока в полупроводнике возникают не только
в результате теплового движения, но и при любом энер-
11
гетическом воздействии на полупроводник (излучения,
-бомбардировки быстрыми частицами, действия сильного
поля, деформации и т. д.). Из всех этих факторов, вли-
яющих на величину электропроводности, следует огра-
ничиться изучением явления фотопроводимости, получив-
шего наибольшее практическое применение.
Далее следует рассмотреть зависимость электропро-
водности от различных примесей, поскольку последние
играют решающее значение для электрических, магнит-
ных и оптических свойств полупроводников, в связи с
этим дать понятие о примесной проводимости. Это от-
кроет широкие возможности для изучения важнейших
свойств электронно-дырочных переходов и понимания фи-
зических явлений в различных полупроводниковых при-
борах: диодах, транзисторах, термоэлементах, фотоэле-
ментах и т. д. Наконец, изучение примесной проводимо-
сти раскроет технологию изготовления различных полу-
проводниковых материалов, которая в конечном счете
сводится вначале к тщательной очистке полупроводников
от посторонних примесей (получение собственных полу-
проводников), а затем к внесению определенных приме-
сей для получения у полупроводников необходимых
свойств.
Кроме объемных электрических свойств полупровод-
ников, в средней школе должны изучаться также и кон-
тактные свойства двух полупроводников с различным
видом проводимости, т. е. свойства электронно-дыроч-
ных переходов: выпрямительные, фотоэлектрические,
термоэлектрические. Изучение этих свойств имеет важ-
ное значение потому, что именно эти свойства обеспечи-
ли полупроводникам разнообразные технические приме-
нения.
Выпрямительное свойство электронно-дырочного пе-
рехода лежит в основе работы полупроводниковых дио-
дов, которые в настоящее время считаются наиболее рас-
пространенными полупроводниковыми приборами.
Фотоэлектрические свойства электронно-дырочного
перехода также имеют важное научное и техническое
значение. Основанные на этом свойстве полупроводни-
ковые фотоэлементы и солнечные батареи находят все
большее применение в фотоэлектрических измерениях,
фотоэлектронной автоматике и современной космической
энергетике. Высокая чувствительность к свету электрон
12
но-дырочного перехода позволила создать новые полу-
проводниковые приборы — фотодиоды, получившие при-
менение в фотоэлектронной автоматике.
Изучение термоэлектрических свойств полупроводни-
ков важно по двум причинам. Во-первых, с термоэлект-
рическими явлениями учащиеся знакомятся при изуче-
нии электрического тока в металлах. Поэтому полезно
рассмотреть эти явления и в полупроводниках, тем бо-
лее что здесь эти явления проявляются наиболее ярко
и имеют важное практическое значение для непосредст-
венного преобразования внутренней энергии в электри-
ческую, а также для^лолучения тепла или холода с по-
мощью электрического тока. Во-вторых, изучение термо-
электрических свойств позволяет по направлению термо-
тока определить знак носителей тока в полупроводниках
и на опыте доказать существование электронной и ды-
рочной проводимости, что имеет очень важное значение.
Однако нельзя ограничиваться изучением свойств од-
ного перехода. Следует рассмотреть более сложные си-
стемы электронно-дырочных переходов, позволяющих
осуществлять не только выпрямление, но также усиле-
ние электрических колебаний и их генерирование. Про-:
стейшей системой электронно-дырочных переходов явля-
ется двойной переход типа р — п — р или п — р — п, ле*
жащий в основе устройства полупроводникового триода
(транзистора и фототранзистора). Полупроводниковые
триоды, совершенствуясь с каждым годом, все больше
вытесняют электронные лампы. Поэтому изучение их в
средней школе имеет большое политехническое значение.
Из всех полупроводниковых приборов транзистор яв-
ляется наиболее сложным прибором, но трудности, кото-
рые могут встретиться при его изучении, преодолимы.
Все предшествующее изучение объемных и контакт-
ных свойств полупроводников готовит учащихся к пони-
манию принципа действия этих приборов.
Основные электрические свойства полупроводников
следует изучать в одной самостоятельной теме, как это
сделано в новой программе по физике средней школы.
Это способствует развитию глубоких и прочных знаний
учащихся о важнейших свойствах полупроводников и их
технических применениях.
Приведенный краткий анализ основных свойств полу-
проводников и Их технических применений позволяет
13
уточнить содержание этой темы. В тему «Электрические
свойства полупроводников» следует включить следующий
учебный материал, который приводится с примерным
распределением по урокам.
1-й урок. Понятие о полупроводниках. Зависимость
сопротивления полупроводников от темпе-
ратуры. Термосопротивления и их техниче-
ские применения.
2;йурок. Зависимость сопротивления полупровод-
ников от освещенности. Фотосопротивле-
ния и их технические применения.
3-й урок. Понятие о собственной проводимости полу-
проводников.
4-й урок. Понятие о примесной проводимости полу-
проводников.
5-й урок. Выпрямительное свойство электронно-
дырочного перехода. Диоды и их техниче-
ские применения.
6-й у р о к. Термоэлектрические свойства электронно-
дырочного перехода. Термоэлементы, тер-
моэлектрогенераторы, холодильники.
7-й урок. Фотоэлектрические свойства электронно-
дырочного перехода. Вентильные фотоэле-
менты, фотодиоды и их технические при-
менения.
8-й урок. Усилительные свойства двойного электрон-
но-дырочного перехода. Транзисторы, фо-
тотранзисторы и их технические примене-
ния.
Тема «Электрические свойства полупроводников» изу-
чается после рассмотрения природы электрического то-
ка в металлах, электролитах и газах и завершает фор-
мирование представлений учащихся об электрических
свойствах тел и видах электрической проводимости. Та-
кой порядок изучения тем обеспечивает накопление у
учащихся предварительных знаний, необходимых для по-
нимания сложных вопросов физики полупроводников.
В процессе изучения физики представляется возмож-
ность познакомить учащихся со многими другими свойст-
вами полупроводников, которые не могут быть изучены в
одной теме. Эти свойства могут быть рассмотрены в ос-
ведомительном плане в.связи с изучением различных тем
14
и разделов курса физики. Покажем это на конкретных
примерах.
В теме «Электрические заряды и электрическое поле»
можно рассказать о пьезоэлектрическом эффекте и от-
метить его практическое применение для преобразования
механических колебаний в электрические и обратно.
О сегнетоэлектриках можно говорить в связи с изу-
чением поведения диэлектриков в электрическом поле,
диэлектрической проницаемости и электроемкости и от-
метить их широкое применение для изготовления мало-
габаритных .конденсаторов, а также конденсаторов с пе-
ременной емкостью — варикондов.
В теме «Электронные явления в вакууме» следует об-
ратить внимание на значительную величину термоэлект-
ронной эмиссии полупроводников. Благодаря этому свой-
ству они широко применяются для покрытия катодов
различных электровакуумных приборов^
В теме «Магнитное поле», в связи с изучением маг-
нитных свойств вещества, отметить ферромагнитные
свойства полупроводников и рассказать об основных при-
менениях ферритов.
В теме «Электромагнитные колебания и волны» сле-
дует показать применение транзистора для получения не-
затухающих электрических колебаний-
В теме «Квантовые свойства света» изучаются люми-
несцентные свойства некоторых полупроводников и рас-
сматриваются их практические применения в люмине*
сцентных лампах, электроннолучевых трубках и т. п.
§ 2. Основы теории проводимости полупроводников
Новые задачи, стоящие перед средней школой, требу-
ют повышения научного уровня изложения курса физи-
ки в соответствии с современными физическими воззре-
ниями, с учетом возрастных особенностей учащихся и их
познавательных возможностей. Поэтому при объяснении
физических явлений в полупроводниках не следует огра-
ничиваться структурными представлениями классической
электронной теории проводимости, хотя она и в большей
степени применима к полупроводникам, чем к металлам.
В физику полупроводников необходимо вводить основ-
ные представления зонной теории об энергетических
уровнях и зонах, которые вполне доступны пониманию
15
учащихся и усваиваются не труднее классического элект-
ронного газа.
К сожалению, новая программа по физике для сред-
ней школы не предусматривает ознакомления учащихся
с квантовыми представлениями при изучении раздела
«Электричество». Элементы квантовой теории изучаются
только в разделах «Оптика» и «Строение атома», т. е. в
конце курса физики и, таким образом, не могут служить
основой для объяснения электрических свойств полупро-
водников.
Введение квантовых представлений в раздел «Элект-
ричество» потребует некоторого изменения содержания
и структуры курса физики. В частности, тему «Строение
атома» целесообразно разделить на две части. Первую
часть — строение электронной оболочки атома — следу-
ет перенести в раздел «Электричество», вторую часть —
строение ядра и ядерные реакции — оставить на старом
месте, т. е. в конце курса. Такая перестановка учебного
материала не может вызвать каких-либо затруднений у
учащихся, поскольку строение атома они изучают доста-
точно подробно в курсе химии.
В курсе химии изучается валентность, периодический
закон Д. И. Менделеева, строение атома, радиоактивность
виды связей атомов в молекуле, теория электро-
литической диссоциации, закон Авогадро и др. Все эти
знания должны быть полнее использованы при изучении
электрических свойств тел.
Введение квантовых представлений в раздел «Элект-
ричество» позволит глубже вскрыть механизм изучаемых
явлений и объяснить электрические свойства металлов,
диэлектриков и полупроводников с точки зрения зонной
теории. Квантовые ‘представления получат свое даль-
нейшее развитие при изучении оптики и строения
атома.
Не вдаваясь в детали зонной теории, рассмотрим под-
робнее методику введения ее основных положений, а так-
же содержание учебного материала, который желательно
сообщить учащимся.
Как известно, основным положением зонной теории
является представление о твердом теле как о совокупно-
сти атомов или ионов, упорядоченно расположенных в
кристаллической решетке. Электрические свойства твер-
дых тел определяются зонной структурой энергетическо-
16
го спектра электронов. Основной характеристикой твер-
дого тела считается ширина запрещенной зоны, величи-
на которой зависит от пространственного расположения
атомов в кристаллической решетке.
В связи с этим вначале необходимо дать понятие
о дискретном изменении энергии атома, энергетических
уровнях электронов и принципе Паули. Эти понятия вво-
дятся при рассмотрении строения электронной оболочки
изолированного атома. После этого необходимо ознако-
мить учащихся с некоторыми свойствами совокупности
атомов, объединенных в твердом
теле, и в связи с этим дать поня- f
тие об энергетических зонах. п
Учащимся сообщают, что каж- .............
дому электрону, вращающемуся
вокруг ядра атома по стационар-
ной (разрешенной) орбите, соот-
ветствует вполне определенная
величина энергии, которая тем
больше, чем дальше от ядра на-
ходится орбита электрона. Поэто-
му все электроны атома обладают
вполне определенными, дискрет-
ными значениями энергии, отде-
ленными друг от друга широкими
Рис. 1. Схема энергети-
ческих уровней электро-
нов в изолированном
атоме.
запретными значениями. Эти разрешенные энергетиче-
ские состояния электронов в атоме называют энергетиче-
скими уровнями.
При определенных условиях электрон может перехо-
дить с одного уровня на другой, но не может находиться
в промежуточном (запрещенном) состоянии. Для того
чтобы электрон перешел со своего уровня на более вы-
сокий, ему необходимо сообщить некоторую энергию.
Обратный переход электрона на более низкий уровень
сопровождается выделением энергии, причем как погло-
щение, так и выделение энергии электроном происходит
не непрерывно, а строго определенными порциями —
квантами.
Энергетические уровни изображают Графически в ви-
де горизонтальных линий, положение которых соответст-
вует энергии электронов в атоме. Тогда промежутки ме-
жду линиями будут соответствовать интервалам запре-
щенных значений энергии электронов (рис. 1).
17
Учащимся известно, что электрон обладает электриче-
ским зарядом и массой. Дополнительно к этому необхо-
димо дать понятие о спине, как об одном из элементар-
ных свойств электрона.
Благодаря наличию спина электрон по своим свойст-
вам напоминает элементарный магнитик, который во
внешнем магнитном поле может устанавливаться только
в двух противоположных направлениях: по полю и против
поля.
Свойства атома определяются не только возможны-
ми значениями энергии его электронов, но и тем, какую
энергию они имеют на самом деле. Чтобы выяснить этот
вопрос, учащихся знакомят с принципом Паули, согласно
которому в любой системе (атоме, молекуле, кристалле)
на каждом энергетическом уровне может находиться не
более двух электронов, причем эти электроны отличаются
друг от друга направлением своих спинов.
В связи с рассмотрением этих вопросов возникает не-
обходимость в соответствующем эксперименте, подтвер-
ждающем дискретность энергетических состояний элек-
тронов в атоме.
Как известно, прямым доказательством этого являют-
ся опыты Франка и Герца, из которых непосредственно
следует, что атомы могут принимать от электронов толь-
ко вполне определенную энергию, которая необходима
для перевода атомов из одного энергетического состоя-
ния в другое.
Постановка подобного опыта в условиях школы раз-
работана Д. X. Рубинштейном Ч В опыте используется
тиратрон типа ТГ-1-0, 1-1, 3 с ксеноновым наполнени-
ем. Схема установки приведена на рисунке 2. Напря-
жение к цепи нити накала тиратрона подается от понижа-
ющей обмотки школьного универсального трансформато-
ра через реостат сопротивлением 30—40 ом и контроли-
руется вольтметром. К зажимам сетка — катод подводит-
ся регулируемое переменное напряжение от лабораторно-
го автотрансформатора. Сетка и анод соединяются через
сопротивление 1000—2000 ом. В результате этого между
катодом и сеткой тиратрона возникает ускоряющее поле,
а между сеткой и анодом — тормозящее поле. Напряже-
1 Д. X. Рубинштейн, Опытная иллюстрация дискретного ха-
рактера изменения энергии атомов, «Физика в школе», 1963, № 1.
18
ние, которое возникает на нагрузочном сопротивлении
за счет анодного тока, подается на вход осциллографа.
При пользовании синхронизацией от сети на экране ос-
циллографа получается график зависимости анодного то-
ка от сеточного напряжения, изображенный на рисунке 3.
Наличие спадов тока на графике объясняется неупругими
столкновениями электронов с атомами газа. В результа-
те таких столкновений электроны передают свою энергию
атомам газа и не могут преодолеть тормозящее поле. Но
Рис. 3. График зависимости
анодного тока тиратрона от
напряжения на сетке.
так как спады тока соответствуют строго определенным
напряжениям на сетке тиратрона, то из этого следует, что
атомы способны принимать от электронов лишь строго
определенные количества энергии. Опыт убеждает уча-
щихся в существовании системы дискретных уровней
энергии атома.
После этого рассматривают явление, когда несколько
отдельных атомов, сближаясь, начинают участвовать в
образовании твердого тела. В этом случае вследствие
взаимодействия электрических и магнитных полей от-
дельных атомов каждый энергетический уровень атома
(как основной, так и возбужденный) «расщепляется» на
несколько близких по величине, но все же различных
уровней, число которых равно числу взаимодействующих
атомов. Эти уровни образуют полосу, или энергетичес-
кую зону.
19
Густота расположения энергетических уровней в каж-
дой зоне зависит от размеров твердого тела: чем больше
размеры тела, тем больше уровней в каждой зоне и тем
гуще они расположены. Разность энергий двух соседних
уровней составляет примерно 10“23 эв. Это число опре-
деляется тем, что ширина зоны не превышает нескольких
электрон-вольт, а число атомов в одном кубическом сан-
тиметре твердого тела равно примерно 1023. В твердом
теле значительных размеров энергетические уровни в зо-
нах расположены практически непрерывно.
В результате этого перемещения электронов в преде-
лах одной зоны может осуществляться под действием
теплового движения, так как средняя энергия атома при
комнатной температуре равна примерно 0,04 эв, т. е.
она во много раз больше, чем разность энергий между
двумя соседними уровнями зоны. Если все уровни зоны
заняты электронами, то последние могут лишь меняться
местами. Следует заметить, что в очень тонкой кристал-
лической пленке расстояние между отдельными уровнями
в зоне может составлять десятые доли электрон-вольта.
В этом случае заметно изменяются электрические свойст-
ва кристалла.
Ширина энергетических зон зависит также от рас-
стояния между атомами: по мере уменьшения межатом-
ных расстояний ширина зон возрастает, при этом сосед-
ние зоны могут даже перекрывать друг друга. Наиболь-
шее «расщепление» испытывают уровни валентных элек-
тронов. Этот случай изображен на рисунке 4, где /о обоз-
начает среднее расстояние между атомами твердого
тела.
При рассмотрении энергетических зон в твердом теле
при постоянном межатомном расстоянии удобно пользо-
ваться другим графиком, показанным на рисунке 5.
Разрешенные энергетические зоны отделяются друг от
друга промежутками — уровнями энергии, в которых не
могут находиться электроны. Эти уровни составляют
запрещенные зоны. Зону, в которой находятся валентные
электроны, называют валентной зоной. Наряду с разре-
шенными и запрещенными энергетическими уровнями в
твердом теле существуют еще так называемые уровни
возбуждения, на которых разрешается пребывать элек-
тронам с более высокими значениями энергии. Для пе-
рехода на эти уровни электроны должны получить извне
20
необходимое количество энергии. Возбужденные уровни
составляют зону проводимости.
Наиболее близкие к ядру электроны внутренних обо-
лочек настолько прочно связаны со своими ядрами, что
в обычных условиях не могут покинуть пределы атомов
и превратиться в электроны проводимости. Поэтому в
процессе электропроводности принимают участие только
Е
Рис. 4. Схема образования энер-
гетических зон.
Зона проводимости
Запрещенная зона
Запрещенная зона .
Запрещенная зона
Рис. 5. Схема энергетиче-
ских зон в твердом теле.
электроны, находящиеся в валентной зоне и расположен-
ной над ней зоне проводимости. Энергетическая протя-
женность этих зон составляет несколько электрон-вольт.
Ширина же разделяющей их запрещенной зоны может
изменяться от нескольких электрон-вольт до нуля и мо-
жет быть даже отрицательной. Последнее соответствует
случаю, когда разрешенные зоны перекрывают друг
друга.
В твердом теле, так же как и в отдельном атоме, на
каждом энергетическом уровне зоны может находиться
не более двух электронов; энергетические зоны могут
иметь различную степень заполнения электронами, а для
перевода электрона из одной зоны в другую надо зат-
ратить энергию, равную ширине лежащей между ними
запрещенной зоны.
21
Таким образом, все электроны в твердом теле пред-
ставляют собой единую систему и подчиняются тем же
законам, что и электроны в отдельном атоме. Существен-
ным отличием энергетических уровней электронов в
твердом теле от таких же уровней в отдельном атоме
является малое расстояние между ближайшими уровня-
ми. Поэтому в твердом теле нельзя, например, по спект-
ру различить дискретные энергетические состояния элек-
тронов. В отдельном атоме энергетические уровни более
раздвинуты, поэтому они проявляются в линейчатых
спектрах.
После краткого изложения основных положений зон-
ной теории можно перейти к рассмотрению структуры
энергетических зон у металлов, полупроводников и ди-
электриков.
Для примера рассматривают два элемента, располо-
женные рядом в системе Д. И. Менделеева — гелий и ли-
тий. Атом гелия имеет два электрона; атом лития — три.
Следовательно, кристалл гелия, состоящий из W атомов,
имеет 2tV электронов. Эти электроны как раз заполняют
всю нижнюю энергетическую зону, так как в разрешен-
ной энергетической зоне имеется место только для 2N
электронов.
Кристалл же лития, состоящий из N атомов, имеет
3.N электронов. Эти электроны по принципу Паули мож-
но расположить только в двух энергетических зонах: 2М
электронов целиком заполняют нижнюю зону, а оставши-
еся N электронов наполовину заполняют следующую
энергетическую зону. Наличие частично незаполненных
уровней и придает литию металлические свойства, т. е.
делает его проводником. Действительно при наложении
электрического поля на кристалл лития его электроны
могут изменять свою энергию, т. е. переходить на более
высокие энергетические уровни незаполненной зоны. У
гелия же между полностью заполненной нижней зоной
и свободной верхней имеется область запрещенных энер-
гий— запрещенная зона. Энергии, которую может полу-
чить электрон в электрическом поле, недостаточно для
перевода электронов из заполненной зоны в свободную
Поэтому кристалл с заполненными зонами является ди-
электриком, а с незаполненными зонами — проводником.
Что касается следующего элемента — бериллия — и всех
металлов с четным числом электронов на каждый атом,
22
то их металлическую проводимость объясняют взаимным
перекрытием валентной зоны и зоны проводимости. В
таких перекрывающихся зонах получается 4N мест для
электронов и потому уровни получаются заполненными
только частично.
Таким образом, в зависимости*от структуры энерге-
тических зон и степени заполнения их электронами твер-
дое тело может быть проводником электрического тока
или изолятором.
В металлах уровни валентной зоны перекрываются с
уровнями зоны проводимости (рис. 6). Другими словами,
Рис. 6. Схема энергетиче-
ских зон в металлах.
Рис. 7. Схема энергетических зон
в диэлектриках.
в металлах ширина запрещенной зоны равна нулю и ва-
лентные электроны легко могут переходить из одной зо-
ны в другую. Поэтому проводимость металлов очень ве-
лика..
В диэлектриках валентная зона заполнена электро-
нами полностью, а выше расположенная пустая зона про-*
водимости отделена от нее широкой запрещенной зоной
ДЕ (рис. 7). Переход электронов из валентной зоны в
зону проводимости возможен только в случае приложе-
ния высокой энергии. При обычных же условиях этот
23
переход невозможен. Поэтому проводимость диэлектри-
ков практически отсутствует.
В полупроводниках ширина запрещенной зоны &Е
очень мала и для перехода электронов из заполненной
валентной зоны в зону проводимости достаточно неболь-
шой энергии, имеющейся у электронов при комнатной
температуре (рис. 8). Так, для германия ширина запре-
щенной зоны равна 0,75 эв,
Рис. 8. Схема энергетических
зон в полупроводниках.
для кремния она состав-
ляет 1,12 эв1.
Таким образом, с точки
зрения квантовой теории
разделение всех тел на
проводники, полупровод-
ники и диэлектрики явля-
ется совершенно услов-
ным: вся разница между
ними определяется шири-
ной запрещенной зоны.
Если ширина запрещен-
ной зоны равна нулю, то
такое вещество является
проводником. Если шири-
на запрещенной зоны не
превосходит 2—3 эв, то
такое вещество относится
к классу полупроводни-
ков; если же ширина за-
прещенной зоны больше 3 эв, то вещество считается
изолятором. Различие между металлами и полупроводни-
ками особенно сказывается при понижении температу-
ры, тогда как различие между полупроводниками и ди-
электриками с понижением температуры полностью
исчезает.
Итак, электроны могут участвовать в процессе элек-
тропроводности только в том случае, если, кроме заня-
тых энергетических состояний, существуют свободные, на
которые они могут переходить под действием электри-
ческого поля. Если свободных уровней в теле нет, то
электроны не возмущаются полем и совершенно свободно
1 М. С. С о м и н с к и й, Полупроводники, М., Физматгиз, 1961,
стр. 169.
24
со своими тепловыми скоростями движутся внутри кри-
сталлической решетки тела, но это хаотическое движение
не приводит с созданию электрического тока. Эти пред-
ставления коренным образом отличаются от модели свя-
занных электронов в диэлектриках, при помощи которой
классическая теория объясняет отсутствие у них прово-
димости.
Следует заметить, что зонная теория слишком перео-
ценивает, роль кристаллической структуры с дальним
порядком расположения атомов. Целый ряд эксперимен-
тальных фактов показывает, что исчезновение кристал-
лической структуры мало оказывает влияния на вели-
чину электропроводности твердого тела. Обнаружение в
последнее время стеклообразных, аморфных и даже жид-
ких полупроводников указывает на необходимость при-
знать, что'главным фактором, определяющим энергети-
ческое строение твердого тела, является не дальний, а
ближний порядок расположения атомов, который в свою
очередь определяется природой действующих химичес*
ких сил. Строгая же периодичность кристаллической ре-
шетки в основном определяет лишь подвижность носи-
телей тока, а не структуру энергетических зон.
Поэтому зонная теория является по существу прибли-
женной теорией: она не может объяснить электрические
свойства жидких и аморфных тел, проявляющих полу-
проводниковые свойства, а также электрические свойст-
ва большинства полупроводниковых материалов.
Зонная теория не отличается особой наглядностью,
поэтому при объяснении ее основных положений следует
предостеречь учащихся от неправильного понимания
таких важнейших понятий, как энергетический уровень,
энергетическая зона и др. При отсутствии должного
разъяснения этих понятий некоторые учащиеся могут
спутать энергетическую схему кристалла с его прост-
ранственной схемой, утверждая, что заполненная зо-
на— это та часть тела, где есть электроны, а запре-
щенная зона — где они отсутствуют. Учащимся необхо-
димо разъяснить, что нельзя представлять себе твердое
тело, состоящим из энергетических зон, занимающих
какой-то объем, или представлять себе электроны, тер-
риториально расположенными в определенных зонах.
Ничего подобного, конечно, нет. Теория энергетических
зон отражает лишь то обстоятельство, что электроны
25
в твердом теле могут обладать только вполне опреде-
ленной величиной энергии. Само же твердое тело пост-
роено не из зон и уровней, а из материальных частиц —
атомов и молекул. Энергетическая зона не имеет ника-
ких пространственных размеров. Она представляет со-
бой лишь физическое понятие, согласно которому
электроны твердого тела могут обладать энергиями,
заключенными в определенных пределах. Этими преде-
лами являются нижняя и верхняя границы зоны.
Электроны в твердом теле находятся не в зонах, а либо
на орбитах своих атомов, либо в движении от атома к
атому, либо в пространстве между атомами.
Основные свойства полупроводников, механизм соб-
ственной и примесной электрической проводимости
можно достаточно наглядно объяснить также на осно-
ве химической теории электропроводности, получившей
в последнее время значительное признание. Согласно
этой теории электропроводность твердых тел определя-
ется в основном характером химических связей между
атомами вещества. Например, появлению полупровод-
никовых свойств способствует ковалентный тип связи.
С этой точки зрения основной характеристикой полу-
проводника считается не ширина запрещенной зоны,
как это следует из зонной теории, а степень насыщен-
ности химических связей. У металлов эти связи счита-
ются ненасыщенными, а у полупроводников — в значи-
тельной мере насыщенными.
Обе теории взаимосвязаны и не противоречат друг
другу. Так, с точки зрения химической теории состоя-
ния валентных связеобразующих электронов соответст-
вуют состояниям электронов в валентной зоне. Элект-
роны же, снятые со связей, эквивалентны свободным
электронам в зоне проводимости. Разрыв ' валентной
связи между атомами означает переход электрона из
своего обычного состояния, т. е. заполненной валент-
ной зоны в свободную зону проводимости. С точки зре-
ния представлений химической связи ширина запре-
щенной зоны — не что иное, как минимальная энергия,
которую необходимо затратить для разрыва электрон-
ной связи, и т. д. При этом в понятия свободный и свя-
занный электрон вкладывается квантово-механический
смысл. Свободный электрон это такой электрон, кото-
рый может повышать свой энергетический уровень, а
2G
не тот, который свободен от электрических сил ядра ато-
ма. Таких электронов в твердом теле нет.
Изложение физики полупроводников с применением
теории химической связи имеет свои методические пре-
имущества. Во-первых, химическая теория электропро-
водности нагляднее и доступнее для учащихся, так как
вопросы химической связи хорошо знакомы учащимся
из курса химии. Во-вторых, объяснение по этой теории
больше соответствует требованиям новой программы по
физике. Поэтому в методике изложения основных
свойств полупроводников мы используем обе теории.
Различные физические явления в полупроводниках объ-
ясняются сначала с точки зрения теории химической
связи частиц, а затем дополняются зонной теорией.
§ 3.	Изучение технических применений
полупроводников
Изучение основных свойств полупроводников долж-
но доводиться до рассмотрения их практических приме-
нений. Без этого знания учащихся будут носить отвле-
ченный характер и потеряют свою действенность, не
приведут к развитию научно-технического мышления
учащихся.
Как указывалось выше, область современного тех-
нического применения полупроводников необычайно ши-
рока и разнообразна. Совершенно очевидно, что изу-
чить в курсе физики средней школы все многообразие
технических применений полупроводников невозможно.
Поэтому следует отбирать немногие примеры, но такие,
которые тесно связаны с изучаемыми свойствами и ко-
торые наиболее ярко иллюстрируют роль полупроводни-
ков в науке и технике. Такие примеры помогут глубже
осознать изучаемый материал и не создадут перегрузки
учащихся. Главное внимание здесь следует обратить
на роль полупроводников в энергетике, электронике,
автоматике и приборостроении.
О роли полупроводников в энергетике следует гово-
рить в связи с изучением термоэлемента и фотоэлемен-
та, так как с помощью этих приборов решаются задачи
непосредственного превращения внутренней и солнеч-
ной энергии в электрическую без помощи сложных ма-
шин. Полупроводниковые приборы уже сейчас успеш-
27
но заменяют ртутные и механические выпрямители, тер-
мопары, химические источники тока. Солнечные бата-
реи служат надежными источниками питания разнооб-
разной аппаратуры спутников и космических кораблей.
Еще большие перспективы открываются перед полупро-
водниковыми приборами в недалеком будущем. Акаде-
мик М. В. Келдыш, говоря об основных задачах со-
ветской науки в строительстве коммунизма, писал: «На
ближайшее время предусматривается значительное раз-
витие работ по повышению эффективности преобразо-
вателей тепловой энергии в электрическую. Здесь рабо-
ты будут проводиться как по пути повышения к. п. д.
тепловых машин классического типа, так и по пути со-
здания принципиально новых безмашинных генерато-
ров. Успехи в области изучения плазмы, получение но-
вых, полупроводниковых материалов для термоэле-
ментов сделали реальной постановку задачи создания ,
безмашинных термоэлектрических преобразователей с
к.п.д. 50 или даже 60%. Решение этой проблемы приве-
дет к подлинной революции в современной энергетике,
так как сделает ненужными тепловые двигатели, паро-
вые котлы, турбины и другие механические системы,
используемые в настоящее время как промежуточные
преобразователи тепловой энергии в электрическую...
Должны также проводиться исследования по использо-
ванию солнечной энергии» !.
В настоящее время уже достигнуты некоторые прак-
тические результаты по безмашинному преобразованию
атомной энергии в электрическую. В августе 1964 г. в
Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова на-
чалась опытная эксплуатация установки, названной
«Ромашка».
Исключительно важной и перспективной областью
применения полупроводниковых приборов является ра-
диоэлектроника. Она сделала значительный шаг вперед
в связи с изобретением транзистора, способного усили-
вать высокочастотные колебания и генерировать ра-
диоволны, заменяя электронную лампу. Транзисторы и
диоды обладают важными преимуществами в сравне-
нии с электронными лампами. Здесь и существенное
1 М. В. Келдыш, Советская наука и строительство коммуниз-
ма, «Известия», 1961, 13 июня.
28
повышение надежности работы радиоаппаратуры, и
резкое снижение потребляемой мощности и питающего
напряжения, и значительное уменьшение габаритов и
веса радиооборудования, и целый ряд других возмож-
ностей, на которые следует обратить внимание при изу-
чении этих приборов.
Кроме этого, важно подчеркнуть, что полупроводни-
ковые приборы помогают современной радиотехнике
все глубже проникать в область высоких частот элект-
рических колебаний. Освоение коротковолновых диапа-
зонов имеет очень важное значение: оно позволяет пе-
редавать огромные потоки различной информации по
волноводам, концентрировать электромагнитное излу-
чение в узких пучках и уменьшать размеры антенных
систем. Все это открывает новые большие возможности
для радиолокации, радиоуправления и связи на даль-
ние расстояния, вплоть до космических. Для решения
этих задач громадное значение имеет изобретение
квантово-механических генераторов и усилителей света.
Полупроводники за короткий срок сделались эффек-
тивным средством автоматизации, совершенствования
технологических процессов. Они помогают автоматизи-
ровать любой сложный технический процесс и управ-
лять им на расстоянии. Все это объясняется успехами,
достигнутыми в области создания современных полупро-
водниковых приборов, и в еще большей степени их пре-
имуществами в сравнении с существующими прибора-
ми. Поэтому, раскрывая технические применения по-
лупроводников, следует показать их большую роль в
автоматике. Лучше всего это сделать с помощью де-
монстрации простейших автоматических устройств: тер-
мореле, фотореле, реле времени и т. п. С помощью та-
ких простейших демонстрационных установок можно
показать автоматическое регулирование температуры,
освещенности, сигнализацию уровня жидкости или сы-
пучих тел, автоматический счет и сортировку изделий
и т. д., т. е. такие операции, которые в настоящее время
широко автоматизируются. Среди многообразия техни-
ческих применений следует выделить также примеры
применения полупроводников в приборостроении. Осно-
вой такого применения является большая зависимость
электропроводности полупроводников от различного ро-
да внешних воздействий. Поэтому с помощью полупро-
29.
водниковых приборов можно успешно измерять темпе-
ратуру, освещенность, напряженность магнитного поля,
влажность, состав и давление газов, скорость движения
жидкостей и т. д. Очень важно показать в демонстра-
ционных опытах принцип действия таких приборов.
Во время таких демонстраций следует обратить’вни-
мание на значительные преимущества полупроводнико-
вых датчиков: высокую чувствительность, малую инер-
ционность, достаточную прочность, позволяющую при-
менять их в условиях вибраций; полупроводниковые
датчики просты по устройству, потребляют малую мощ-
ность, позволяют производить измерения постоянных и
переменных величин, меняющихся по любому закону в
очень широких пределах.
Раскрывая технические применения полупроводни-
ков, следует обращать внимание и на обратную сторо-
ну этой связи, на роль техники в создании полупровод-
никовых приборов. Эт© можно ярко показать на приме-
ре технических достижений в весьма, тщательной очист-
ке полупроводниковых материалов.
Однако обучение нельзя сводить к многочисленным
примерам и иллюстрациям технических применений,
если даже они тщательно подобраны. Задачи политех-
нического обучения требуют конкретного знакомства
учащихся с устройством и принципом действия важ-
нейших полупроводниковых приборов. Такими прибо-
рами следует считать: термосопротивление, фотосопро-
тивление, термоэлемент (термоэлектрогенератор), фо-
тоэлемент (солнечная батарея), диод, фотодиод, триод
(транзистор) и фототранзистор. С этими приборами
учащиеся должны быть ознакомлены во время демон-
страционных опытов и лабораторных работ.
В процессе изучения полупроводниковых приборов
надо выделять основное, принципиальное, выяснять
прежде всего сущность физических явлений, имеющих
место при работе прибора, искать в приборах черты их
сходства и различия. Обратить внимание на все эти
вопросы полезно при изучении диода, фотодиода, фото-
элемента, триода и фототранзистора. В основе устройст-
ва всех этих приборов лежит электронно-дырочный пе-
реход, а различаются все они лишь конструкцией ис-
полнения. У фотоэлемента, фотодиода, фототранзистора
электронно-дырочный переход доступен для света, а у
30
диода и триода, напротив, он специально затемняется,
иначе эти приборы не могут нормально работать.
При демонстрации технических применений полу-
проводников важно также раскрыть многообразие при-
менений одного и того же прибора. Такой методический
подход к изучаемому материалу способствует правиль-
ному развитию политехнического кругозора и научно-
технического мышления учащихся. При этом следует
помнить, что в решении задач политехнического обуче-
ния главное значение имеет не количество технических
примеров, а их характер и подход к их изучению. Пояс-
ним эту мысль следующим примером. Термосопротив-
ления, как известно, получили разнообразные техниче-
ские применения. Познакомить с ними учащихся не-
легко. Однако все значительно упрощается, если все
технические применения термосопротивлений системати-
зировать по какому-нибудь признаку, например по ве-
личине электрической нагрузки на них. Тогда все мно-
гообразие технических применений термосопротивлений
можно разделить на четыре основные группы.
К первой группе относятся случаи, когда термосо-
противление работает при малых нагрузках. При этом
ток ввиду его малости не вызывает заметного разогре-
ва термосопротивления, и его температура изменяется
вследствие изменения температуры окружающей сре-
ды. В таком режиме работы термосопротивления при-
меняются для измерения и регулирования температур,
а также для температурной компенсации различных
элементов электрических цепей.
Ко второй группе относятся случаи, когда термосо-
противление работает при больших электрических на-
грузках и нагревается проходящим через него током.
Температура окружающей среды в этом случае не ока-
зывает заметного влияния на величину сопротивления
термистора. В таком режиме термосопротивления при-
меняются в качестве автоматических пусковых реоста-
тов, реле времени, предохранителей от перенапряжений
и толчков тока, защиты реле от ложных импульсов, из-
мерителей мощности на УВЧ и т. д.
К третьей группе относятся случаи, когда термосо-
противление так же, как и во второй группе, значитель-
но разогревается проходящим по нему током, но тепло-
вой баланс, а следовательно, и сопротивление опреде-
31
ляются также и влиянием внешней среды. С помощью
термосопротивлений, работающих в таком режиме, осу-
ществляют измерение малых скоростей движения жид-
костей и газов, измерение состава газов и малых давле-
ний, температурный контроль и пожарную сигнализа-
цию, стабилизацию напряжения, сигнализацию измене-
ния уровня жидкости и т. д.
К четвертой, последней группе относятся случаи,
когда термосопротивление имеет температуру выше
температуры окружающей среды за счет косвенного
нагрева. Нагревается термосопротивление током, про-
ходящим по специальной подогревной обмотке, распо-
ложенной вблизи термосопротивления и электрически
изолированной от него. Ток же, проходящий через тер-
мосопротивление, очень мал и не вызывает заметного
дополнительного разогрева. С помощью термосопротив-
лений с косвенным подогревом осуществляют автомати-
ческое регулирование амплитуды генераторов, усили-
телей, измерение мощности низкой .частоты, измерение
малых давлений и анализ газов (более удобны, чем
термосопротивления прямого подогрева), измерение
скорости течения жидкости и газа и т. д.
В связи с таким широким применением термосопро-
тивлений наша промышленность серийно производит
различные виды термосопротивлений, отличающиеся
между собой электрическими параметрами и конструк-
тивным оформлением. Каждый вид термосопротивления
разработан для решения определенных технических
задач.
Из этого примера видно, что предварительная систе-
матизация технических применений значительно облег-
чает их изучение и создает более полное представление
о них. При таком методе изучения нет необходимости
останавливаться на многочисленных, порой случайных,
примерах технического применения полупроводниковых
приборов. Здесь вполне достаточно рассмотреть только
четыре перечисленных выше вида работы термосопро-
тивления, сопровождая каждый из них демонстрацией
конкретного опыта.
Можно рекомендовать следующие опыты: измерение
температуры электрическим термометром сопротивле-
ния, действие автоматического сигнализатора и регуля-
тора температуры, действие термосопротивления пря-
32
мого подогрева, зависимость режима работы термосо-
противления прямого подогрева от среды и действие
термосопротивления с косвенным подогревом.
Все эти опыты можно успешно показать с помощью
одного термосопротивления типа ММТ-4 (см. гл. II, § 1).
Подобным образом рекомендуется отбирать приме-
ры технического применения и других полупроводни-
ковых приборов.
§ 4.	Содержание физического практикума
Успех учебно-воспитательной работы, как известно,
определяется многими факторами, среди которых важ-
ное место занимают самостоятельные работы учащих-
ся, в частности лабораторные работы, выполняемые в
форме повторительных практикумов. Такие работы
являются лучшим средством усвоения знаний: они по-
зволяют повторить, закрепить, углубить знания по фи-
зике, развить и приобрести необходимые практические
умения и навыки и тем самым способствуют подготов-
ке учащихся к практической деятельности.
Очевидно, что развитие практических навыков опре-
деляется в значительной степени тематикой выполня-
емых лабораторных работ. Поэтому в повторительный
практикум должны быть включены такие работы, кото-
рые, с одной стороны, позволяли бы углубить и обоб-
щить важнейшие свойства полупроводников, а с другой
стороны — способствовали бы приобретению необходи-
мых навыков обращения с полупроводниковыми прибо-
рами. К таким умениям и навыкам относятся, напри-
мер, навыки обращения с фотосопротивлением, термо-
сопротивлением, фотоэлементом, диодом и транзистором,
навыки определения основных параметров этих прибо-
ров, навыки включения их в электрическую цепь при
сборке простейших полупроводниковых устройства т. д.
В связи с этим для практикума предлагаются сле-
дующие лабораторные работы.
1.	Снятие температурной характеристики термосопро-
тивления и определение его термического коэффициента
сопротивления.
2.	Сборка фотореле на фотосопротивлении или по-
лупроводниковом фотоэлементе.
2 В. А. Буров
33
3.	Снятие вольт-амперной характеристики полупро-
водникового диода.
4.	Изучение полупроводникового триода (транзисто-
ра) и определение его коэффициента усиления.
5.	Сборка простейших радиоприемников на полупро-
водниковых приборах.
Первые три работы включены в программу по физи-
ке для средней школы. Две последние работы вводятся в
связи с изучением полупроводникового триода.
Во время выполнения первой работы учащиеся зна-
комятся с устройством термосопротивления, снимают
его температурную характеристику и по результатам
измерений рассчитывают термический коэффициент со-
противления. Кроме того, в этой работе учащиеся раз-
вивают навыки измерения температуры и сопротив-
ления.
В процессе выполнения второй работы учащиеся зна-
комятся с двумя полупроводниковыми приборами —
фотосопротивлением и фотоэлементом. Рассматривают
их устройство, принцип действия и применение в фото-
реле. С фотореле производят некоторые опыты. Выпол-
нение этой работы помогает учащимся глубже понять
работу фотоэлектронных автоматических устройств.
В третьей работе учащиеся снимают вольт-ампер-
ную характеристику диода и совершенствуют некото-
рые измерительные навыки. К ним относятся навыки
измерения токов, напряжений, сопротивлений, навыки об-
ращения с более точными измерителями (миллиампер-
метр, вольтметр), с потенциометром, а также навыки по-
строения графиков.
В четвертой работе учащиеся получают практиче-
ские навыки обращения с транзистором, знакомятся со
схемами и правилами включения его в электрическую
цепь, определяют два основных параметра транзистора,
коэффициент усиления по току в схеме с общим эмитте-
ром и величину обратного тока коллектора; наконец,
снимают выходную характеристику.
В последней работе учащиеся развивают и совер-
шенствуют ряд ценных практических навыков по радио-
монтажу простейших радиоприемников на полупровод-
никовых приборах. Вопросы радиоприема всегда вызы-
вают повышенный интерес со стороны учащихся. По-
этому выполнение этой работы в значительной мере по-
34
может изучению учебного материала и будет способ-
ствовать лучшему его усвоению.
Постановка последних работ приобретает особенно
важное значение в связи с тем, что в настоящее время
полупроводниковые триоды все больше вытесняют
электронные лампы и получают распространение в раз-
личной радиоаппаратуре и электронных устройствах.
Подробное описание всех работ и оборудования для
них дано в книге: А. А. Покровский и др., Практи-
кум по физике в старших классах средней школы, изд. 4,
Учпедгиз, М., 1963.
2*
Г Л AB A IL
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДЕМОНСТРА-
ЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
§ 1. Комплект полупроводниковых приборов
Основное оборудование представляет собой тща-
тельно подобранный комплект полупроводниковых при-
боров (рис. 9), в состав которого входят: термосопро-
тивление 1, фотосопротивление 2, термоэлемент 5, фото-
элемент 4, два диода 5 и транзистор 6.
Каждый полупроводниковый прибор укреплен на
изолирующей панели размером 10X15 (ent). К панели
прикреплен металлический стержень, с помощью кото-
рого прибор устанавливается на подставке.
з
5	6
Рис. 9. Комплект полупроводниковых приборов.
36
Ниже дано краткое описание каждого прибора в
отдельности.
1.	Термосопротивление типа ММТ-4 (рис. 10) по
своим конструктивным особенностям и электрическим
параметрам оказалось наиболее подходящим для де-
монстрации зависимости сопротивления полупроводни-
ков от температуры и технического применения этого
явления. Величина холодного сопротивления термисто-
ра выбрана 10 ком. Это обеспечивает малую величину
начального тока в цепи с термосопротивлением при на-
пряжении 4—5 в, что необходимо для демонстрации
некоторых опытов. Максимальная рабочая температу-
ра термосопротивления 120°С; температурный коэффи-
циент сопротивления — минус 2,4% на 1°С; допустимая
мощность рассеивания — 0,4 вт.
Термосопротивление укреплено в стороне от мон-
тажной панели.
Рис. 10. Термосопротивление ММТ-4:
Слева — со снятым электрическим нагревателем;
рправа — с надетым нагревателем,
37
Такая конструкция позволяет во время некоторых
опытов свободно погружать его в жидкость.
Нагревание термосопротивления может производить-
ся или обычной лабораторной спиртовкой, или с помощью
специального электрического нагревателя, выполненно-
Рис. 11. Фотосопро-
тивление ФС-К1.
го в виде проволочной спирали со-
противлением 8 ом, Нагреватель
смонтирован на съемной части пане-
ли, которая крепится к основной па-
нели с помощью двух металлических
пластинок с вилками и зажимных
винтов. При этом термосопротивле-
ние оказывается внутри спирали на-
гревателя (рис. 10). Для электри-
ческого нагревателя применяется ис-
точник постоянного тока напряже-
нием около 5 в.
В некоторых опытах разогрев
термосопротивления производится
электрическим током 5—6 ма, про-
ходящим непосредственно через тер-
мосопротивление. В таких случаях
применяется источник постоянного
или переменного тока напряжением
около 50 в (берется от школьного
распределительного щита).
При больших электрических на-
грузках термосопротивление вклю-
чается в цепь через дополнительное
сопротивление в 1 ком, которое присоединено на обратной
стороне панели к правому крайнему и среднему зажи-
мам.. Это сопротивление служит ограничителем тока,
быстро возрастающего по мере разогрева термосопро-
тивления.
2.	Фотосопротивление типа ФС-К1 (рис. 11) имеет
высокую удельную чувствительность в видимой части
спектра (до 3000 мка!лм-в) и благодаря этому позво-
ляет удачно демонстрировать зависимость сопротивле-
ния полупроводников от освещенности и практические
применения этого явления в фотоэлектронной автома-
тике. Это фотосопротивление удобно в эксплуатации,
так как оно не боится мощных световых потоков. Мак-
симальная чувствительность фотосопротивлёния опре-
38
на фотосопро-
Рис. 12. Термоэле-
мент полупровод-
никовый.
деляется произведением удельной чувствительности на
предельно допустимое рабочее напряжение, которое у
данного фотосопротивления равно 400 в.
Зависимость тока, протекающего через фотосопро-
тивление, от.его освещенности нелинейная. При увеличе-
нии освещенности фототок приближается к насыщению
и тем быстрее, чем меньше напряжение
гивлении. Поэтому для увеличения- фо-
тотока выгоднее увеличивать не осве-
щенность фотосопротивления, а пода-
ваемое на него напряжение. Для боль-
шинства опытов достаточно иметь на-
пряжение около 4 в. Фотосопротивле-
ние ФС-К1 обладает заметной инер-
ционностью, но для демонстрации
школьных опытов этот недостаток не
имеет существенного значения.
3.	Термоэлемент (рис. 12) служит
для демонстрации видов проводимости
примесных полупроводников и термо-
электрических явлений, возникающих
в электронно-дырочном переходе.
В термоэлементе применены полу-
проводники от охлажадающих полу-
проводниковых устройств размером
1,5Х 1X0,8 (ел): Полупроводник с
электронной проводимостью представ-
ляет собой тройной металлический сплав висмута, теллу-
ра и селена, а полупроводник с дырочной проводимо-
стью —сплав висмута, теллура и сурьмы. П-образное рас-
положение полупроводников термоэлемента оказалось
наиболее удобным для нагревания верхнего спая. Нагре-
вание производят слегка теплым электрическим паяль-
ником или с помощью спиртовки. В последнем случае тер-
моэлемент укрепляют на подставке горизонтально. Пла-
мя подносят сбоку; оно должно только слегка касать-
ся медной пластины, соединяющей горячие концы бру-
сочков.
Во всех случаях нагревать надо быстро и осторож-
но, чтобы не расплавить олово, которым произведена
пайка термоэлемента, и не прогреть холодные концы
брусочков, соединенные с медными пластинами — ра-
диаторами,
39
Индикатором тока в опытах с термоэлементом сле-
дует брать школьный демонстрационный гальванометр
от вольтметра. Сопротивление этого гальванометра ма-
ло, и оно лучше согласуется с малым внутренним сопро-
Рис. 13. Фотоэле-
мент селеновый
АФИ-20.
тивлением термоэлемента.
При температуре горячего спая око-
ло 100°С, а холодного +20°С термоэле-
мент развивает напряжение в 18—
20 мв, что вполне достаточно для от-,
клонения стрелки указанного выше
гальванометра на полную шкалу. На-
пряжение снимается с крайних зажи-
мов термоэлемента. Средний зажим
соединен с верхней медной пластиной,
что позволяет включать каждый полу-
проводник в цепь отдельно. Электро-
движущая сила термоэлемента зависит
линейно от температуры горячего спая.
4.	Фотоэлемент селеновый типа
АФИ-20 (рис. 13) служит для демон-
страции фотоэдс, возникающий при
освещении электронно-дырочного пере-
хода. СеленоЪые фотоэлементы надеж-
ны в эксплуатации, обладают сравни-
тельно высокой интегральной чувстви-
тельностью (400 мка/лм), имеют почти
одинаковую с глазом спектральную чувствительность. Эти
характеристики определили выбор фотоэлемента.
При работе с фотоэлементом следует помнить, что
наибольшую мощность фотоэлемент развивает при ра-
венстве внутреннего и внешнего сопротивлений. Поэто-
му в качестве индикатора тока следует брать демон-
страционный гальванометр от амперметра, так как его
внутреннее сопротивление лучше согласуется с внутрен-
ним сопротивлением фотоэлемента.
В некоторых опытах на фотоэлемент подают внеш-
нее напряжение. Оно не должно быть выше 0,2 в.
5.	Диоды германиевые, плоскостные, ' типа Д7Ж
(рис 14).
Они служат для демонстрации односторонней прово-
димости электронно-дырочного перехода и практическое
го применения этого свойства для однополупериодного
и двухполупериодного выпрямления переменного тока.
40
Диоды типа Д7Ж по своим электрическим парамет-
рам оказались вполне подходящими для демонстра-
ционных опытов в школе. Они выдерживают обратное
напряжение до 400 в и благодаря этому надежны в
эксплуатации.
Рис. 14. Диоды гер-
маниевые Д7Ж-
Рис. 15. Транзистор
германиевый П14.
При демонстрации опытов с диодами следует иметь
в виду, что в проходном направлении'они обладают не-
большим внутренним сопротивлением. Поэтому при на-
пряжении в несколько десятых долей вольта в диоде
может возникнуть предельный для него ток, равный
300 ма.
6.	Транзистор германиевый, плоскостной, типа П14
(рис. 15); он служит для демонстрации усиления, детек-
тирования и генерирования электрических колебаний.
Транзистор смонтирован на фоне схематического изоб-
ражения. Выводы от базы, эмиттера и коллектора под-
ведены к зажимам, которые на панели обозначены соот-
ветственно буквами Б, Э, К. Транзистор имеет сле-
дующие электрические и эксплуатационные данные:
41
Рис. 16. Комплект полупро-
водниковых приборов
в ящике.
вых приборов хранится
коэффициент усиления по току
в схеме с общим эмиттером —
50; граничная частота усиле-
ния по току—1,0 Мгц; сопро-
тивление базы — не более
300 ом; напряжение на коллек-
торе— минус 5 в; ток коллек-
тора—10 ма; обратный ток
коллекторного перехода — не
более 15 мка; ток эмиттера —
10 ма; обратный ток эмиттерно-
го перехода — не более 15 мка;
допустимая мощность, рассеи-
ваемая на коллекторе, —
150 мет.
Комплект полупроводнико-
в деревянном ящике (рис. 16).
С комплектом полупроводниковых приборов можно
показать следующие демонстрационные опыты.
Опыты, раскрывающие основные свойства
полупроводников
*	1) Зависимость сопротивления полупроводников от
температуры.
*	2) Зависимость сопротивления полупроводников от
освещенности.
*	3) Электронная и дырочная проводимость полупровод-
ников.
*	4) Односторонняя проводимость электронно-дырочно-
го перехода.
*	5) Термоэлектрическое свойство электронно-дырочного
перехода.
*	6) Охлаждение и нагревание электронно-дырочного
перехода электрическим током.
*	7) Наличие электронно-дырочного перехода у фото-
элемента.
*	8) Фотоэлектрическое свойство электронно-дырочно-
го перехода.
*	9) Принцип действия фотодиода.
*	10) Наличие электронно-дырочных переходов у тран-
зистора.
*	11) Усиление постоянного тока транзистором.
*	12) Усиление переменного тока транзистором.
42
*	13) Детектирование электрических колебаний транзи-
стором.
*	14) Получение незатухающих электрических колебаний
с помощью транзистора.
Опыты, раскрывающие технические применения
термосопротивлений
*	15) Принцип действия электрического термометра со-
противления.
♦	16) Принцип действия автоматического сигнализатора
и регулятора температуры.
17) Принцип действия теплопеленгатора.
*18) Действие термосопротивления прямого подогрева.
19) Принцип действия автоматического-пускового реос-
J тата.
20) Реле времени с термосопротивлением прямого по-
догрева.
*21) Зависимость режима работы термосопротивления
прямого подогрева от среды.
22)	Принцип действия полупроводникового вакуум-
метра.
23)	Принцип действия сигнализатора уровня жидкости’
*24) Действие термосопротиЬления с косвенным подогре-
вом.
25) Принцип действия анемометра.
26) Реле времени на термосопротивлении с косвенным
подогревом.
Опыты, раскрывающие технические применения фотосо*
противлений и фотоэлементов
*27) Действие фотореле на фотосопротивлении.
28) Принцип действия фотоэлектронного устройства
охраны.
29) Автоматическая сигнализация на освещение.
30) Автоматическое управление на расстоянии с по-
мощью пучка света.
31) Автоматическое включение и выключение источни-
ка света.
32) Автоматическая сйгнализация о степени прозрач*
ности жидкости или газа.
*33) Автоматическая сигнализация об изменении уровня
жидкости или сыпучего тела.
43
34) Автоматическая сигнализация о качестве обработки
поверхности.
*35) Автоматический счет деталей.
*36) Автоматическая сортировка деталей.
37) Автоматическое включение освещения с наступле-
нием темноты.
Опыты, раскрывающие технические применения диодов
и транзисторов
*38) Выпрямление переменного тока.
39) Термореле с усилителем постоянного тока.
40) Фотореле с усилителем постоянного тока.
*41) Бесконтактное полупроводниковое реле.
42)	Реле времени на транзисторе.
43)	Стабилизатор тока на транзисторе.
*44) Преобразование сигналов изменения температуры
и освещенности в электрические колебания.
*45) Принцип радиотелеметрии.
Приведенный выше список демонстрационных опытов
показывает большие методические возможности разра-
ботанного оборудования. Количество опытов значитель-
но превышает потребности программы по физике, но в
то же время позволяет учителю сделать необходимый
выбор в объеме школьного курса физики. Опыты, кото-
рые, с нашей точки зрения, следует показать на уроках,
отмечены в списке звездочками. Некоторые опыты мож-
но демонстрировать также на внеклассных занятиях по
изучению полупроводников.
Описание всех опытов содержится в книге: А. А. По-
кровский и др., Физический эксперимент в средней
школе (электроника, полупроводники, автоматика), изд.
«Просвещение», 1964<
§ 2.	Комплект стенных таблиц по полупроводникам
В состав комплекта входят следующие таблицы.
1)	Схема электронных связей между атомами герма-
ния (см. рис. 39).
2)	Виды проводимости германия (см. рис. 40).
3)	Схема движения электронов и дырок (см. рис. 41).
4)	Термосопротивление (см. рис. 17).
5)	Фотосопротивление (см. рис. 30).
44
6)	Диод (см. рис. 51).
7)	Фотоэлемент (см. рис. 65),
8)	Термоэлемент (см. рис. 59)«
9)	Транзистор (см. рис. 69).
10)	Электронно-дырочный переход (см. рис. 50).
11)	Принцип действия диода (см. рис. 54).
12)	Принцип действия транзистора (схема с общей
базой) (см. рис. 78).
13)	Принцип действия транзистора (схема с общим
эмиттером) (см. рис. 77).
Комплект стенных таблиц служит главным образом
иллюстративным материалом к рассказу учителя при из-
ложении электрических свойств полупроводников. Он
позволяет раскрыть необходимые подробности устройст-
ва полупроводниковых приборов и нагляднее иллюстри-
ровать физические явления в полупроводниках.
Содержание таблиц тесно связано с демонстрацион-
ным комплектом полупроводниковых приборов, с по-
мощью которого показываются основные свойства полу-
проводников и их технические применения. Эта связь со-
стоит в том, что на стенных таблицах изображено уст-
ройство тех же полупроводниковых приборов, которые
входят в демонстрационный комплект. Комплект таблиц
условно можно разделить на три группы.
Таблицы 1—3 составляют первую группу комплекта.
На этих таблицах изображены схемы внутреннего строе-
ния полупроводников и некоторые их основные свойства:
дается пространственное и плоскостное изображение
кристаллической решетки германия, картина электрон-
ных связей между его атомами, механизм образования
видов проводимости (собственной и примесной). Нако-
нец, разъясняется природа электропроводности: показы-
вается картина движения в электрическом поле электро-
нов и дырок.
Таблицы 4—9 составляют вторую группу комплекта.
На этих таблицах крупным планом изображено в аксо-
нометрической проекции устройство полупроводниковых
приборов, которые входят в демонстрационный ком-
плект. Основные детали приборов обозначены цифрами.
Вместе с устройством приборов на таблицах даны их
условные обозначения и основные характеристики, вы-
полненные в виде графиков. Все графики снабжены
крупной координатной сеткой. Это позволяет применять
45
таблицы на уроках при решении различных графических
задач.
Кроме основных приборов, на таблицах этой группы,
как бы вторым планом, дано изображение внешнего ви-
да разнообразных полупроводниковых приборов, полу-
чивших широкое практическое применение. Например,
на таблицей показан внешний вид пяти основных типов
термосопротивлений, выпускаемых нашей промышленно-
стью. Все термосопротивления отличаются конструктив-
ным оформлением и разнообразием электрических пара-
метров, так как каждый из них предназначен для реше-
ния конкретных технических задач.
Термосопротивления ММТ-1, ММТ-4 предназначены
для работы в качестве термометров сопротивления при
измерении и регулировании температур; термосопротив-
ления ММТ-8, ММТ-9 применяются для температурной
компенсации различных элементов электрической цепи;
термосопротивления КМТ-10 служат для теплового конт-
роля; термосопротивления Т8Д применяются для изме-
рения мощности токов высокой частоты; термосопротив-
ления с косвенным подогревом ТКП применяются в ка-
честве регулируемых бесконтактных сопротивлений в
различных устройствах слабого тока.
Подобное построение имеют и другие таблицы этой
группы, за исключением таблиц 7 и 8, на которых допол-
нительно даны схемы действия полупроводниковых при-
боров, а на таблице 7 не показан внешний вид различ-
ных фотоэлементов.
Таблицы 10—13 составляют третью группу комплек-
та. Эти таблицы раскрывают принцип действия двух по-
лупроводниковых приборов: диода и транзистора. Здесь
более подробно рассматриваются физические явления в
электронно-дырочном переходе, который изображен в
трех различных состояниях: при отсутствии внешнего
электрического поля и при действии поля различной по-
лярности. Таблицы этой группы также содержат графи-
ки, но они вычерчены без координатных сеток и не со-
держат числовых значений на координатных осях. Эти
графики разъясняют лишь принципиальную картину из-
менения различных физических величин, характеризую-
щих электронно-дырочный переход. Например, на одной
только таблице 10 изображено пять таких графиков, ко-
торые дают наглядное представление о равновесном рас-
46
пределении свободных электронов, дырок, плотности
объемного заряда, электрического потенциала и напря-
женности электрического поля в электронно-дырочнохм
переходе при отсутствии внешнего напряжения. Полу-
проводники, образующие электронно-дырочный переход,
а также графики этой таблицы для большей наглядности
окрашены.
Во всех таблицах комплекта дана расшифровка при-
нятых условных обозначений (электронов, дырок и др.).
Методика применения таблиц на уроках физики под-
робно раскрывается в главе IIL
ГЛАВ АШ.
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПО-
ЛУПРОВОДНИКОВ И НЕКОТОРЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
§ 1. Понятие о полупроводниках
Приступая к изучению полупроводников, необходимо
в кратком введении отметить, что полупроводники пред-
ставляют более обширную группу веществ, чем провод-
ники и диэлектрики вместе взятые. Полупроводниками
являются большинство минералов и руд, многие окислы
и сплавы металлов, сернистые, теллуристые, селенистые
соединения металлов и т. д. Кроме того, двенадцать хи-
мических элементов в чистом виде обнаруживают полу-
проводниковые свойства. К числу таких элементов отно-
сятся: германий, кремний, селен, сера, мышьяк, сурьма,
теллур, бор, углерод, фосфор, олово и иод.
Некоторые вещества, обнаруживающие полупровод-
ник9вые свойства, следует показать, воспользовавшись
для этого коллекцией минералов химического кабинета.
Важнейшими материалами современной полупроводни-
ковой техники являются германий, кремний, селен и за-
кись меди. Свойства этих полупроводников изучены луч-
ше других.
Долгое время к полупроводникам относили только
кристаллические тела. Однако совсем недавно полупро-
водниковые свойства были обнаружены и у аморфных
тел. К последним принадлежат расплавы твердых тел
и переохлажденные жидкости, перешедшие в стекловид-
ное состояние, как, например, твердый аморфный селен.
Кроме того, полупроводниками оказались также не-
которые органические вещества, например полимеры.
48
Все это говорит о том, что' полупроводниковые свой-
ства не связаны со строгой периодичностью структуры
кристаллов и что решающим здесь является не «даль-
ний», а «ближний» порядок в расположении атомов, т. е.
химические связи атома с ближайшими его соседями.
Раньше, когда полупроводники были мало изучены,
к ним относили вообще все тела с малой, но заметной
электропроводностью, независимо от природы носителей
тока. Полупроводники и сейчас определяют часто как
вещества, электрическая проводимость которых занимает
промежуточное значение между проводимостью изоля-
торов и металлов. Это определение удобно в качестве
исходного,, но оно еще не дает полного представления о
веществах, которые в настоящее время считают полу-
проводниками. Действительно большинство полупровод-
ников характеризуется промежуточными значениями
электропроводности. Однако некоторые полупроводники
проводят электрический ток так же хорошо, как и метал-
лы. Такими полупроводниками, например, являются ме-
таллические сплавы. С другой стороны, известны веще-
ства с промежуточным значением проводимости, которые
не считаются полупроводниками. К ним относятся ион-
ные проводники электрического тока, например раство-
ры электролитов.
Полупроводники с ионной проводимостью для техни-
ческих целей непригодны, так как в процессе прохожде-
ния через них электрического тока происходит постепен-
ное их химическое разрушение.
Поэтому в настоящее время под полупроводниками
понимают такие неметаллические вещества, у которых
электрическая проводимость осуществляется только дви-
жением электронов. Прохождение электрического тока
в полупроводниках не -сопровождается их химическими
изменениями. Это обеспечивает полупроводниковым при-
борам стабильность в работе и большой срок службы.
§ 2. Зависимость электропроводности полупроводников
от температуры
Резкая зависимость сопротивления полупроводников
от температуры является наиболее общим свойством всех
полупроводников. Поэтому это свойство следует рассмот-
реть в самом начале.
49
Рис. 17. Стенная таблица «Термосопротивление».
а — условное обозначение на схемах; б — температурная характеристика
термосопротивления ММТ 4; в — вольт амперная характеристика термосо-
противления ММТ-4; г — конструкция термосопротивления ММТ-4; д — внеш-
ний вид некоторых типов термосопротивлений.
Указанную зависимость удобно демонстрировать с по-
мощью полупроводникового термосопротивления типа
ММТ-4, входящего в комплект полупроводниковых при-
боров (см. гл. II, § 1).
50
Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с
устройством термосопротивления ММТ-4 по стенной таб-
лице «Термосопротивление» (рис. 17), где оно изображе-
но крупным планом в разрезе. Буквы «ММ» обозначают
полупроводниковый материал, из которого сделано тер-
мосопротивление (окислы марганца и меди); буква «Т» —
термосопротивление; цифра «4» — условное обозначение
конструктивного оформления.
Термосопротивление имеет форму цилиндрического
стержня 1 длиной 12 мм и диаметром 2 мм. На концы
Рис. 18. Установка для демонстрации действия термо-
сопротивления.
стержня надеты контактные колпачки 2 с выводами из
медной проволоки 3. Поверхность стержня покрыта сло-
ем эмалевой краски и обернута металлической фольгой 4,
которая улучшает теплообмен между термосопротивле-
нием и окружающей средой. Один вывод термосопротив-
ления припаян оловом 5 к дну металлического корпуса 6,
а другой проходит в трубочке, вваренной в стеклянный,
изолятор 7. Герметизация термосопротивления обеспечи-
вает устойчивую работу его в условиях повышенной
влажности и непосредственно в жидкостях.
После рассмотрения таблицы собирают перед уча-
щимися установку, показанную на рисунке 18. Термосо-
противление укрепляют на подставке в горизонтальном
положении и включают в электрическую цепь последо-
вательно с демонстрационным гальванометром, батареей
аккумуляторов напряжением около 4 в и однополюсным
рубильником.
При замыкании цепи гальванометр отмечает неболь-
шой начальный ток: стрелка гальванометра отклоняется
51
примерно на два деления шкалы 0—10. Величина этого
тока в соответствии с законом Ома определяется напря-
жением источника тока и начальным (холодным) сопро-
тивлением термистора, т. е. его сопротивлением при ком-
натной температуре.
После этого термосопротивление медленно нагревают
над пламенем спиртовки (пламя не должно касаться при-
бора) и наблюдают постепенное увеличение тока в цепи.
Когда стрелка гальванометра будет подходить к послед-
ним делениям шкалы, нагревание прекращают.
Далее показывают обратный процесс — охлаждение
термосопротивления: его снимают со штатива и погру-
жают в стакан со снегом или холодной'водой. Стрелка
гальванометра быстро перемещается в обратную сторону
и через некоторое время останавливается у нуля шкалы.
Проделанный опыт прежде всего позволяет сделать
вывод, что сопротивление полупроводников с повыше-
нием температуры уменьшается и, наоборот, с пониже-
нием температуры увеличивается.
Этот вывод учащиеся делают сами. Задача учителя
здесь состоит в более глубоком толковании опыта, кото-
рый позволяет вскрыть главную причину образования
проводимости полупроводников.
Учащимся известно, что величина проводимости ве-
щества определяется концентрацией свободных носите-
лей тока (ионов, электронов). Следовательно, проделан-
ный опыт дает основание сделать вывод, что концентра-
ция электронов проводимости с повышением температуры
возрастает, а с понижением температуры уменьшается.
Зависимость концентрации электронов проводимости п
от температуры может быть выражена следующей фор-
мулой:
в
п = Ае т >
где А и В — коэффициенты, зависящие от вида полупро-
водника, а Т — абсолютная температура.
Для уточнения этого вопроса внимание учащихся сно-
ва возвращают к таблице «Термосопротивление» и рас-
сматривают график температурной зависимости ^рпро-
тивления. Этот график показывает, .что сопротивление
полупроводников резко уменьшается с повышением тем-
пературы, причем температурная чувствительность на
52
разных участках температуры неодинакова. Проводи-
мость полупроводников при высоких температурах при-
ближается по величине к проводимости металлов, а при
низких температурах полупроводники фактически стано-
вятся изоляторами.
Учащимся известно также, что в металлах с повыше-
нием температуры увеличивается тепловое движение ато-
мов кристаллической решетки. Концентрация же свобод-
ных электронов от температуры не зависит. Тепловое
движение атомов уменьшает лишь «просветы» в кристал-
лической решетке металла и затрудняет направленное
движение электронов, что приводит к увеличению сопро-
тивления металла. Это явление существует и в полупро-
водниках, но его влияние очень мало по сравнению с эф-
фектом увеличения концентрации свободных электронов.
Сделанный вывод позволяет уточнить понятие о по-
лупроводнике. Вначале было отмечено, что полупровод-
ники отличаются от металлов тем, что в первых зна-
чительно меньше свободных электронов. Отсюда и про-
водимость полупроводников в миллионы раз меньше
проводимости металлов и примерно в такое же число раз
больше проводимости изоляторов. Однако это различие
не является существенным. Полупроводники отличаются
от металлов не величиной электропроводности, а иной
зависимостью ее от температуры. Учащимся известно,
что металлы при охлаждении остаются не только провод-
никами, но переходят в сверхпроводники в результате
явления сверхпроводимости. Полупроводники же, наобо-
рот, при охлаждении приближаются к изоляторам. Это
указывает на то, что тепловое движение не является при-
чиной, вызывающей электропроводность металлов; оно
создает только препятствие движению электронов, тогда
как электроны проводимости в полупроводниках появ-
ляются 'В результате теплового движения.
Таким образом, тепловое движение является главной
причиной возникновения электропроводности полупро-
водников. Этот вывод имеет глубокое, принципиальное
значение.
Далее следует обратить внимание на следующую
важную деталь. Для разных полупроводников энергия,
необходимая для образования электронов проводимости,
лежит в пределах от 0,1 до 1,5 эв. Между тем средняя
кинетическая энергия атома при комнатной температуре
53
не превышает 0, 04 эв. Выходит, будто энергии теплового
движения недостаточно для образования свободных элек-
тронов. Это противоречие объясняют статистическим ха-
рактером теплового движения, при котором всегда суще-
ствуют флуктуации, т. е. отклонения от равномерного
распределения среднего значения. Эти флуктуации, су-
ществующие при любой температуре, обусловливают су-
ществование некоторого числа атомов с энергией, доста-
точной для образования электронов проводимости.
Следует заметить также, что наряду с возникновением
электронов проводимости в полупроводнике происходит
и обратный процесс — их рекомбинация, т. е. воссоеди-
нение с ионами решетки полупроводника. Вследствие
этих процессов возникает динамическое равновесие ме-
жду числом появляющихся электронов проводимости и
числом электронов, примкнувших к ионам решетки, по-
этому при неизменной температуре полупроводника чи-
сло электронов проводимости остается постоянным. При
повышении температуры число свободных электронов
вначале резко увеличивается, но при новой неизменной
температуре опять остается постоянным, вследствие на-
ступления подвижного равновесия.
Проводя сравнение полупроводников с металлами,
следует отметить и различие условий, в которых нахо-
дятся электроны проводимости этих тел. В металлах чи-
сло свободных электронов велико, поэтому взаимодей-
ствие между ними значительное. В полупроводниках же
число электронов проводимости в миллионы раз меньше,
расстояние между ними большое, и потому сила взаимо-
действия мала. А это позволяет с достаточным прибли-
жением считать, что движение электронов проводимости
подобно движению молекул газа.
За время своего существования каждый электрон, ис-
пытывая многочисленные столкновения и двигаясь по
ломаной линии, успевает переместиться среди атомов
полупроводника на какое-то расстояние от места своего
возникновения. Это расстояние, измеряемое по прямой
линии, называют длиной диффузионного смещения элек-
трона. Среднюю величину численного значения всех длин
диффузионного смещения электронов проводимости на-’
зывают длиной диффузионного смещения носителей тока
в полупроводнике. В большинстве полупроводников эта
величина не превышает тысячных долей сантиметра. Ее
54
численное значение играет важную роль в работе некото-
рых полупроводниковых приборов (фотоэлемента, тран-
зистора и др.).
Следует отметить также сходство полупроводников с
электролитами. Это сходство заключается в том, что но-
сители тока в обоих случаях (электроны у полупроводни-
ков и ионы у электролитов) возникают в результате теп-
лового движения. Поэтому у полупроводников и электро-
литов наблюдается одинаковая зависимость электропро-
водности от температуры. В обоих случаях имеет место
явление рекомбинации носителей тока. Различаются эти
два класса тел физической природой носителей тока и их
подвижностью.
ПолупроводникиЧтмеют сходство и с газами. В полу-
проводниках, находящихся в сильных полях, так же, как
и в газах, наблюдается отступление от закона Ома. Это
объясняется дополнительным увеличением носителей то-
ка за счет ударной ионизации. Под действием ударной
ионизации в полупроводнике так же, как и в газе, может
возникнуть лавинообразный процесс, который приводит
его к пробою.
В этом случае процесс возбуждения носителей тока
превышает процесс рекомбинации. Механизм ударной
ионизации сближает полупроводники с газами. Различие
здесь состоит в природе носителей тока и их подвиж-
ности.
Таким образом, несмотря на существенные различия,
сходство между полупроводниками, металлами, электро-
литами и газами настолько велико, что сопоставление
этих свойств содействует пониманию механизма изуча-
емых явлений. Явления диссоциации и рекомбинации но-
сителей тока сближают полупроводники с электролитами
и газами, а явление рассеяния и диффузии электронов
в полупроводниках не отличается от поведения электро-
нов в металлах. Но во многих отношениях картина дви-
жения носителей тока в металлах, электролитах и газах
нагляднее и проще, чем в полупроводниках.
Далее отмечают, что большая зависимость сопротив-
ления полупроводников от температуры положена в ос-
нову устройства полупроводниковых термосопротивлений
(термисторов), широко применяемых для измерения тем-
пературы, сигнализации и автоматического регулирова-
ния. Материалами для изготовления термосопротивлений
55
служат окисли различных металлов: меди, марганца,
цинка, кобальта, титана, никеля и др.
Промышленность выпускает различные типы термосо-
противлений с разнообразными электрическими харак-
теристиками и конструкцией исполнения. Каждый тип
создан для решения конкретных технических задач.
В зависимости ог формы различают цилиндрические,
шайбовые, дисковые, бусинковые и др. термосопротив-
ления. Для предохранения от внешних влияний
термосопротивления покрывают лаком или герметизиру-
ют в стеклянных и металлических баллончиках. С внеш-
ним видом различных термосопротивлений и их назна-
чением учащихся знакомят по стенной таблице «Термо-
сопротивление» (см. рис. 17). На таблице показан
внешний вид пяти основных типов термосопротивлений,
выпускаемых серийно промышленностью: термометры
сопротивления (ММТ-1; ММТ-4), термокомпенсаторы
(ММТ-8; ММТ-9), термосопротивления для теплового
контроля (КМТ-10), измерители мощности (Т8Д) и тер-
мосопротивления с косвенным подогревом (ТКП).
С методической точки зрения, очень важно показать
сразу же практические применения термосопротивлений.
Здесь учителю представляется большая возможность вы-
бора демонстраций, поскольку применения термосопро-
тивлений очень разнообразны. Принимая во внимание
замечания, высказанные в главе I, § 3, можно показать
следующие простые опыты, в которых термосопротивле-
ние работает при малых и больших электрических на-
грузках.
Опыт 1.
Измерение температуры электрическим термометром
сопротивления
Перед демонстрацией опыта учащихся кратко знако-
мят с устройством и принципом действия электрического
термометра.
Термометр состоит из 3 частей (рис. 19): датчика тем-
пературы, измерительного моста и школьного демонстра-
ционного гальванометра. Датчиком температуры служит
полупроводниковое термосопротивление типа ММТ-4,
включенное в измерительный мост по схеме, показанной
на рисунке 20 (схему вычерчивают на классной доске).
56
Рис. 19. Электрический термометр сопротивления.
Рис. 20. Схема электрического термометра
сопротивления.
Термосопротивление укреплено на конце трубки из
изоляционного материала, а выводы его соединены с
гибкими проводами, которые проходят внутри трубки и
заканчиваются наконечниками под винтовые зажимы.
Измерительный мост смонтирован в алюминиевом
корпусе со съемным дном.
На верхнюю крышку корпуса выведены: зажимы /G,
К2 (для включения датчика), К3 и Ка (для включения
демонстрационного гальванометра), ручка потенциомет-
ра /?4 и выключатель источника питания Вк.
Источник питания (две бдтареи для карманного фо-
наря, соединенные последовательно) находится вместе
с остальными деталями моста внутри корпуса и отделен
от них перегородкой. Зажимы и К6, расположенные
на боковой стенке корпуса, служат для питания прибо-
ра от. внешнего источника тока.
Мост сбалансирован при температуре 0°С с помощью
переменного сопротивления /?4. При температуре датчи-
ка, отличной от 0°С, баланс моста нарушается и через
гальванометр течет ток, находящийся в прямой зависи-
мости от температуры. При указанных величинах сопро-
тивлений плеч моста эта зависимость является линейной.
Ток в измерительной диагонали моста зависит также
от величины напряжения питания, которое регулируется
потенциометром Это позволяет плавно изменять чув-
ствительность термометра и, в случае надобности, умень-
шать интервал рабочих температур, повышая тем самым
точность измерений. В связи с этим термометр снабжен
тремя сменными шкалами, которые содержат по 20 деле-
ний и отличаются лишь цифрами, характеризующими ин-
тервал измеряемых температур: первая шкала от 0 до
40° С, вторая шкала от 0 до 60° С и третья шкала от 0
до 100° С. Цена делений шкал соответственно равна 2, 3
и 5° С. Температурные шкалы наклеены на металличе-
ских пластинках, вырезанных по форме шкал гальвано-
метра.
Затем показывают термометр в действии.
В измерительный мост включают датчик температу-
ры и демонстрационный гальванометр с температурной
шкалой 0—100° С. Полупроводниковый датчик вместе с
демонстрационным капиллярным термометром погружа-
ют в стакан с водой и, вращая ручку потенциометра,
добиваются совпадения показаний обоих термометров.
58
Затем измеряют температуру воды в других стаканах
обоими термометрами и отмечают их одинаковые пока-
зания.
Далее демонстрируют возможность изменения чувст-
вительности электрического термометра. С этой целью
в демонстрационный гальванометр вставляют другую
температурную шкалу, например 0—40° С, и, проделав
подготовительную операцию, как было описано выше,
показывают совпадение показаний обоих термометров.
В заключение останавливаются на преимуществах по-
лупроводниковых датчиков температуры. Эти датчики от-
личаются от других следующими качествами: высокой
температурной чувствительностью, малой тепловой инер-
цией, высоким омическим сопротивлением. Все это дает
возможность быстро производить измерения малых из-
менений температуры (порядка тысячных долей градуса)
и пренебрегать сопротивлением подводящих проводов
(измерять температуру удаленных объектов).
Опыт 2.
Действие автоматического сигнализатора и регулятора
температуры
Принцип действия автоматического сигнализатора и
регулятора температуры показывают с термореле, когда
термосопротивление работает при малых электрических
нагрузках и нагревается не'током, а вследствие измене-
ния температуры окружающей среды.
Установку опыта собирают по схеме термореле
(рис. 21). Внешний вид ее показан на рисунке 22.
GOSm
Рис. 21. Схема термореле.
59
Рис. 22. Установка для демонстрации действия термореле.
При замыкании первичной цепи начальный ток может
привести в действие реле даже в том случае, когда термо-
сопротивление находится при комнатной температуре.
Чтобы исключить это явление, параллельно катушке реле
включают реостат сопротивлением около 300 ом и под-
вижный контакт устанавливают в такое положение, при
котором реле удерживает исполнительную цепь разомк-
нутой.
При незначительном нагревании спиртовкой датчи-
ка— термосопротивления — реле срабатывает и вклю-
чает лампу, которая продолжает гореть до тех пор, пока
термосопротивление не примет начальную температуру.
С помощью реостата, включенного параллельно катуш-
ке поляризованного реле, можно регулировать темпера-
туру, при которой срабатывает реле.
Далее демонстрируют принцип действия автоматиче-
ского регулятора температуры. С этой целью лампу уста-
навливают под термосопротивлением вместо спиртовки
(обратная связь) и пользуются нормально замкнутыми
контактами реле. При замыкании первичной цепи реле
вначале включает лампу, а через некоторое время, когда
температура воздуха, окружающего термосопротивление,
станет больше заданной.величины, реле выключит лампу.
После охлаждения термосопротивления реле вновь вклю-
чит лампу (нагреватель). Таким образом, термосопротив-
ление все время контролирует температуру и полученную
информацию передает в регулирующий орган — реле,
управляющий притоком электроэнергии в лампу — нагре-
ватель,
60
Рис. 23. Схема термореле, собранная
по мостовой схеме.
На примере этого опыта полезно подчеркнуть значе-
ние отрицательной обратной связи для различных авто-
матических регуляторов и обратить внимание на то, что
в таком случае регулятор как бы соединяет в себе авто-
матический контроль и автоматическое управление.
При желании чувствительность терморегулятора мож-
но увеличить, если воспользоваться мостовой схемой
включения (рис. 23)«
Опыт 3.
Действие термосопротивления прямого подогрева
Величина сопротивления термистора прямого подо-
грева изменяется за счет тепла, выделяемого проходя-
щим по нему электрическим током. В этом случае мощ-
ность тока настолько велика, что нагревает термосопро-
тивление значительно выше температуры окружающей
среды. Изменение же температуры среды имеет второ-
степенное значение.
Для демонстрации опыта собирают установку по
рисунку 24. Термосопротивление включают в цепь авто-
трансформатора ЛАТР-2 последовательно с дополнитель-
ным сопротивлением в 1 ком, гальванометром и рубиль-
ником (рис. 25). Дополнительное сопротивление предназ-
начено для ограничения тока, который быстро возрастает
по мере разогрева термосопротивления и может вывести
его из строя.
$1
Рис. 24. Установка для демонстрации разогрева термосопротивления
электрическим током.
Гальванометр переключают для измерения перемен-
ного тока и шунтируют реостатом на 40 ом. С указанным
шунтом предел измерения тока гальванометром ограни-
чивается примерно 15 ма, что вполне достаточно для по-
становки опыта, так как заметный разогрев термосопро-
тивления наступит при токе 5—6 ма.
Вначале пользуются напряжением в 10—20 в и обра-
щают внимание учащихся на постоянство установившего-
ся тока в цепи. Затем напряжение быстро увеличивают
до 50—55 в. Соответственно этому увеличивается и ток,
но теперь его величина не остается постоянной. По мере
прохождения тока термосопротивление разогревается,
сопротивление его плавно уменьшается и ток в цепи по-
Рис. 25. Схема включения термосопротивления
прямого подогрева.
62
степенно увеличивается, несмотря на неизменное напря-
жение.
Однако возрастание тока вскоре прекращается вслед-
ствие того, что наступает тепловое равновесие: термосо-
противление получает тепла столько, сколько отдает в
окружающее пространство. Это явление можно наблю-
дать еще раз, если опять повысить напряжение до пре-
дельного, т. е. до 60 в.
Описанный опыт раскрывает возможность техническо-
го применения термосопротивлений в качестве предохра-
нителей различной аппаратуры от толчков тока, возни-
кающих в момент включения, а также в качестве авто-
матических пусковых реостатов для электрических
двигателей. Сопротивление таких реостатов плавно
уменьшается до необходимой величины благодаря разо-
греву электрическим током. Когда же двигатель разовьет
нормальное число оборотов, специальное реле отключа-
ет пусковое устройство, термосопротивление охлаждается
и, снова становится готовым к работе.
Термосопротивление, работающее при больших элек-
трических нагрузках, часто применяется также в каче-
стве задерживающих'устройств, т. е. реле времени.
В связи с демонстрацией этого опыта по таблице
«Термосопротивление» (см. рис. 17) учащихся знакомят
с вольт-амперной характеристикой термосопротивления
ММТ-4. График показывает зависимость тока в термосо-
противлении от приложенного к нему напряжения при
условии теплового равновесия между термосопротивле-
нием и внешней средой (спокойный воздух при темпе-
ратуре 18°С). Обращают внимание на два участка харак-
теристики с положительным и отрицательным значени-
ями сопротивления термистора.
На первом участке характеристика почти линейна, так
как при малых токах не происходит заметного разогрева
термосопротивления. Здесь справедлив закон Ома. При
дальнейшем увеличении тока крутизна характеристики
плавно уменьшается, что указывает на нарушение зако-
на Ома, связанное с изменением сопротивления терми-
стора вследствие его разогрева. При некоторой величине
тока (около 8 ма) напряжение на термосопротивлении
достигает наибольшего значения (около 33 в) и при
дальнейшем возрастании напряжение начинает умень-
шаться.
63
Отмечают, что вид вольт-амперной характеристики
может изменяться в зависимости от условий, в которых
она снимается. С одной стороны, она определяется пара-
метрами самого термосопротивления, а с другой — сре-
дой, в которой находится термосопротивление, и ее тем-
пературой.
Опыт 4.
Зависимость режима работы термосопротивления
прямого подогрева от среды
Для демонстрации этого опыта составляют электри-
ческую цепь по схеме, изображенной на рисунке 25.
С помощью автотрансформатора устанавливают в цепи
такой ток, чтобы он разогрел термосопротивление и в сос-
тоянии теплового равновесия отклонил стрелку демонст-
рационного гальванометра на полную шкалу (рис. 26).
Рис. 26. Установка для демонстрации зависимости режима работы
тёрмосопротивления от рода окружающей среды.
Убедившись в том, что величина тока остается неиз-
менной, разогретое термосопротивление погружают в во-
ду комнатной температуры и наблюдают за стрелкой
гальванометра. Через некоторое время ток в цепи умень-
шается почти в два раза, хотя начальная температура
воды и воздуха была одинакова. Такое значительное
изменение тока происходит в результате улучшения ус-
ловий охлаждения термосопротивления.
Чтобы еще подчеркнуть зависимость режима работы
термосопротивления от окружающей среды, надо опыт
64
продолжить — перенести термосопротивление, например,
в керосин. Здесь тепловое равновесие устанавливается
при несколько большем токе, чем в воде.
Проделанный опыт раскрывает новые возможности
технического применения термосопротивлений, напри-
мер, для сигнализации при измерении уровня жидко-
стей и для его автоматического регулирования, измере-
ния теплопроводности жидкостей и газов и т. п.
С помощью термосопротивления, работающего при
больших нагрузках, можно показать принцип действия
анемометра. Для этого надо воспользоваться установ-
кой, показанной на рисунке 24. Вначале при напряже-
нии 40—50 в разогревают термосопротивление проходя-
щим по нему током и добиваются того, чтобы стрелка
гальванометра установилась приблизительно у послед-
него деления шкалы «0—10».
Затем на термосопротивление направляют поток воз-
духа от фена или вентилятора и наблюдают по гальва-
нометру заметное уменьшение величины тока в цепи:
температура термосопротивления снижается за счет
улучшения условий охлаждения.
С помощью реостата изменяют режим работы фена
или вентилятора и показывают, что температура термо-
сопротивления понижается тем более, чем больше ско-
рость воздушного потока.
Из опыта учащимся становится понятно, что если
шкалу гальванометра проградуировать в единицах
скорости воздушного потока, то получится измеритель-
ный прибор — анемометр.
Опыт 5.
Действие термосопротивления с косвенным подогревом
На термосопротивление надевают электрический на-
греватель (спираль сопротивлением 8 ом ) и собирают
установку, как показано на рисунке 27, а схему ее
(рис. 28) предварительно чертят на классной доске и
объясняют учащимся.
В начале опыта обращают внимание учащихся на
малое значение тока в цепи с термосопротивлением и
на его постоянство. Затем включают ток в цепи с на-
гревателем и наблюдают постепенное увеличение тока
в цепи с термосопротивлением, пока между нагревате-
3 В. А. Буров
65
Рис, 27. Установка для демонстрации действия термосопротивления
косвенного подогрева.
лем и окружающим воздухом не наступит тепловое рав-
новесие.
После этого с помощью реостата изменяют 2—3 раза
величину тока в. нагревателе и наблюдают согласован-
ные изменения величины тока в цепи .с термосопротив-
лением. Таким образом, выясняют, что сопротивлением
термистора, имеющего косвенный подогрев можно уп-
равлять, изменяя ток, проходящий через обмотку нагре-
вателя. Электрическая же нагрузка на самом термосо-
Рис. 28. Схема включения термосопро-
тивления косвенного подогрева.
противлении так мала, что не вызывает заметного до-
полнительного нагрева.
Учащимся сообщают, что термосопротивления с кос-
венным подогревом получили практическое применение
особенно в тех случаях, когда необходимо электриче-
66
ски разделить управляемую и управляющую цепи, а
взаимодействие между этими цепями осуществить толь-
ко за счет тепловых процессов.
По стенной таблице «Термосопротивление» (см.
рис. 17) учащихся знакомят с промышленной конструк-
цией термосопротивления косвенного подогрева типа
ТКП-2. Обращают внимание на внешний вид термосо-
противления, напоминающий обычную радиолампу, но
с несколько укороченным баллоном, и основные детали
устройства (полупровод-
никовое тело, электриче-
ский нагреватель).	ЗяЮ
С целью подготовки к
выполнению в практику-
ме лабораторной работы
«Снятие температурной
характеристики термосо-
противления» учащихся
знакомят с устройст- Рис. 29. Термосоттротивление
вом лабораторного при- ^MT-l в пробирке (лаборатор-
ии	г г	г	ный прибор),
бора и порядком выполне-	г
ния этой работы.
В лабораторном приборе применено термосопро-
чтивление типа ММТ-1 (рис. 29). Оно имеет'предельно
простое устройство, достаточно большой температур-
ный коэффициент сопротивления (от — 2,4 до —3,4 %/град)
и малую тепловую инерцию. Чтобы удобно было измерять
сопротивление термистора школьным омметром, величи-
на его холодного сопротивления (при температуре
20°С) выбрана 2 ком.
Выводы термосопротивления подведены к двум вин-
товым зажимам, укрепленным на изолирующей панели.
В середине панели сделано отверстие, в которое вставле-
на картонная трубка длиной 40 мм и внутренним диа-
метром 8 мм. Термосопротивление вместе с трубкой зак-
лючено в стеклянную пробирку. *
При выполнении работы пробирка с термосопротив-
лением погружается в стакан с водой, а внутрь трубки
вставляется хвостовая часть технического термометра,
при этом ртутный баллон термометра находится ря-
дом с термосопротивлением. Сопротивление термистора
при различных температурах измеряют с помощью ом-
метра.
3*
67
Для закрепления изученного материала можно
предложить учащимся следующие графические задачи.
I. По температурной характеристике термосопротив-
ления ММТ-4, изображенной на таблице «Термосопро-
тивление» (см. рис. 17), определить:
1.	каково сопротивление термистора при темпера-
туре 20°С (так называемое холодное сопротивление);
2.	во сколько примерно раз изменится сопротивле-
ние термистора при нагревании его от 0 до 100°С;
3.	чему равны средние значения коэффициентов тем-
пературного сопротивления термистора для интервалов
температур от 0 до 20°С и от 80 до 100°С.
II. По вольт-амперной характеристике термосопро-
тивления ММТ-4 определить:
1.	чему равно сопротивление термистора при токе
4; 8; 24 ма;
2.	при каких примерно значениях тока выполняется
закон Ома;
3.	как изменится вольт-амперная характеристика
термосопротивления, если последовательно с ним вклю-
чить постоянное сопротивление в 1 ком.
§ 3. Зависимость электропроводности полупроводников
от освещенности
Изучение явления фотопроводимости следует на-
чать с демонстрации опыта с фотосопротивлением типа
ФС-К1. Это фотосопротивление входит в комплект по-
лупроводниковых приборов (см. гл. II, § 1).
Перед демонстрацией опыта учащихся знакомят с
устройством фотосопротивления по стенной таблице
«Фотосопротивление» (рис. 30), где оно изображено
крупным планом в разрезе.
Фотосопротивление ФС-К1 представляет собой тон-
кий светочувствительный слой полупроводника 1, состоя-
щий из сернистого кадмия, нанесенного на круглую изо-
лирующую пластинку 2, края которой запрессованы в
кольцеобразную пластмассовую оправу 3. С противопо-
ложных сторон полупроводникового слоя сделаны токо-
отводы, которые соединены с двумя запрессованными в
оправу электродами в виде вилки 4. Для защиты полу-
проводникового слоя от загрязнения и атмосферного
влияния поверхность его покрыта прозрачным лаком.
68
a
в
Рис. 30. Стенная таблица «Фотосопротивление»:
а — условное обозначение на схемах; б — внешний вид некоторых типов фотосо-
противлений; в — конструкция фотосопротивления ФС-KI; г —световая харак-
теристика фотосопротивления ФС-KI (/ — при напряжении 10 а; // — при на-
пряжении 4 в); д — вольт-амперная характеристика фотосопротивления ФС-ВД
(/ -= при освещенности 200 лк*л II — в темноте).
Затем собирают установку по рисунку 31. Фотосо-
противление ФС-KI, закрытое от света, включают в цепь
источника постоянного тока напряжением около 4 в по*
следовательно с демонстрационным гальванометром (от
амперметра). Обращают внимание на малую величину
начального тока. Этот ток называют темновым. Он за-
висит от электрического сопротивления, которым обла-
дает фотосопротивление, и от приложенного к нему на-
пряжения.
Далее открывают фотосопротивление, зажигают
электрическую лампу и, медленно приближая и удаляя
. Рис. 31. Установка для демонстрации действия фотосопротивления.
ее от фотосопротивления, наблюдают увеличение и
уменьшение тока в цепи. Делают вывод, что сопротивле-
ние полупроводников при увеличении их освещенности
уменьшается. Это явление называют внутренним фото-
эффектом или фотопроводимостью, а разность между
световым и темновым токами — фототоком.
Величина фототока определяет чувствительность фо-
тосопротивления.
Изменение сопротивления полупроводника под дей-
ствием света объясняют увеличением количества сво-
бодных носителей тока. Освобожденные светом элек-
троны проводимости пребывают в полупроводнике в
свободном состоянии очень малый промежуток времени,
порядка 10~3 —10-7 сек. В течение этого времени они
интенсивно участвуют в тепловом движении и под дей-
ствием приложенного электрического поля перемеща-
70
ются преимущественно в одном направлении, образуя,
таким образом, электрический ток. В процессе своего
движения свободные электроны испытывают большое
число столкновений с атомами полупроводника и с поло-
жительными ионами; во втором случае может быть их
рекомбинация. Иными словами, в полупроводнике про-
исходят два непрекращающихся процесса: под дейст-
вием света образуются все новые и новые свободные
электроны и в то же время какое-то их количество в
результате явления рекомбинации перестает участвовать
в электропроводности. Существование этих противопо-
ложных процессов приводит к тому, что в полупроводни-
ке устанавливается динамическое равновесие, харак-
терное тем, что число возникающих свободных электро-
нов становится равным числу рекомбинирующихся элек-
тронов с ионами полупроводника. Следовательно, элек-
троны проводимости, появившиеся в полупроводнике в
результате действия света, ведут себя таким же точно
образом, как и обычные свободные электроны, возни-
кающие в полупроводнике за счет теплового механизма
возбуждения.
Более подробное объяснение механизма фотопрово-
димости дают после ознакомления учащихся с природой
проводимости полупроводников.
Для уточнения зависимости фототока от освещен-
ности внимание учащихся возвращают к таблице «Фото-
сопротивление» и рассматривают изображенные на ней
графики. Первая кривая снята при напряжении 10 в,
вторая — при напряжении 4 в. Графики показывают,
что ток по мере увеличения освещенности приближается
к насыщению и тем быстрее, чем. меньше напряжение
на фотосопротивлении.
Затем снова возвращаются к демонстрационной ус-
тановке и при постоянной освещенности изменяют поляр-
ность включения фотосопротивления в цепь. При этом
наблюдают постоянство тока в цепи. Делают вывод, что
фотосопротивление одинаково хорошо проводит ток как
в одном, так и в другом направлении. Оно представляет
собой в электрическом отношении обычное сопротивление.
Далее показывают, что фототок в фотосопротивлении
зависит от величины приложенного внешнего напряже-
ния. Для этого, не изменяя освещенности фотосопро-
тивления, включают в электрическую цепь один, два,
71
а затем три аккумулятора. Отмечают почти линейную
зависимость между фототоком и приложенным напря-
жением.
По таблице «Фотосопротивление» учащимся объяс-
няют вольт-амперную характеристику фотосопротивле;
ния, снятую в темноте и при освещенности в 200 лк.
Рассматривая график, отмечают, что фототок не имеет
насыщения и, следовательно, световая чувствительность
фотосопротивления пропорциональна приложенному на-
пряжению.
С внешним' видом и краткой характеристикой неко-
торых фотосопротивлений учащихся знакомят по ука-
занной выше таблице (см. рис. 30).
Фотосопротивления ФС-К1 и ФС-К2 сделаны из сер-
нистого кадмия, а фотосопротивления ФС-А1 и
ФС-А4 — из сернистого свинца. Оба типа фотосопро-
тивлений различаются между собою своими световыми
и электрическими характеристиками. Световая чувстви-
тельность фотосопротивления ФС-К1 примерно в 160 раз
больше чувствительности фотосопротивления ФС-А1,
а предельное значение рабочего напряжения ФС-К1 до-
стигает 300—400 в вместо 15 в у ФС-А1.
Фотосопротивления ФС-А1 чувствительны к инфра-
красной области спектра, а фотосопротивления ФС-К1
и ФС-К2 — к видимой области спектра.
Фотосопротивления ФС-К1 и ФС-К2 отличаются
также от фотосопротивлений ФС-А1 и ФС-А4 повышен-
ной инерционностью.
Практическое применение фотосопротивленйй пока-
зывают на простейших опытах с фотореле.
Опыт 1.
Автоматическая сигнализация об изменении уровня
жидкости или сыпучего тела
Установку для демонстрации опыта собирают по
рисунку 32. В цепь батареи аккумуляторов включают
последовательно фотосопротивление ФС-К1 и катушку
поляризованного реле РП-5. В исполнительную цепь ре-
ле включают электрическую лампу мощностью 60 вт
или электрический звонок. На пути лучей света от элек-
трического фонарика к фотосопротивлению устанавли-
вают на подъемном столике химический стакан.
72
В начале опыта стакан пуст: лучи света от фонари-
ка свободно проходят через стекло и попадают на фото-
сопротивление. Реле удерживает свои контакты, и сиг-
нальная лампа не горит.
Затем в стакан медленно наливают подкрашенную
чернилами воду и наблюдают за поднятием ее уровня.
Как только вода закроет доступ лучам света к фотосо-
противлению, фотореле включает сигнальную лампу.
После этого воду переливают в другой пустой стакан
с помощью сифона*. И опять сосредоточивают внимание
Рис. 32. Установка для демонстрации автоматической сигнализации
об изменении уровня жидкости.
учащихся, но теперь на опускающемся уровне воды в
стакане. Когда уровень понизится настолько, что откро-
ет доступ лучам света к фотосопротивлению, фотореле
снова сработает и выключит лампу.
В этом опыте вместо воды можно взять любое сыпу-
чее вещество: песок, соль, зерно и т. д. Каждый раз при
повышении или понижении уровня до границы прохож-
дения лучей света фотореле будет включать или вык-
лючать сигнализацию (лампу или электрический зво-
нок).
Высоту контролируемого уровня в стакане можно из-
менять с помощью подъемного столика.
После опыта учащимся сообщают, что подобные ав-
томатические устройства применяются в различных
производствах, где не только подаются звуковые или
световые сигналы об изменении уровней различных жид-
костей или сыпучих тел (руда, уголь, песок, зерно и т. д.),
73
но автоматически происходит их выравнивание. Для это-
го пускаются в ход специальные электрические двигате-
ли насосов или конвейеров, когда дело имеют с сыпучими
телами.
Опыт 2.
Автоматический счет деталей
Для этого опыта необходимо иметь дополнительно
модель конвейера и электромагнитный счетчик.
Модель конвейера конструкции Б. С. Зворыкина
(рис. 33) представляет собой транспортерную ленту, на
Рис. 33. Модель конвейера.
которой укреплены на одинаковом расстоянии друг от
друга деревянные кубики. Лента с кубиками надета на
два шкива, один из которых приводится в движение
микроэлектродвигателем. Сцепление вала электрическо-
го двигателя с валом шкива осуществляется с помощью
червячной передачи. Все детали конвейера смонтирова-
ны на деревянной стойке с основанием. Сбоку конвейер-
ной ленты укреплена электрическая лампочка в 3,5 в.
Микроэлектродвигатель и лампочка питаются одной ба-
тареей от карманного фонаря.
Для демонстрации опыта собирают установку, как
показано на рисунке 34. Перед фотосопротивлением,
входящим в фотореле, устанавливают на подъемном
столике модель конвейера так, чтобы лампочка оказа-
лась на уровне фотосопротивления. К выходным кон-
тактам фотореле присоединяют электромагнитный счет-
чик (он питается отдельной батареей от карманного фо-
наря),
74
Собранную установку кратко объясняют учащимся.
Затем включают ток в цепь питания электрического
двигателя. Лента конвейера приходит в движение и од-
новременно загорается лампочка-осветитель.
Для того чтобы учащиеся смогли лучше понять ра-
боту фотоэлектронного счетчика, конвейер заставляют
вначале двигаться медленно (притормаживают его ру-
кой). При медленном движении наблюдают, как каж-
дый кубик-изделие при своем движении пересекает пу-
чок света, падающий от лампочки на фотосопротивле-
ние. Фотореле срабатывает, замыкает цепь питания
Рис.34. Установка для демонстрации автоматического счета деталей.
электромагнита счетчика, и стрелка перемещается на
одно деление шкалы. Далее конвейер пускают с полной
скоростью и наблюдают быстрый автоматический счет
движущихся кубиков. Обращают внимание на то, что
вести устный счет кубиков теперь очень трудно.
В заключение отмечают, что с помощью подобных
счетчиков можно производить быстрый счет в самых раз-
нообразных случаях и даже тогда, когда объекты по тем
или иным причинам не могут подвергаться осмотру.
Опыт 3.
Автоматическая сортировка деталей
Модель для демонстрации автоматической сортиров-
ки деталей конструкции Б. С. Зворыкина показана па
рисунке 35. Она имеет вверху желоб, по которому сво-
75
Рис. 35. Установка для демонстрации автоматической
сортировки деталей.
бодно могут двигаться сортируемые детали. В середине
желоба сделано прямоугольное отверстие. В нормаль-
ном состоянии это отверстие закрыто металлической от-
кидной пластинкой. Пластинку удерживает якорь элек-
тромагнита, расположенный под желобом, на верти-
кальной стойке прибора. В нижней части модели име-
ются два ящика-отсека, лицевые стороны которых сде-
ланы из стекла. Сортируемые изделия — шесть цилинд-
ров— выточены из органического стекла. Торцовые
стороны трех цилиндров окрашены черным лаком. Отсе-
ки с противоположных сторон имеют откидные дверцы,
через которые извлекаются сортируемые детали. Сбоку
желоба на некоторой высоте укреплена электрическая
лампочка-осветитель напряжением 3,5 в.
Катушка электромагнита и электрическая лампочка-
осветитель питаются от отдельного источника постоян-
ного тока напряжением 4 в.
Для демонстрации опыта около фотосопротивления
устанавливают описанную выше модель для сортировки
деталей (см. рис. 35). Выходные контакты фотореле
соединяют с входными гнездами прибора, а электро-
магнит с,лампой-осветителем питают от второй батареи
аккумуляторов З-НКН-10.
Сосредоточив внимание учащихся на собранной ус-
тановке, приступают к демонстрации опыта. По желобу
пускают один за другим цилиндры — изделия. Прозрач-
ные цилиндры проходят беспрепятственно и, дойдя до
края желоба, падают в правый отсек модели. Темные
76
же цилиндры при своем движении загораживают на не-
которое время свет и приводят в действие фотореле. Фо-
тореле замыкает цепь электромагнита, якорь его осво-
бождает откидное дно желоба, и темные цилиндры про-
валиваются в левый отсек модели. После этого пластин-
ка под действием пружины закрывает отверстие в дне
желоба, и якорь электромагнита снова удерживает ее в
горизонтальном положении.
К концу опыта все цилиндры-изделия оказываются
рассортированными по их прозрачности: слева собира-
ются темные цилиндры, а справа — прозрачные.
При желании опыт можно повторить. Для этого ци-
линдры извлекают через откидные боковые дверцы и
снова по очереди в различной комбинации пускают по
желобу.
Опыт 4.
Модель оптической следящей системы
Вначале учащихся знакомят с устройством прибора.
Модель представляет собой прямоугольную площад-
ку размером 14X25 см, насаженную на металлический
стержень, который служит ее осью вращения (рис. 36).
Сверху площадки на поперечной вертикальной стенке с
одной стороны укреплены два фотосопротивления типа
ФС-KI, а с другой — поляризованное реле типа РП-5.
Рис. 36, Установка для демонстрации модели опти-
ческой следящей системы.
77
Фотосопротивления разделены между собой непрозрач*
ной перегородкой, которая установлена вдоль площадки»
На нижней стороне площадки (рис. 37) находятся
микроэлектродЕигатель и источник питания модели
Рис. 37. Модель оптической следящей
системы (вид снизу).
(две 'батареи от карманного фонаря). На валу электро-
двигателя укреплен червяк, с помощью которого осу-
ществляется сцепление с зубчатым колесом, закреплен-
ным на металлическом стержне — оси вращения модели.
Рис. 38. Схема модели оптической следящей системы.
-На рисунке 38 изображена принципиальная схема
модели, которую вычерчивают на классной доске. Мо-
дель состоит из двух одинаковых фотореле, включенных
78
параллельно к одному источнику постоянного тока на-
пряжением 9 в. В электрическую цепь каждого фоторе-
ле входит фотосопротивление ФС-К1, половина обмотки
поляризованного реле РП-5 (реле имеет две обмотки, со-
единенные последовательно) и источник тока. В исполни-
тельную цепь реле включен микроэлектродвигатель, ко-
торый приводит в движение модель. Питание электро-
двигателя осуществляется от того же источника, кото-
рый питает оба фотореле.
Для демонстрации опыта собирают установку, как
показано на рисунке 36. При одинаковой освещенности
фотосопротивлений, т. е. когда прибор ориентирован на
источник света, токи в обеих цепях фотореле одинаковы
по величине, но противоположны по направлению. В ре-
зультате этого якорь реле занимает нейтральное поло-
жение и цепь питания электродвигателя остается ра-
зомкнутой. При смещении источника света, например,
вправо освещается только одно фотосопротивление, а
второе попадает в тень, которую отбрасывает перегород-
ка, разделяющая фотосопротивления. Равновесие токов
в обмотках реле нарушается, и якорь притягивается к
одному из крайних контактов. При этом замыкается
цепь питания электродвигателя (включается одна ба-
тарея для карманного фонаря) и модель поворачивает-
ся в сторону источника света. Движение прибора проис-
ходит до тех пор, пока не уравняются освещенности обо-
их фотосопротивлений.
Затем источник света смещают влево: в тень попада-
ет другое фотосопротивление. Ток становится больше в
другой обмотке реле. Реле перебрасывает якорь ко
второму контакту и включает электродвигатель во вто-
рую батарею питания. Но теперь, как нетрудно просле-
дить по схеме, вращение электродвигателя происходит
в обратную сторону, так как изменилось направление
тока в цепи. В результате модель поворачивается влево
и опять движется до тех пор, пока вновь «не найдет» ис-
точник света.
Таким образом, в зависимости от положения источ-
ника света срабатывает то одно фотореле, то другое.
Прибор можно укреплять на подставке так, чтобы*
модель вращалась вокруг горизонтальной оси. В этом
случае учащиеся видят сразу оба фотосопротивления и
тень от перегородки.
79
Модель обладает высокой чувствительностью и мо-
жет ориентироваться на дневной свет, если он падает с
одной стороны.
После ознакомления учащихся с двумя важнейшими
свойствами полупроводников следует показать первый
фрагмент учебного кинофильма «Полупроводники и их
применение в технике»
В первом фрагменте —«Первоначальные сведения о
полупроводниках» — показываются опыты, иллюстриру-
ющие в сравнительном плане зависимость сопротивле-
ния металлов и полупроводников от температуры. За-
тем разбирается устройство термосопротивления и его
технические применения (измерение температуры и ав-
томатическое регулирование уровня жидкости в закры-
тых сосудах).
В таком же плане, но несколько быстрее следует рас-
сказ о фотопроводимости и фотосопротивлениях. В ка-
честве примеров рассматривается применение фотосо-
противлений в типографиях для выключения печатной
машины при попадании в нее двух листов бумаги вме-
сто одного.
Для закрепления материала с учащимися полезно
решить следующую задачу: сернистокадмиевое фотосо-
противление ФС-KI имеет вольт-амперные характеристи-
ки, представленные на стенной таблице «Фотосопротив-
ление» (см. рис. 30). График 1 относится к освещенному
фотосопротивлению, а график 2 — к затемненному.
1.	В каком случае сопротивление ФС-KI больше: при
затемнении или освещении? Ответ обосновать.
2.	Чем объяснить наличие тока в цепи фотосопротив-
ления при затемнении?
3.	Справедлив ли закон Ома для рассматриваемого
фотосопротивления?
4.	Чему равно сопротивление ФС-KI при освещении?
Указать порядок величины.
§ 4. Собственная электропроводность полупроводников
Изучение проводимости полупроводников целесооб-
разно начать с краткого повторения строения твердого
1 Автор сценария — Н. М. Шахмаев, производство Ленинград-
ской студии научно-популярных фильмов, 1963.
80
тела и рассмотрения различных видов связей между
атомами в молекулах и кристаллах.
Учащимся известны три типа связей: ковалентная, ме-
таллическая и ионная. Особое внимание следует обратить
на ковалентный тип связи. Такая связь существует, на-
пример, в молекулах водорода, азота, кислорода и др.
Она характеризуется тем, что при сближении двух или
более атомов их валентные эд^ктроны изменяют свое
движение: они начинают вращаться вокруг обоих ядер,
стягивая их друг к другу, т. е. валентные электроны пе-
рестают принадлежать одному определенному атому, а
становятся общими, одновременно связанными с двумя
или более атомами.
Связи между частицами в реальных кристаллах при-
ближаются к одному из перечисленных выше типов хи-
мической связи, но часто носят промежуточный и сме-
шанный характер. Например, в кристаллах некоторых
полупроводников связи носят промежуточный характер
между ковалентной и ионной связями.
Образование кристалла можно рассматривать как
сближение отдельных атомов тела.
У металлов в процессе такого сближения внешние
электронные орбиты соседних атомов соприкасаются и
даже пересекаются. При этом валентные электроны,
благодаря их слабой связи с ядром, становятся свобод-
ными, т. е. без затраты дополнительной энергии перехо-
дят от одного атома к другому и могут участвовать в со-
здании электрического тока. Число таких электронов
очень велико: оно равно произведению числа атомов на
валентность металла. Этим объясняется хорошая элек-
тропроводность металлов.
Что касается чистых полупроводников и диэлектри-
ков, то у них в процессе образования кристалла валент-
ные электроны образуют довольно прочные парноэлек-
тронные связи с соседними атомами и потому не имеют
возможности свободно переходить от одного атома к
другому. Другими словами, у полупроводников и-ди-
электриков все валентные связи- становятся насыщен-
ными.
Для наглядности этих рассуждений учащимся пока-
зывают стенную таблицу «Схема электронных связей
между атомами германия» (рис. 39). На таблице изо-
бражена пространственная и плоская схема идеальной
4 В. А. Буров	81
решетки германия. Ядра атомов обозначены черными
кружочками со знаком плюс, а валентные электроны —
белыми кружочками меньшего размера со знаком минус.
Ядро атома германия имеет 32 протона, но для упро-
щения на схеме показано только 4 положительных за-
Рис. 39. Стенная таблица «Схема электронных связей
между атомами германия».
ряда — по числу валентных электронов. Остальные 28
электронов и соответствующие им протоны на схеме не
показаны, поскольку они в процессе электропроводно-
сти не участвуют.
Силы сцепления между отдельными атомами осуще-
ствляются парой валентных электронов. Каждый атом
окружен четырьмя соседями, поэтому он связан в итоге
82
8 электронами (четырьмя собственными и по одному от
каждого из соседей). Таким путем образуется самая
устойчивая кристаллическая решетка, в которой на вне-
шней оболочке каждого из входящих в нее атомов ока-
зывается по 8 электронов. Учащимся поясняют, что та-
кое состояние кристаллической решетки имеют все по-
лупроводники при температуре абсолютного нуля. По-
скольку в полупроводнике нет свободных электронов, он
ведет себя как изолятор.
Само собой разумеется, что в процессе образования
кристаллической решетки выделяется энергия. Следо-
вательно, для разрыва валентной связи, в свою очередь,
тоже необходимо затратить определенную энергию.
В полупроводниках связь валентных электронов с
атомами значительно слабее, чем в диэлектриках, поэ-
тому для их освобождения требуется меньшая величина
ф- Дтом германия
ф-Дтам мышьяка
ф-Дтом индия
a	i	в
Рис. 40. Стенная таблица «Виды проводимости германия»:
а — электронно-дырочная (собственная); б — электронная (прнмёсная);
в — дырочная (примесная),
энергии. Для наглядности этих рассуждений показыва-
ют первую часть таблицы «Виды проводимости герма-
ния» (рис. 40) и по ней объясняют процесс образования
электронов проводимости. Отмечают, что при внешнем
энергетическом воздействии на полупроводник (нагре-
вании, освещении, облучении заряженными частицами
и т. д.) идеальная структура кристаллической решетки
4*	83
нарушается и часть валентных электронов, освобожда-
ясь от ковалентных связей, переходит в свободное состо-
яние. На рассматриваемой таблице изображено образо-
вание одного электрона проводимости.
Свободные электроны движутся внутри кристалли-
ческой решетки полупроводника, подобно свободным
электронам в металле и в результате столкновения с
ионами решетки и друг с другом обладают всевозмож-
ными скоростями. Эти электроны, и создают электропро-
водность полупроводника.
При наличии электрического поля, кроме теплового
движения электронов, возникает направленное их пере-
мещение в направлении, противоположном направлению
напряженности поля, т. е. образуется электрический ток.
С повышением температуры или увеличением освещен-
ности полупроводника число свободных электронов рас-
тет, а вместе с этим увеличивается и электропровод-
ность полупроводника. Этот вид проводимости называ-
ют электронной проводимостью.
Затем дают понятие о дырочной проводимости.
Учащимся сообщают, что при переходе электронов в
свободное состояние создаются благоприятные условия
для передвижения электронов, оставшихся- в ковалент-
ных связях (связанных электронов). В самом деле, при
разрыве ковалентной связи и переходе электрона в сво-
бодное состояние образуется свободное место. Его при-
нято называть дыркой. Возникновение такой дырки со-
ответствует как бы появлению здесь положительного
заряда, равного по величине заряду ушедшего электро-
на. Дырки могут быть заняты соседними электронами.
Это явление называют рекомбинацией.
Но электроны, занявшие дырки, оставляют в других
местах новые дырки и т. д. Следовательно, образование
свободных электронов создает условия для движения
связанных электронов. Эти электроны перемещаются от
атома к атому на свободные места, подобно движению
эстафеты в спортивном состязании. При этом создается
впечатление, что дырки также перемещаются (дрейфуют)
в кристаллической решетке в направлении, обратном дви-
жению связанных электронов.
Поскольку число дырок в кристаллической решетке
полупроводника невелико по сравнению с числом запол-
ненных связей атомов, то результат движения всех «пе-
84
репрыгивающих» от атома к атому электронов гораздо
удобнее представить как перемещение в противополож-
ном направлении относительно небольшого числа дырок.
Так как движение дырки соответствует движению поло-
жительного заряда, упомянутая ранее условность суще-
ствования дырок здесь уже кончается.
Считают, что под действием электрического поля про-
исходит упорядоченное перемещение положительных за-
рядов-дырок— в сторону, противоположную движе-
нию электронов, т. е. в полупроводнике возникает про-
водимость иного вида. Этот вид проводимости называют
дырочной проводимостью.
В этих рассуждениях обращают внимание на два об-
стоятельстваГ В чистых полупроводниках количество сво-
бодных электронов должно быть равно количеству ды-
рок, так как иначе нарушилась бы электрическая ней-
тральность полупроводника. Наряду с процессами вы-
рывания электронов и образования дырок идет и обрат-
ный процесс — восстановление ковалентных связей, про-
цесс рекомбинации. При постоянной температуре коли-
чество свободных электронов и дырок остается неизмен-
ным, так как между процессами их образования и вос-
становления устанавливается подвижное равновесие.
Далее переходят к более детальному рассмотрению
поведения чистого полупроводника в электрическом
поле.
Объяснение дают по таблице «Схема движения элек-
тронов и дырок» (рис. 41).
На этой схеме полупроводник представлен цепочкой
из пяти атомов. Одна ковалентная связь разрушена.
В результате образовались свободный электрон и дырка.
Электрическое поле перемещает электрон от отрица-
тельного полюса к положительному. Поэтому дырка за-
полняется другим электроном, который к ней приходит
справа. Первая связь восстанавливается, но справа воз-
никает новая дырка. Этот процесс перехода дырки для
четырех следующих друг за другом моментов времени
и представлен наглядно на таблице. Направление дви-
жения свободных электронов показано прямыми стрел-
ками, а направление движения связанных валентных
электронов и дырок — изогнутыми стрелками.
Таким образом, под действием электрического поля
перемещения электронов и дырок приобретают упоря-
85
доченный и направленный характер: электроны движут-
ся против поля, а дырки — по полю. При этом ионы, рас-
положенные в узлах решетки, остаются в фиксирован-
ных положениях и участия в создании тока не принима-
ют. Поэтому химический состав и структура полупро-
водника остаются неизменными.
Рис. 41. Стенная таблица сСхема движения электронов и дырок».
Итак, в создании тока в полупроводнике принимают
участие свободные электроны и дырки. Первые созда-
ют электронный ток /9 вторые — дырочный 1Л), а сум-
марный ток / слагается из этих двух токов, т, е.
Учащимся известно, что величина тока в металлах
связана с концентрацией электронов, их зарядом, сред-
ней скоростью упорядоченного движения в электриче-
ском поле и сечением проводника следующей зависимо-
стью:
I = nevS.
Для полупроводников эта зависимость запишется
так:
/ = n3ev3S пдедд5,
где п3 и пл — соответственно концентрации электронов
и дырок, е — абсолютное значение заряда электрона и
86
дырки, v3 и Яд—соответственно средние скорости упо-
рядоченного движения в электрическом поле электронов
и дырок, 5 — площадь поперечного сечения полупровод-
ника.
Проводимость чистых полупроводников называют
собственной проводимостью, а сами полупроводники —
собственными полупроводниками.
Механизм собственной проводимости мы пытались
объяснить с точки зрения теории химической связи. Эти
представления благодаря своей большой наглядности
позволяют подвести учащихся к пониманию объяснения
проводимости полупроводников с точки зрения зонных
представлений. Здесь требуется уже небольшое усилие
со стороны учащихся. Действительно с энергетической
точки зрения, разрыв валентной связи между атомами
означает переход электрона из своего обычного состоя-
ния, т. е. валентной зоны, на более высокий энергетиче-
ский уровень зоны проводимости (см. рис. 8).
В последней зоне электрон может увеличить свою
энергию под действием электрического поля, переходя с
одного свободного уровня на другой. Однако вследствие
ухода электронов из заполненной валентной зоны в по-
следней появляются дырки — незанятые энергетические
уровни, на которые могут переходить электроны валент-
ной зоны. Для удобства рассуждений говорят не о дви-
жении электронов валентной зоны, а о движении ва-
кантных мест — дырок.
Движение дырок, как было уже отмечено, в точ-
ности эквивалентно движению положительно заряжен-
ных частиц с зарядом, равным по величине заряду элек-
трона, и массой, близкой к массе электрона. В чистом
полупроводнике число электронов, перешедших в зону
проводимости, равно числу дырок, образовавшихся в ва-
лентной зоне. Й те и другие принимают 'участие в созда-
нии электрического тока. Однако вклад электронов и
дырок в общую электропроводность различен, потому
что они обладают различной подвижностью. Дырочный
ток немного меньше половины общего тока. Этот ток,
как показывает опыт, существует и у некоторых метал-
лов.
В совершенно чистом полупроводнике поставщиком
электронов проводимости является заполненная (вер-
нее, почти заполненная) при обычной температуре ва-
87
лентная зона. Для перевода электронов из валентной зо«
ны в зону проводимости необходимо затратить энергию,
равную «ширине» запрещенной зоны. В противном слу-
чае, даже при наличии электрического поля, никакой
проводимости в полупроводнике возникнуть не может,
потому что электроны в заполненной валентной зоне не
могут выйти за пределы зоны, т. е. изменить свое энер-
гетическое состояние,
В школьных условиях показать на опыте собственную
проводимость невозможно. Чтобы облегчить ее понима-
ние, следует прибегнуть к различным аналогиям. Одна
из таких аналогий с перемещением пионеров изображе-
на на стенной таблице «Схема движения электронов и
дырок» (см, рис, 41), вторая — на рисунке 42.
Рис. 42. Механическая аналогия элек-
тронной и дырочной проводимости.
В последней аналогии движение шарика по наклон-
ному желобу соответствует перемещению свободного
электрона под действием электрического поля. Перека-
тывание шариков по желобу с отверстиями на одно со-
седнее место аналогично движению связанных валент-
ных электронов. Это движение можно представить
как движение пустой ячейки (дырки) в обратную сто-
рону.
Однако лучшей аналогией собственной проводимос-
ти является аналогия движения автомобилей в двух-
этажном гараже. Представим себе двухэтажный гараж,
88
верхний этаж которого пуст, а нижний полностью запол-
нен автомобилями. Очевидно, ни в верхнем, ни в ниж-
нем этажах машины не могут двигаться: в верхнем эта-
же — потому, что он пуст, а в нижнем — потому, что
здесь нет свободного пространства. Этот случай соответ-
ствует полупроводнику, находящемуся при температуре
около абсолютного нуля. Если теперь, например, один
автомобиль перевести на верхний этаж (это соответству-
ет нагреванию полупроводника), то у всех автомобилей,
находящихся на обоих этажах, появится возможность
передвижения. При этом свободное движение автомоби-
ля по верхнему этажу соответствует движению свобод-
ных электронов, а движение пустого места в нижнем
этаже, когда оно последовательно заполняется переме-
щающимися автомобилями, — движению дырки.
Большую помощь учащимся может оказать также
демонстрация учебного кинофильма «Полупроводники и
их применение в технике», в котором представлена в ди-
намике мультипликация всех изучаемых явлений. Де-
монстрацию кинофильма лучше дать после объяснения
учителя, чтобы учащиеся уже были подготовлены к вос-
приятию механизма изучаемых явлений, показанного
средствами кино.
Здесь следует показать второй фрагмент кино-
фильма «Собственная проводимость полупроводников»,
который имеет следующее содержание. Вначале с по-
мощью мультипликации на примере кремния дается по-
нятие о строении полупроводниковых кристаллов, об
электронах связи и механизме образования электронов
проводимости. Показывается движение свободных элек-
тронов под действием электрического поля (электрон-
ный ток).
Затем фиксируется внимание на разрушенной связи
и показывается образование дырки. Дырка хаотически
движется внутри кристалла. Создается электрическое
поле, и дырки начинают дрейфовать под действием поля
(дырочный ток).
Накладываются оба тока и дается общая картина
механизма тока в полупроводнике*
Повышается температура кристалла. Растет число
электронов и дырок. Увеличивается ток в полупровод-
нике*
5 В. А. Буров
89
§ 5. Примесная электропроводность полупроводников
Электропроводность полупроводников сильнейшим
образом зависит от наличия в решетке полупроводника
различных примесей, т. е. атомов других элементов, На-
пример, примесь одного атома индия на 108—109 атомов
германия увеличивает электропроводность последнего в
миллионы раз. Это явление никогда не наблюдается’ в
металлах. В них наблюдается обратная картина: при-
сутствие примеси в металле увеличивает его сопротив-
ление.
Примеси изменяют не только величину сопротивле-
ния полупроводников, но и вид самой электропровод-
ности. При добавлении к полупроводнику примеси с
меньшей валентностью, чем основное вещество, получа-
ется дырочная проводимость полупроводника, и, наобо-
рот, примеси с более высокой валентностью, чем основ-
ное вещество полупроводника, создают электронную
проводимость.
Для того чтобы понять физическую сущность роли
примесей, внимание учащихся^ обращают на таблицу
«Виды проводимости германия» (см. рис. 40) и рассмат-
ривают ее среднюю часть. Здесь изображена плоская
схема кристаллической решетки четырехвалентного гер-
мания, в которой один атом германия заменен примес-
ным атомом пятивалентного мышьяка. Примесный атом,
как и другие атомы германия, прочно связан со своими
соседями четырьмя из своих пяти валентных электронов.
Пятый же электрон внешней электронной оболочки это-
го атома оказался не занятым в связях с другими ато-
мами. В результате теплового движения он уже при
комнатной температуре легко отрывается и получает
свободу движения в кристаллической решетке.
Примесный атом мышьяка, потеряв один электрон,
приобретает положительный заряд, т. е. становится по-
ложительным ионом. Однако он сохраняет, как и другие
ионы германия, свое место в кристаллической решетке и
участия в создании электрического тока не принимает.
Таким образом, в результате введения примесных
атомов концентрация свободных носителей тока в полу-
проводнике увеличивается и прежнее равновесие между
количеством свободных электронов и дырок нарушается.
Если к примесному полупроводнику приложить внешнее
90
электрическое поле, то появится электрический ток. Этот
ток будет создаваться главным образом движением
электронов. Поэтому электроны в таком полупроводни-
ке называют основными носителями тока, а дырки, кото-
рых значительно меньше, — неосновными носителями
тока.
Проводимость, обусловленную примесями, называют
примесной проводимостью, а сами полупроводники —
примесными полупроводниками.
Примесные полупроводники, в которых основными
носителями тока являются электроны, называют элек-
тронными или n-полупроводниками (от слова negative—•
отрицательный). Примеси, создающие в полупроводни-
ке электронную проводимость, называют донорными
примесями (донор — поставщик)«
После этого переходят к рассмотрению механизма
образования примесной дырочной проводимости. Объ-
яснение дают по третьей части той же таблицы (см.
рис. 40).
Учащимся поясняют, что для получения дырочной
проводимости в полупроводники вносят такие примеси,
валентность которых на единицу меньше, чем валент-
ность атомов самого полупроводника. На таблице при-
месным атомом является атом индия.
В этом-случае у каждого атома примеси для образо-
вания парноэлектронных связей с соседними атомами
полупроводника-будет недоставать по одному электро-
ну. Недостающие электроны примесные атомы могут по-
лучить от атомов германия. В результате >этого связи
примесного атома с соседними атомами германия стано-
вятся полными, нормальными для данного типа кристал-
лической решетки полупроводника. При этом примесные
атомы перестают быть нейтральными-в электрическом
отношении и превращаются в отрицательные ионы.
Переход же к примесным атомам электронов приводит к
образованию дырок в тех местах кристаллической ре-
шетки, откуда ушли эти электроны. Таким образом, об-
щее число дырок в таком полупроводнике становится
больше, чем свободных электронов. Поэтому теперь ос-
новными носителями тока будут дырки, а неосновными
носителями тока — электроны.
Примесные полупроводники, в которых основными
носителями тока являются дырки, называют дырочны-
5*
91
ми или р-полупроводниками (от слова positive — поло-
жительный). Примеси, создающие в полупроводнике
дырочную проводимость, называют акцепторными при-
месями (акцептировать — захватывать).
Таким образом, в зависимости от введенной в полу-
проводник примеси можно по желанию получать полу-
проводники с электронной или дырочной проводимостью.
Отмечают, что путем введения примесных атомов мож-
но изготовить не только электронные и дырочные полу-
проводники, но и создать в одном и том же кристалле
участки с электронной и дырочной проводимостью. Та-
кие участки составляют основу ряда полупроводнико-
вых приборов.
Здесь же полезно заметить, что концентрацию элек-
тронов и дырок в полупроводниках можно изменять и
другим способом. Во-первых, путем введения носителей
тока в кристалл, например с помощью металлических
электродов, и, во-вторых, путем удаления носителей
тока из кристалла электрическим полем.
Именно на этой возможности изменять по желанию
конце'нтрацию носителей тока основаны весьма важные
технические применения полупроводников.
Такова картина образования двух видов примесной
проводимости с точки зрения теории химической связи.
Для объяснения примесной проводимости по зонной
теории достаточно рассмотреть положение зон основно-
го полупроводника и его примесей.
При внесении в полупроводник примесных атомов
валентные электроны этих атомов располагаются на от-
дельных узких энергетических уровнях, расположенных
в запрещенной зоне основного полупроводника.
Уровни примесных атомов могут быть как заняты-
ми, так и свободными. Занятые уровни донорных при-
месных атомов располагаются в запрещенной зоне вбли-
зи нижнего края зоны проводимости и как бы уменьша-
ют ширину запрещенной зоны ДЕ до ДЕ„ (рис. 43). Под
действием теплового движения часть электронов с при-
месных уровней переходит в зону проводимости и увели-
чивает заметным образом концентрацию в ней электро-
нов. Образующиеся при этих переходах дырочные уров-
ни не могут быть заполнены электронами из нижней ва-
лентной зоны, так как последняя расположена от них на
значительном энергетическом расстоянии.
92
Свободные уровни акцепторных примесей располага-
ются вблизи верхнего края валентной зоны (рис. 44),
В этом случае для перевода электронов из валентной
зоны на примесные уровни требуется затратить значи-
тельно меньше энергии (АЕ), чем для перевода элек-
тронов в зону проводимости (ДЕ). Поэтому из-за тепло-
вого движения электроны будут переходить из валент-
ной зоны на уровни примеси, освобождая при этом энер-
гетические уровни в валентной зоне, т. eg создавая в ва-
Е
Рис. 43. Схема расположения
энергетических уровней донор-
ных примесных атомов в по-
лупроводнике.
Ес
£Р
Ео
Рис. 44. Схема расположения
энергетических уровней акцеп-
торных примесных атомов в
полупроводнике.
лентной зоне дырки. При этом количество электронов в
зоне проводимости заметно не увеличивается. Благода-
ря этому получается полупроводник с дырочной прово-
димостью.
Таким образом, в примесном электронном полупро-
воднике в зону проводимости электроны поставляют
атомы примеси; в примесном дырочном полупроводнике
атомы примеси «поглощают» электроны из валентной
зоны, создавая в ней дырки. Электронная проводимость
полупроводника характеризуется движением электронов
в зоне проводимости, а дырочная — движением дырок в
валентной зоне.
6 В. А. Буров	93
Физический смысл «узости» энергетических уровней
примесных атомов объясняют тем, что примесные атомы
в кристаллической решетке полупроводника находятся
на очень больших друг от друга расстояниях tf потому
почти не взаимодействуют, В результате этого уровни
примесных атомов не расщепляются. Положение же
этих уровней среди энергетических зон полупроводника
объясняют явлением поляризации примесных атомов,
Явление поляризации приводит к ослаблению сил связи
между электронами и ядром. Поэтому орбиты электро-
нов примесного атома увеличиваются, а энергия иониза-
ции значительно уменьшается. Увеличение электронных
орбит примесных атомов и приводит к тому, что энерге-
тические уровни примесных атомов располагаются в за-
прещенной зоне полупроводника.
Это явление можно объяснить и другим способом.
Рассматривают схему кристаллической решетки четы-
рехвалентного полупроводника, например германия, со-
держащего примесные атомы пятивалентного мышьяка
и трехвалентного индия (см. рис. 40). В первом случае
у каждого атома мышьяка четыре валентных электрона
участвуют в парно-электронных связях с четырьмя со-
седними атомами германия, Пятый же электрон не за-
нят в связях и потому находится на более высоком энер-
гетическом уровне, чем валентные электроны атомов гер-
мания. Следовательно, энергетический уровень пятого
электрона расположен выше заполненной валентной
зоны. С другой стороны, этот уровень из-за наличия
остаточной связи электрона с ядром находится ниже са-
мого нижнего уровня свободной зоны проводимости.
В результате получается, что энергетический уровень
пятого электрона мышьяка располагается в запрещен-
ной зоне германия.
Подобные же рассуждения убеждают учащихся в
том, что энергетические уровни примесных атомов индия
располагаются тоже в запрещенной зоне полупроводни-
ка. Но так как валентные электроны мышьяка обладают
большей энергией, чем валентные электроны индия, то
энергетические уровни первых располагаются в герма-
нии ближе к зоне проводимости, а уровни вторых — бли-
же к заполненной валентной зоне.
Оба типа примесной проводимости могут быть также
проиллюстрированы при помощи аналогии с гаражом.
94
Электронная проводимость подобйа случаю, когда на
верхнем этаже находится, например, только один автомо-
биль, а на нижнем этаже автомобили расположены вплот-
ную друг к другу. Свободное движение автомобиля по
верхнему этажу аналогично движению свободных элект-
ронов, а движение машин в нижнем этаже отсутствует:
дырки при образовании свободных электронов не возни-
кают.
Дырочная проводимость соответствует случаю, когда
на первом этаже есть одно свободное место, а на втором
этаже автомашин нет. В этом случае движение автома-
шин возможно только в нижнем этаже путем замещения
пустого места. Это соответствует движению связанных
валентных электронов, которые последовательно запол-
няют образующиеся дырки. Движения же свободных
электронов (машин на втором этаже гаража) при этом
нет.
Выяснение природы проводимости-позволяет сделать
еще один важный вывод. Как известно, характер прово-
димости каждого реального полупроводника, помимо при-
месей, определяется и его температурой. При сравнитель-
но низких температурах проводимость полупроводников
обусловливается главным образом примесями. Напри-
мер, у электронного полупроводника число электронов
проводимости, поставляемых примесными атомами, с по-
вышением температуры возрастает. Это происходит до
тех пор, пока запасы электронов у примесных атомов еще
не исчерпаны. В этом случае эмиссия электронов с при-
месных атомов преобладает над эмиссией электронов с
основных атомов полупроводника. Наконец наступает
момент, когда запасы электронов, не занятых в ковалент-
ных связях, кончаются. С этого момента, определяемого
для каждого полупроводника конкретной температурой,
поставщиком электронов проводимости начинают слу-
жить основные атомы полупроводника, т. е. возникает
соответственная проводимость.
Аналогичные процессы происходят и в дырочном полу-
проводнике с той лишь разницей, что с повышением тем-
пературы примесные атомы постепенно насыщаются элек-
тронами, пока наконец не прекратят их принимать. До
этого момента в дырочном полупроводнике преобладает
примесная , проводимость. При дальнейшем повышении
температуры возникает собственная проводимость.
Таким образом, при сравнительно низких температу-
рах каждый реальный полупроводник обладает примес-
ной проводимостью, а при высоких температурах его про-
водимость становится собственной.
После этого приступают к демонстрации видов прово-
димости примесных полупроводников. Полупроводники
берут от полупроводникового термоэлемента, который
входит в комплект полупроводниковых приборов (см. гла-
ву II, § 1). Вид проводимости определяют по направле-
Рис. 45. Установка для демонстра-
ции электронной проводимости
полупроводников.
Рй©» 46. Схема
включения элект-
ронного полупро-
водника.
нию термотока в цепи. Опыт начинают с демонстрации
электронной проводимости.
Собирают установку, как показано на рисунке 45. Ин-
дикатором термотока берут демонстрационный гальвано-
метр с малым внутренним сопротивлением (от вольтмет-
ра) и шкалой 5—0—5. Его стрелку предварительно уста-
навливают на нулевом делении шкалы с помощью меха-
нического корректора, а сам прибор, подключают к тер-
моэлементу так: зажим гальванометра со знаком плюс
соединяют с нижним, холодным концом полупроводника,
обладающего электронной проводимостью (с правым за-
жимом термоэлемента), а второй зажим гальванометра —
с верхним концом полупроводника (средним зажимом
термоэлемента).
Вначале обращают внимание на отсутствие тока в це-
пи, если температура концов полупроводника одинакова.
Затем верхний конец полупроводника (к нему припаяна
96
пластинка) осторожно нагревают, например, слегка ра-
зогретым электрическим паяльником или спичкой. Галь-
ванометр при этом обнаруживает ток, и стрелка его от-
клоняется влево. По направлению тока легко определить
полярность концов включенного полупроводника. Про-
верка показывает, что ток через гальванометр идет в на-
правлении от горячего конца полупроводника к холодно-
му. Следовательно, горячий конец полупроводника заря-
дился положительно, а холодный отрицательно.
По рисунку 46, который следует изобразить на клас-
сной доске, учащимся объясняют, что такое явление воз-
можно в том случае, если
основными носителями то-
ка в полупроводнике явля-
ются электроны. Действи-
тельно при нагревании по-
лупроводника за счет ато-
мов примеси увеличивает-
ся число и скорость сво-
бодных электронов. Эти
электроны по законам
диффузии начинают пере-
мещаться в полупровод-
Рис. 47. Установка для демон-
страции дырочной проводи-
мости полупроводников.
нике в сторону холодного
конца и заряжают послед-
ний отрицательно. Горя-
чий конец при этом за-
ряжается положительно. Разделение зарядов приводит
к образованию электрического поля, под действием кото-
рого и создается термоток в цепи.
Для демонстрации дырочной проводимости гальвано-
метр подключают к концам второго полупроводника тер-
моэлемента, причем нагретый конец полупроводника
(средний зажим) соединяют с тем же зажимом гальвано-
метра, .что и в первом случае (рис. 47). Теперь стрелка
гальванометра отклоняется в правую сторону, несмотря
на одинаковое включение гальванометра.
Обратное направление тока в цепи указывает на об-
ратную полярность концов полупроводника: горячий ко-
нец зарядился отрицательно, а холодный положительно.
Значит, во втором полупроводнике изменился знак носи-
телей тока. Эту роль теперь выполняют дырки, которые
ведут себя, как положительные заряды.
97
По ходу демонстрации дают объяснение второй части
опыта, пользуясь при этом рисунком 48. На горячем кон-
це полупроводника образуются дополнительные свобод-
ные электроны. Но теперь освободившиеся электроны за-
хватываются атомами примеси и вновь теряют возмож-
ность перемещаться и участвовать в проводимости. В то
же время в основных атомах полупроводника, из которых
Рис. 48. Схема
включения дыроч-
ного полупровод-
ника.
не существует; в
эти электроны вырвались, остаются
свободные места —дырки. Таких ды-
рок образуется больше в нагретом кон-
це полупроводника. Из соседних ато-
мов на место образовавшихся дырок
переходят валентные электроны. Дыр-
ки в первых атомах заполняются элек-
тронами, но зато они появляются в
других атомах.
В результате таких своеобразных
переходов электронов дырки переме-
щаются от горячего конца к холодному
и заряжают его положительно; горя-
чий конец полупроводника заряжается
отрицательно.
В этих рассуждениях необходимо
еще раз обратить внимание учащихся
на то, что частиц-дырок как таковых
обоих видах проводимости полупровод-
ников движение совершают только валентные электроны
и никаких других свободных зарядов в полупроводнике
не имеется. Проводимости отличаются друг от друга -
лишь механизмом движения электронов.
Электронная проводимость обусловлена направлен-
ным движением свободных электронов в зоне проводимо-
сти, а дырочная вызвана движением электронов в валент-
ной зоне. Эти электроны, переходя от-атома к атому, по-
очередно замещают друг друга в связях, что эквивалент-
но движению дырок в противоположном направлении.
Фиктивная частица-дырка вводится лишь для простоты
описания сложного процесса движения электронов в по-
лупроводнике.
После объяснения механизма возникновения примес-
ной проводимости следует показать учащимся третий
фрагмент учебного кинофильма «Полупроводники и их
применение в технике».
98
В третьем фрагмен-
те «Примесная прово-
димость» сначала с по-
мощью мультиплика-
ции показывается об-
разование примесной
электронной проводи-
мости. В отдельных
узлах кристаллической
решетки четырехва-
лентные атомы крем-
ния заменяются пяти-
валентными атомами
мышьяка. В результате
образуются свободные
электроны, которые
движутся хаотически.
При наложении элек-
трического поля элек-
троны дрейфуют про-
тив направления поля,
образуя электронный
ток.
Далее с помощью*
Рис. 49. Виды проводимости тел.
Т1ШПП1
мультипликации разъ-
ясняется образование
дырок при введении в
кристалл кремния атомов трехвалентного бора. Следую-
щие кадры показывают движение дырок под действием
электрического поля (дырочный ток). Бегло дается поня-
тие об основных и неосновных носителях тока.
Изучение электропроводности полупроводников закан-
чивают обобщающей беседой, в которой кратко повторя-
ют различные виды проводимости и дают их классифика-
цию согласно таблице, показанной на рисунке 49.
§ 6. Выпрямительное свойство электронно-дырочного
перехода
Вначале учащимся дают понятие об электронно-ды-
рочных переходах и способах их получения, а затем рас-
сматривают физическую сущность процессов, приводя-
щих к образованию запирающего слоя.
99
Учащимся сообщают, что п—р переходы образуются
на границе двух полупроводников, обладающих различ-
ным видом проводимости, а также на границе металла и
полупроводника. Различают переходы плоскостные и то-
чечные.
Плоскостные переходы получают в монокристалле по-
лупроводника путем введения в полупроводник примесей
и осуществления специальной термической обработки, ли-
бо в результате разделения примесей во время кристал-
лизации.
Один из наиболее распространенных методов получе-
ния п—р переходов заключается во вплавленйи неболь-
шого,кусочка индия (акцептор) в кристалл германия,
имеющего электронную проводимость. В процессе вплав-
ления атомы индия диффундируют внутрь германия и об-
разуют в нем поверхностную область с дырочной прово-
димостью. Остальная часть германия, куда атомы индия
не попадают, остается с электронной. проводимостью. В
результате в кристалле образуются две резко разграни-
ченные области с различным видом проводимости, т. е.
электронно-дырочный переход толщиной в несколько
микрон.
Следует отметить, что плоскостные переходы нельзя
получить механическим соединением двух отдельных по-
лупроводников, так как зазор между полупроводниками
должен быть порядка межатомных расстояний.
Точечный электронно-дырочный переход образуется в
месте контакта полупроводника с металлической иглой.
Сварка острия с кристаллом полупроводника осуществля-
ется электрическим током, который пропускают в течение
нескольких секунд. При этом происходит разогрев места
контакта, и остриё проникает в глубь кристалла.
Далее по таблице «Электронно-дырочный переход»
(рис. 50) рассматривают физические процессы, происхо-
дящие на границе двух полупроводников с различным ви-
дом проводимости при отсутствии внешнего электриче-
ского поля.
Электроны из электронного полупроводника диффун-
дируют в дырочный и заряжают его отрицательно. По-
граничный слой электронного полупроводника, потеряв
часть электронов, заряжается положительно. Из дыроч-
ного полупроводника в электронный аналогично диффун-
дируют дырки. В результате взаимной диффузии на гра-
100
a
n	p
: ООО
feo.do 
Электронно- ды роч ный
переход при отсутствии
внешнего, напряжения
Распределение
концентрации
свободных электронов
Распределение
концентрации
дырок
Распределение
плотности
объемного заряда
Распределение
потенциала
Распределение
напряженности
электрического поля
X
Рис. 50. Стенная таблица «Электронно-дырочный переход».
нице полупроводников возникает двойной слой электри-
ческих зарядов, состоящий из отрицательных и положи-
тельных ионов примесных атомов (акцепторов и доно-
ров).
101
Положительные ионы в электронном полупроводнике
и отрицательные ноны в дырочном полупроводнике, жест-
ко связанные с кристаллической решеткой, создают в
электронно-дырочном переходе объемный заряд и элек-
трическое поле. Это поле противодействует диффузии ос-
новных носителей тока, в то же время поддерживает
диффузию неосновных носителей тока, благодаря чему
устанавливается состояние равновесия. Другими словами,
между противоположно заряженными частями одного и
того же полупроводника возникает разность потенциалов,
которая устанавливается и сохраняется не с'помощью
внешнего напряжения, а лишь вследствие взаимной са-
модиффузии электронов и дырок.
Разность потенциалов, возникшую на границе элект-
ронной и дырочной областей полупроводника, называют
контактной разностью потенциалов.
Благодаря наличию этой разности потенциалов, кото-
рую также называют потенциальным барьером, переход
электронов из электронной области в дырочную затруд-
нен, а из дырочной в электронную — облегчен. Преодо-
леть этот барьер могут только электроны электронной об-
ласти, уровень энергии которых выше уровня энергии по-
тенциального барьера. При переходе же электронов из
дырочной области в электронную' они как бы свободно
«скатываются» с этого барьера.
Рассмотренный выше механизм установления равно-
весия потоков электронов и дырок приводит к тому, что
пограничные области электронно-дырочного перехода
оказываются обедненными основными носителями тока.
Это. приводит к повышению электрического сопротивле-
ния этих областей. Область повышенного сопротивления
на границе электронно-дырочного перехода называют за;
пирающим слоем.
Необходимо отметить, что, несмотря на малую тол-
щину этого слоя, он составляет главную часть сопротив-
ления обоих полупроводников.
Рассмотренные процессы представлены на стенной
таблице графически (см*, рис. 50). С этими графиками
следует ознакомить учащихся.
После этого учащихся знакомят с устройством полу-
проводникового диода по таблице «Диод» (рис. 51).
Полупроводниковый диод типа Д7Ж состоит из моно-
кристаллической пластинки германия 2, обладающего
102
Рис. 51. Стенная таблица «Диод»:
а -* условное обозначение на схемах; б — конструкция диода Д7Ж; 6 общий
вид некоторых типов диодов; а — вольт-амперная характеристика диода Д7Ж-
электронной проводимостью. В верхнюю сторону, плас-
тинки вплавлена капля индия 3, а нижняя сторона плас-
тинки припаяна оловом 1 к металлическому корпусу.
Пластинка помещена в герметически закрытый сварной
металлический корпус 5, который изолирует ее от атмос-
ферного воздуха и света, обеспечивая устойчивую работу
электронно-дырочного перехода при изменении влажно-
сти окружающей среды и давления. От пластинки сдела-
103
ны два вывода 4, причем один из них, как показано на
таблице, проходит в металлической трубке 7, изолиро-
ванной от корпуса стеклом 6.
Рассмотрев устройство диода, приступают к демон-
страции зависимости сопротивления его электронно-ды-
рочного перехода от полярности приложенного напря-
жения.
Сопротивление запирающего слоя диода измеряют с
помощью демонстрационного омметра, который собира-
ют из источника постоянного тока напряжением не более
1,5 в, демонстрационного гальванометра (от ампермет-
ра) , реостата сопротивлением 3 ком и однополюсного ру-
бильника (рис, 52),
Рис. 52. Схема включения диода в направ-
лении пропускания тока.
Вначале в цепи омметра устанавливают с помощью
реостата такой величины ток, чтобы стрелка гальвано-
метра отклонилась до последнего деления шкалы 0—10,
(нуля омметра). Затем полупроводниковый диод типа
Д7Ж, входящий в комплект полупроводниковых прибо-
ров (см. главу II, § 1), включают в цепь омметра в про-
ходном направлении (рис. 53), т. е. положительный по-
люс источника соединяют с дырочным полупроводником,
а отрицательный полюс — с электронным полупроводни-
ком диода.
Сопротивление диода в проходном направлении, как
показывает омметр, мало.
По стенной таблице «Принцип действия диода»
(рис. 54) дают объяснение этому опыту.
104
Рис, 53. Установка для демонстрации односторонней проводимости
диода.
п	____ р
©Ч©*^^® ^ЙЭ<=©
©’•*;'©-Г Ж ^т©^©
©*©^Д <ЙО<©
б
Рис. 54. Стенная таблица «Принцип действия
диода»:
а — диод включен в направлении запирания тока; б — диод вклю-
чен в направлении пропускания тока.
Под действием внешнего электрического поля, направ-
ленного от дырочного полупроводника к электронному
(на таблице вторая схема), основные носители тока в
каждом полупроводнике движутся к границе раздела по-
105
лупроводников и разрушают запирающий слой, обогащая
его свободными носителями тока. Это приводит к умень-
шению его сопротивления. Электрический ток, созданный
основными носителями тока, называют прямым током
диода/
После этого в прежней установке изменяют поляр-
ность включения диода (рис. 55). Ток в цепи уменьшается
почти до нуля. Это указывает на значительное увеличе-
ние сопротивления запирающего слоя и его односторон-
нюю электропроводность.
Рис. 55. Схема .включения диода в направлении
запирания тока.
По той же таблице (см. рис. 54, схема первая) выяс-
няют причину этого явления. Свободные электроны в
электронном полупроводнике движутся теперь к поло-
жительному полюсу источника, а дырки, в дырочном по-
лупроводнике— к отрицательному полюсу. В результате
основные носители тока удаляются от границы полупро-
водников и толщина запирающего слоя увеличивается, а
сопротивление его значительно возрастает. Прежнее рав-
новесие электрических зарядов в электронно-дырочном
переходе нарушается, и напряженность внутреннего поля
увеличивается. На таблице это отмечено двойным слоем
связанных зарядов, расположенных по обеим сторонам
границы полупроводников. Лишь очень небольшой по ве-
личине ток, который называют обратным током диода,
поддерживается теперь за счет движения к границе полу-
проводников неосновных носителей тока (см. рис. 55).
106
Явления, происходящие в электронно-дырочном пере-
ходе, можно объяснить и другим способом.
Когда к п—р переходу приложено прямое напряже-
ние, то внешнее напряжение понижает потенциальный
барьер перехода, так как полярность контактной разно-
сти потенциалов и напряжения приложенной батареи
оказываются противоположными. Вследствие понижения
уровня потенциального барьера большая часть электро-
нов преодолевает этот барьер и диффундирует из элект-
ронной области полупроводника в дырочную. Поток же
электронов из дырочной области, скатывающийся с по-
тенциального барьера, остается таким же, как и рань-
ше, потому что он не зависит от высоты указанного
барьера.
Аналогичные явления наблюдаются и с потоками ды-
рок.
Все это приводит к тому, что равновесие между по-
токами электронов и дырок нарушается: в электронную
область диффундирует больше дырок, а в дырочную об-
ласть — больше электронов.
Это нарушение равновесия внутри полупроводника
проявляется во внешней цепи в виде прямого тока диода.
Если увеличить внешнее напряжение, то поток электро-
нов из электронной области в дырочную возрастет, а
встречный поток будет оставаться постоянным. Такая же
картина будет наблюдаться и с дырками, только их по-
ток будет направлен навстречу потоку электронов. По-
этому величина прямого тока диода будет зависеть от ве-
личины приложенного напряжения.
При обратной полярности внешнего напряжения по-
тенциальный барьер электронно-дырочного перехода рез-
ко повышается, так как внешнее напряжение и контакт-
ная разность потенциалов складываются. Теперь только
единичные электроны смогут преодолеть этот барьер. По-
ток же электронов из дырочной области в электронную
остается практически постоянным. Ток во внешней цепи,
как и в первом случае, определяется разностью этих по-
токов.
По мере повышения внешнего напряжения вели-
чина этого тока вначале будет расти. Когда же высота
потенциального барьера сделается слишком большой и
электроны практически не смогут больше преодолеть его,
увеличение тока в цепи прекратится. Теперь ток будет со-
107
здаваться только потоком электронов из дырочной обла-
сти полупроводника и дырок из электронной области, т. е.
движением неосновных'носителей тока. Величина же этих
потоков не зависит от приложенного напряжения.
Второй путь объяснения немного труднее для уча-
щихся.
Рассмотренная зависимость прямого и обратного тока
в диоде от величины приложенного напряжения представ-
лена на стенной таблице «Диод» (рис. 51). Учащихся сле-
дует познакомить с графиком этой зависимости.
Вольт-амперная характеристика диода показывает,
что прямой ток, начиная с некоторого значения, зависит
от напряжения почти линей-
но, а обратный ток, наобо-
рот, от напряжения почти не
зависит.
Из этого следует, что пря-
мое сопротивление электрон-
но-дырочного перехода с по-
вышением внешнего напря-
жения вначале постепенно
уменьшается, а затем оста-
ется почти постоянным. Об-
ратное же сопротивление пе-
рехода возрастает почти
пропорционально приложен-
ному напряжению.
выполнению в практикуме ла-
Рис. 56. Диод Д7Ж на под-
ставке (лабораторный прибор).
С целью подготовки к
бораторной работы «Снятие вольт-амперной характери-
стики полупроводникового диода» учащихся знакомят с
устройством лабораторного прибора и порядком выпол-
нения этой работы.
В лабораторном приборе применен германиевый плос-
костной диод типа Д7Ж, укрепленный на изолирующей
панели с двумя винтовыми зажимами (рис. 56). Этот ди-
од позволяет получить достаточно большой выпрямлен-
ный ток (до 300 ма), который хорошо измеряется милли-
амперметром, применяемым обычно в практикуме, а вы-
сокое значение допустимого обратного напряжения (до
400 в) обеспечивает сохранность диода~во время выпол-
нения работы.
Далее останавливаются на техническом применении
диодов для выпрямления переменного тока.
108
Для демонстрации однополупериодного выпрямления
переменного тока собирают установку, как показано на
рисунке 57. Переменный ток берут от осветительной сети
через школьный универсальный трансформатор с катуш-
ками на 120 и 6—6 в. К половине вторичной катушки
трансформатора подключают последовательно полупро-
водниковый диод, демонстрационный гальванометр от
амперметра и реостат. При замыкании первичной цепи
Рис. 57. Установка для демонстрации однополупериодного выпрям-
ления переменного тока диодом.
трансформатора гальванометр обнаруживает постоянный
по направлению ток. Учащимся объясняют, что под дей-
ствием внешнего переменного напряжения запирающий
слой полупроводникового диода «пульсирует», изменяя
свою толщину и сопротивление. Это создает благоприят-
ные условия для прохождения электрического тока от ды-
рочного полупроводника к электронному (пропускное на-
правление) и неблагоприятные условия для прохождения
тока в обратном направлении, т. е. в течение одного полу-
периода ток проходит через выпрямитель, а в течение вто-
рого полупериода он становится настолько слабым, что
практически его можно не принимать во внимание.
Затем в цепь вторичной катушки трансформатора
включают оба диода и демонстрируют двухполупериод-
ное выпрямление переменного тока.
Внимание учащихся обращают на увеличение тока в
цепи по сравнению с первым опытом примерно в два ра-
за и объясняют причину этого явления.
При наличии в школе электронного осциллографа по-
казывают формы кривых входных напряжений и выпрям-
109
ленных диодами токов. Для получения кривой напряже-
ния осциллограф соединяют с зажимами вторичной ка-
тушки трансформатора, а для наблюдения кривых тока —
с зажимами нагрузочного реостата (рис. 58).
&
Рис; 58. Установка для демонстрации двухполупериодного выпрям-
ления переменного тока.
Можно привести следующие примеры практического
применения диодов:
1)	в лабораторной практике (зарядка аккумулято-
ров и др.);
2)	в электроизмерительных приборах, предназначен-
ных для измерения в цепях переменного тока (школьный
авометр, демонстрационный гальванометр и др.);
3)	в выпрямителях мощностью до сотен тысяч кило-
ватт, применяемых на транспорте, в электрометаллургии,
в электроэнергетике (передача электрической энергии на
постоянном токе);
4)	в радиоэлектронике и автоматике вместо диодов с
подогревным катодом и др.
Полезно обратить внимание учащихся на то, что элект-
ронно-дырочный переход аналогичен заряженному кон-
денсатору, а потому он, как и конденсатор, обладает
определенной емкостью. Величина этой емкости изменяет-
ся в зависимости от величины и полярности приложенно-
го к переходу внешнего напряжения.
110
Это свойство перехода получило практическое, приме-
нение в полупроводниковых конденсаторах переменной
емкости.
С внешним видом некоторых диодов учащихся знако-
мят по той же стенной таблице «Диод» (см. рис. 51) или
показывают диоды в натуре и для наглядности проециру-
ют их с помощью эпидиаскопа на экран.
Учащимся сообщают, что наибольшее распростране-
ние получили купроксные, селеновые, германиевые и крем-
ниевые выпрямители. Их устройство рассматривать не
следует. Достаточно сказать, что технология изготовле-
ния всех полупроводниковых выпрямителей сводится к
созданию внутри них электронно-дырочного перехода.
В заключение отмечают основные преимущества полу-
проводниковых выпрямителей по сравнению с другими
преобразователями: малые вес и габариты, высокий ко-
эффициент полезного действия, отсутствие движущихся
частей, большой срок службы, механическая прочность и
простота конструкции, постоянная готовность к действию,
высокая надежность и бесшумность в работе и др. Эти
преимущества обеспечили полупроводниковым диодам
широкое практическое применение в различных областях
современной техники.
В разъяснении физических процессов, протекающих
в электронно-дырочном переходе, большую помощь мо-
жет оказать учебный кинофильм «Полупроводники и их
применение в технике». Механизм образования электрон-
но-дырочного перехода раскрывается в четвертом фраг-
менте фильма. В этом фрагменте сначала показывается
образование п—р перехода при вплавлении в электрон-
ный германий кусочка индия. Из образовавшихся при-
месных полупроводников происходит диффузия электро-
нов и дырок. Электроны из электронной области, участвуя
в тепловом движении, переходят в дырочную область и
рекомбинируются. Дырки из дырочной области, участвуя
в тепловом движении, проникают в электронную область
и через некоторое время, встречаясь с электронами, так-
же рекомбинируются. В дырочной области заметно убы-
вает количество дырок, а в электронной области — коли-
чество электронов. Зато в дырочной области видны пере-
шедшие электроны, а в электронной области — дырки.
В результате таких переходов в дырочной области обра-
зуется слой с избыточной концентрацией не успевших ре-
Ш
комбинироваться электронов, а в электронной области —
слой с избыточной концентрацией не успевших рекомби-
нироваться дырок — двойной слой положительных и от-
рицательных зарядов.
Затем рассматривается поведение основных и неос-
новных носителей тока при подаче на кристалл внешнего
напряжения различной полярности. Сначала к кристаллу
"полупроводника прикладывается электрическое поле в
проходном направлении. Видно движение электронов и
дырок навстречу друг другу: по цепи идет ток. Меняется
полярность источника» Ток не проходит. Разъясняется,
почему в этом случае ток отсутствует. Электроны и дыр-
ки движутся в противоположные стороны, в результате
чего электронно-дырочный переход быстро лишается но-
сителей тока и цепь оказывается разорванной.
Делается вывод об односторонней проводимости элект-
ронно-дырочного перехода и показывается применение
этого свойства в полупроводниковых диодах.
Для закрепления йзучаемых явлений полезно решить
следующие задачи.
По вольт-амперной характеристике плоскостного гер-
маниевого диода типа Д7Ж, изображенйой на стенной
-таблице «Диод» (см. рис. 51), определить:
1)	наименьший прямой ток диода (при напряжении
0,3 в);
2)	наибольший обратный ток (при напряжении
600 в);
3)	наибольшую амплитуду обратного напряжения;
4)	внутреннее сопротивление в положительной облас-
ти (при напряжении 0,3 в) и в отрицательной области
(при напряжении 600 в).
Ответить на вопросы:
1)	Как объяснить наличие у вольт-амперной характе-
ристики диода горизонтального участка в области отри-
цательных напряжений?
2)	Почему при больших обратных напряжениях на
диоде (больше 600 в) величина его обратного тока резко
возрастает?
3)	Почему в области положительных напряжений
вольт-амперная характеристика диода не имеет горизон-
тального участка?
4)	Для каких участков характеристики справедлив за-
кон Ома?
112
§ 7. Термоэлектрические свойства электронно-дырочно-
го перехода
С термоэлектрическим явлением учащиеся познако-
мились при изучении проводимости металлов и полупро-
водников, но в последнем случае главное внимание обра-
щалось на опытное обоснование существования у полу-
проводников двух видов проводимости. Теперь, после
изучения физических процессов, протекающих в элект-
ронно-дырочном переходе, представляется возможность
рассмотреть эти явления подробнее.
Вначале рассматривают возникновение термоэлектро-
движущей силы при нагревании контакта двух полупро-
водников, а затем обратное явление — охлаждение и на-
гревание контакта электрическим током, Оба явления
демонстрируют на опыте с полупроводниковым термо-
элементом, входящим в комплект полупроводниковых
приборов (см. главу II, § 1).
Вначале учащихся кратко знакомят с устройством по-
лупроводникового термоэлемента. Показывают термо-
элемент в натуре, а затем его изображение на стенной
таблице «Термоэлемент» (рис. 59), Отмечают основные
части: два полупроводниковых брусочка 1 и 3, различаю-
щихся видом проводимости; медную пластинку 2, замы-
кающую верхние концы брусочков, и П-образные медные
пластины-радиаторы 4, предназначенные для отвода теп-
лоты и поддержания необходимой разности температур
при работе термоэлемента.
Затем приступают к демонстрации опыта, который ре-
комендуется разделить на три части. Вначале показыва-
ют образование термоэлектродвижущей силы в паре про-
водник—• полупроводник с электронной проводимостью.
Такую пару составляют электронный полупроводник тер-
моэлемента и медная пластинка, соединяющая верхние
концы полупроводников вместе с медным проводом, иду-
щим к среднему зажиму термоэлемента (см. рис. 45).
При нагревании верхнего спая термоэлемента демон-
страционный гальванометр обнаруживает термоток. Ве-
личина его пропорциональна разности температур спаев
термоэлемента. При этом следует обратить внимание на
то, что у электронного полупроводника и у медной плас-
тинки горячие концы заряжаются положительно, а холод-
ные — отрицательно (см. рис. 46), так как в обеих ветвях
113
Рис. 59. Стенная
а условное обозначение на схемах; б — конструкция полупроводникового
термоэлемента; в — схема действия термоэлемента; г — микроскопный сто-
лик; д — термогенератор ТГК-3; е — полупроводниковый холодильник,
термоэлемента основными носителями тока являются сво-
бодные электроны. Но ток во внешней цепи, как показы-
вает гальванометр, идет от медной пластинки к полупро-
воднику, Следовательно, холодный конец полупроводника
114
имеет более низкий потенциал, чем холодный конец мед-
ной пластинки. Другими словами, разность потенциалов
между горячим и холодным концами полупроводника
больше разности потенциалов на концах медной пластин-
ки. Результирующее напряжение на зажимах термоэле-
мента равно разности этих напряжений, так как они дей-
ствуют навстречу друг другу.
Во второй части опыта показывают образование тер-
моэлектродвижущей силы в паре проводник и полупро-
водник, обладающий
дырочной проводимо-
стью. Такую пару со-
ставляют верхняя мед-
ная пластинка и дыроч-
ный полупроводник тер-
моэлемента. Для обна-
ружения возникающего
напряжения к зажимам
термоэлемента подклю-
чают	де мо нстр а цио н-
ный гальванометр так,
чтобы полупроводнико-
вая ветвь термоэлемен-
та была соединена с
Правым зажимом галь- Рис. 60. Установка для демонстрации
ванометра, а медная— действия термоэлемента,
с левым зажимом (см.
рис. 47). При нагревании верхнего спая термоэлемента
стрелка гальванометра отклоняется вправо, что указы-
вает на обратное направление тока в цепи. Холодный ко-
нец дырочного полупроводника приобрел положительный
потенциал, а холодный конец меди — отрицательный
,(см. рис. 48). Результирующее напряжение на зажимах
термоэлемента равно сумме напряжений в отдельных
ветвях.
В заключение показывают работу термоэлемента, обе
ветви которого представляют полупроводники с различ-
ной проводимостью. Образующееся на зажимах термо-
элемента напряжение измеряют гальванометром со шка-
лой 0—15, стрелку которого перед измерением переводят
на нуль новой шкалы (рис. 60). Опыт показывает, что ре-
зультирующее напряжение на зажимах полупроводнико-
вого термоэлемента равно сумме напряжений на отдель-
115
ных ветвях, т. е. оно примерно в два раза больше, чем на-
пряжение термоэлемента, состоящего из меди и полупро-
водника, при той же температуре горячего спая. Медная
пластинка, замыкающая горячие концы полупроводников,
не оказывает влияния на величину результирующей тер-
моэлектродвижущей силы, так как оба конца ее находят-
ся при одной и той же температуре.
Термоэлектрические явления в полупроводниковом
термоэлементе объясняют термодиффузией основных но-
сителей тока. Для этого внимание учащихся снова обра-
щают к таблице «Термоэлемент» (см. рис. 59), где пред-
ставлена схема действия термоэлемента. Кружочки со
знаком «плюс» обозначают дырки, а кружочки со знаком
«минус» — свободные электроны.
При нагревании верхнего спая термоэлемента носите-
ли тока в обоих полупроводниках (электроны и дырки)
начинают диффундировать от горячего спая к холодному.
Направление термодиффузии основных носителей тока
показано на схеме стрелками, расположенными около
кружочков. Это перемещение зарядов приводит к тому,
что горячий конец дырочного полупроводника заряжается
отрицательно, а холодный — положительно. В электрон-
ном полупроводнике картина иная: горячий конец заря-
жается положительно, а холодный — отрицательно.
Такое распределение зарядов влечет за собой образо-
вание внутреннего электрического поля. Это поле по ме-
ре возрастания замедляет диффузию зарядов от горячего
конца к холодному, что, в конце концов, приводит к уста-
новлению динамического равновесия: потоки зарядов от
горячих концов полупроводников к холодным и обратно
становятся одинаковыми.
Возникающая при этом разность потенциалов на за-
жимах есть термоэлектродвижущая сила термоэлемента.
Необходимо подчеркнуть, что величина термоэлектро-
движущей силы в полупроводниковых термоэлементах
значительно больше, чем у металлических термопар, и
дать объяснение этому явлению.
Несмотря на то что в металлах число свободных элект-
ронов в единице объема несравненно больше, чем в полу-
проводниках, число их не зависит от температуры. Повы-
шение температуры металлов изменяет лишь энергию
этих электронов, что и является причиной образования
термоэлектродвижущей силы.
116
В полупроводниках нагревание увеличивает не только
кинетическую энергию электронов и дырок, но и их кон-
центрацию. Поэтому в полупроводниках та же разность
температур между противоположными концами вызывает
более интенсивное перемещение (диффузию) основных
носителей тока от горячего конца к холодному. К тому же
имеет значение и меньшая теплопроводность полупровод-
ников в сравнении с теплопроводностью металлов. По-
этому полупроводниковые термоэлементы обладают срав-
нительно большим коэффициентом полезного действия
(7—8%), чем металлические термопары (0,1%), и явля-
ются практически экономичными источниками тока.
В связи с этим они получили широкое применение в тер-
моэлектрогенераторах, преобразующих тепло, выделяе-
мое при горении керосиновой лампы или керогаза, в
электрический ток.
При наличии в школе термоэлектрического генера-
тора, например типа ТГК-3 (термоэлектрический гене-
ратор керосиновый, трехваттный), рассчитанного на
питание батарейных радиоприемников, следует объяс-
нить его устройство и показать действие. Внешний вид
такого генератора показан на таблице «Термоэлемент»
(см. рис. 59).
Следует отметить ряд преимуществ, которыми обла*
дают такие генераторы. Они, например, не боятся ко-
ротких замыканий и ввиду отсутствия трущихся час-
тей долговечны.
Можно сказать также, что в настоящее время ведут-
ся работы, связанные с повышением к. п. д. таких ге-
нераторов. Успешное решение этой задачи открывает
заманчивые перспективы получения электроэнергии в
промышленных масштабах с помощью мощных полупро-
водниковых термоэлектрогенераторов.
Для демонстрации обратного явления собирают уста-
новку, как показано на рисунке 61. Термоэлемент вклю-
чают через реостат на 10 а в цепь источника постоянно-
го тока, например батареи аккумуляторов, соединенных
параллельно (при достаточно большой емкости аккуму-
лятора можно обойтись и одним аккумулятором). В слу-
чае демонстрации электрического охлаждения положи-
тельный полюс источника тока соединяют с полупровод-
ником, обладающим электронной проводимостью, а от-
рицательный полюс источника — с полупроводником
117
Рис. 61. Установка для демонстрации охлаждения током электронно-
дырочного перехода термоэлемента.
дырочной проводимости (рис. 62). Температуру холод-
ного спая термоэлемента контролируют с помощью де-
монстрационного электрического термометра сопротив-
ления со шкалой О—40°С (см. гл. III, § 2, опыт 1).
Рис. 62. Схема включения термоэлемента для демон-
страции охлаждения током электронно-дырочного
перехода.
Максимальное охлаждение спая тремоэлемента полу*
чается только при вполне определенной величине проте-
кающего электрического тока. Величина этого тока за-
висит от конструктивных особенностей термоэлемента.
В нашем опыте пропускают ток 9—10 а, тогда при тем-
пературе окружающего воздуха в 20°С температура хо-
лодного спая понижается до 8°С. Эффект охлаждения
зависит также от отдачи тепла горячим спаем и притока
118
теплоты извне к холодному спаю. Поэтому для получе-
ния максимального перепада температуры на спаях тер-
моэлемента необходимо не только охлаждать горячий
спай, что происходит естественным способом с помощью
медных пластин, но и теплоизолировать холодный. Это
можно сделать с помощью кусочка ваты или пробки.
После показа электрического охлаждения изменя-
ют направление тока в цепи термоэлемента. Холодный
спай при этом начинает нагреваться. Повышение темпе-
ратуры наблюдают с помощью демонстрационного
1
Рис. 63. Схема движения электронов и дырок при
охлаждении электронно-дырочного перехода.
электрического термометра сопротивления. Опыт позво-
ляет сделать вывод: если электрический ток идет от
электронного полупроводника-к дырочному, то контакт
двух полупроводников охлаждается, а при обратном на-
правлении тока — нагревается.
Это явление называют эффектом Пельтье. Эффект
Пельтье не связан с обычным тепловым действием тока
и объясняется изменением энергии электронов при пере-
ходе их через границу двух полупроводников. Подроб-
нее объяснить это явление можно следующим образом.
В полупроводниках, из которых сделан термоэлемент,
основные носители тока (электроны и дырки) облада-
ют различной энергией, причем энергия свободных
электронов электронного полупроводника больше энер-
гии связанных электронов дырочного полупроводника.
Поэтому, когда электрический ток идет от электронного
полупроводника к дырочному (имеется в виду техниче-
ское направление тока, рис. 63), электроны из дырочного
полупроводника переходят в электронный, где энергия
их становится больше. Увеличение энергии электронов
происходит за счет внутренней энергии контакта полу-
проводников, что приводит к его охлаждению.
119
Другими словами, электроны при переходе через кон-
такт полупроводников из связанного состояния (из ва-
лентной зоны дырочного полупроводника) переходят в
свободное состояние( «забрасываются» в свободную зо-
ну проводимости электронного полупроводника). При
этом в дырочном полупроводнике ( в валентной зоне ды-
рочного полупроводника) происходит образование ды-
рок, которые под действием внешнего электрического
поля движутся в сторону, обратную движению электро-
нов. На образование пары электрон — дырка затрачива-
I
Рис. 64. Схема движения электронов и дырок при
нагревании электронно-дырочного перехода.
ется некоторое количество энергии (для преодоления
запрещенной зоны), которое заимствуется из внутренней
энергии контакта, в результате чего он охлаждается.
При обратном направлении тока (рис. 64) электроны
в электронном полупроводнике, а дырки в дырочном по-
лупроводнике движутся навстречу друг другу и в месте
контакта происходит их рекомбинация. Механизм этого
процесса состоит в том, что электроны из свободного
состояния (из свободной зоны проводимости электрон-
ного полупроводника), попав в дырочный полупровод-
ник, переходят в связанное состояние (в валентную зону
дырочного полупроводника). Освобождающаяся при
этом избыточная энергия выделяется в области контак-
та и нагревает его. Полезно заметить, что эффект
Пельтье (охлаждение контакта двух полупроводников)
наблюдается и при работе полупроводникового термо-
элемента. Действительно электрический ток, возника-
ющий в термоэлементе, с одной стороны, содействует
выравниванию электрических потенциалов и концентра-
ции основных носителей тока, а с другой стороны, про-
изводит выравнивание температуры полупроводников,
12Q
Это выравнивание температуры происходит благодаря
обмену энергией между движущимися электронами и
ионами кристаллической решетки полупроводников.
Внутренняя энергия от горячего спая переносится к хо-
лодному, в результате чего горячий спай охлаждается,
а холодный нагревается.
Отмечают, что электрический способ охлаждения по-
лупроводников получил практическое применение в раз-
личных охлаждающих устройствах: микрохолодильниках
для научных целей, термостатах, термоэлектрических
гигрометрах и др. С некоторыми из этих устройств уча-
щихся знакомят по стенной таблице «Термоэлемент» (см.
рис. 59)«
Указывают, что этот способ охлаждения позволяет
плавно регулировать температуру путем изменения ве-
личины тока. При изменении направления тока охлаж-
дающее устройство превращается в нагревающее.
При объяснении принципа работы полупроводнико-
вого термоэлемента, кроме стенной таблицы, следует
демонстрировать учебный кинофильм «Полупроводники
и их применение в технике» (пятый фрагмент «Полу-
проводниковый термоэлемент»). В пятом фрагменте
показывается устройство полупроводникового термо-
элемента и с помощью мультипликации объясняется его
работа. В заключение фрагмента показывается про-
мышленный термоэлемент и его действие.
Для закрепления изученного материала полезно ре-
шить следующие задачи.
I. Электродвижущая сила демонстрационного по-
лупроводникового термоэлемента в интервале темпера-
тур от 0 до 100°С прямо пропорциональна разности
температур между нагретым и холодным спаями. При
разности температуры спаев 80°С э. д. с. термоэлемен-
та равна 20 мв.
1. Начертить график зависимости э. д. с. термоэле-
мента от разности температур его спаев.
2. По графику определить э. д. с. термоэлемента
при разности температур его спаев 20, 40 и 60°С.
II. При одной и той же разности температур спаев
термоэлемента к его зажимам вначале подключили де-
монстрационный гальванометр от амперметра (чувст-
вительность 0,5 ма на 1 деление шкалы 5—0—5; внут-
реннее сопротивление 42 ом), а затем демонстрацион-
121
ный гальванометр от вольтметра (чувствительность
5 мв на 1 деление шкалы 5—0—5; внутреннее сопротив-
ление 3,5 ом). У какого гальванометра стрелка откло-
нилась на большее число делений? Внутренним сопро-
тивлением термоэлемента пренебречь.
§ 8. Фотоэлектрические свойства электронно-дырочного
перехода
Эти свойства изучают на опытах с полупроводниковым
фотоэлементом, входящим в комплект полупроводнико-
вых приборов (см. гл. II, § 1). Вначале учащихся знако-
мят с устройством фотоэлемента, воспользовавшись для
этого-стенной таблицей «Фотоэлемент» (рис. 65).
Селеновый фотоэлемент представляет собой железную
пластинку Л покрытую плотным слоем селена 2, обладаю-
щего дырочной проводимостью. На поверхности селена
нанесен тонкий полупрозрачный слой золота 3. В резуль-
тате специальной обработки часть атомов золота прони-
кает в селен и образует в нем тонкий слой с электронной
проводимостью. На границе двух слоев с различным ти-
пом проводимости образуется электронно-дырочный пе-
реход.
От железной пластинки и пленки золота (на нее по-
ложено контактное кольцо 4) сделаны отводы к металли-
ческим зажимам 5. Фотоэлемент оформлен в круглом
пластмассовом футляре 6.
Объясняя устройство вентильного фотоэлемента, сле-
дует подчеркнуть принципиальное сходство его с устрой-
ством полупроводникового диода: и тот и другой прибор
имеют электронно-дырочный переход.
Для обнаружения этого перехода вначале собирают
цепь демонстрационного омметра, который применялся
раныие в опытах с диодом. Затем в цепь такого омметра
включают затемненный (его закрывают от света) фото-
элемент один раз при одной полярности, второй при об-
ратной (рис. 66).
По хорошо заметному изменению тока в цепи делают
заключение об односторонней проводимости фотоэлемен-
та, т. е. о наличии у него электронно-дырочного перехода.
Учащимся сообщают, что полупроводниковые фото-
элементы из-за наличия у них электронно-дырочного пе-
рехода часто называют вентильными или фотоэлемента-
122
Рис. 65. Стенная таблица «Фотоэлемент»:
а — условное обозначение на схемах; б — конструкция селенового фотоэлемен-
та; в — графики зависимости фототока селенового фотоэлемента от освещен-
ности для различных нагрузок; г — схема действия фотоэлемента; д — график
зависимости э. д. с. селенового фотоэлемента от освещенности.
ми с запирающим слоем. Затем демонстрируют действие
фотоэлемента.
Собирают установку, как показано на рисунке 67, и
при дневном освещении обнаруживают по гальваномет-
123
Рис. 66. Установка для демонстрации электронно-дырочного пфехо
да у фотоэлемента.
ру появление слабого тока в цепи. Затем фотоэлемент ос-
вещают электрической лампой. Наблюдают, как по мере
приближения лампы к фотоэлементу ток в цепи увеличи-
вается и стрелка гальванометра отклоняется на всю шка-
лу. При затемнении фотоэлемента ток почти прекращает-
ся. Таким образом, убеждаются, что полупроводниковый
фотоэлемент представляет собой устройство, в котором
происходит непосредственное преобразование энергии
света в электрическую энергию.
Рис. 67. Установка для демонстрации действия фотоэлемента.
124
Процесс возникновения фотоэлектродвижущей силы
объясняют, пользуясь схемой, представленной на стенной
таблице «Фотоэлемент» (см. рис. 65). Делают предполо-
жение, что освещается электронный полупроводник фо-
тоэлемента, как это показано на схеме. Под действием
света в этом полупроводнике образуется фотопроводи-
мость, т. е. происходит интенсивное образование свобод-
ных электронов и дырок.
С энергетической точки зрения, этот процесс сводится
к тому, что электроны из заполненной валентной зоны
перебрасываются в свободную зону проводимости, а дыр-
ки, возникшие в валентной зоне, также получают возмож-
ность участвовать в электропроводности. Разумеется, что
образование пар электрон —дырка возможно лишь в
том случае, если энергия падающих фотонов больше ши-
рины запрещенной зоны. Но поскольку учащиеся еще не
знакомы с квантовой природой света, говорить о гранич-
ной частоте фотоэффекта не следует. Как и при объясне-
нии явления фотопроводимости, здесь достаточно огра-
ничиться сообщением, что под действием света в полупро-
воднике возникают пары электрон — дырка, как это по-
казано на стенной таблице. Эти пары, участвуя в тепло-
вом движении, перемещаются в различных направлени-
ях, в том числе и по направлению к электронно-дырочно-
му переходу.
Здесь под действием электрического поля электронно-
дырочного перехода происходит разделение диффунди-
рующих к нему зарядов. Дырки, образующиеся в элект-
ронном полупроводнике, переходят через запирающий
слой в дырочный полупроводник и скапливаются в нем,
электроны же остаются в электронном полупроводнике,
так как перейти в дырочную область они не могут: этому
препятствует электрическое поле электронно-дырочного
перехода. В результате этого электронная область заря-
жается отрицательно, а дырочная область — положитель-
но, т. е. образуется некоторая разность потенциалов, ко-
торая и представляет собой фотоэлектродвижущую силу
фотоэлемента. Это объяснение является упрощенным.
Фотоэлектродвижущая сила действует на электронно-
дырочный переход подобно внешнему напряжению, при-
ложенному к нему от внешнего источника в проходном
направлении (см. рис. 52). Само собой разумеется, что
величина фотоэлектродвижущей силы никогда не может
7 в. А. Буров
быть больше контактной разности потенциалов электрон-
но-дырочного перехода. Поэтому при увеличении осве-
щенности фотоэлектродвижущая сила вначале возраста-
ет, а затем достигает некоторой максимальной величины.
Ток короткого замыкания в интервале небольшой ос-
вещенности практически линейно зависит от интенсивно-
сти светового потока. Когда в цепь фотоэлемента вклю-
чается внешнее сопротивление, эта линейность наруша-
ется.
Графики зависимости фотоэлектродвижущей силы и
фототока от освещенности показывают учащимся по той
же таблице (см. рис. 65).
После этого весьма желательно показать возникнове-
ние фотоэлектродвижущей силы у полупроводникового
диода. Для этого диод типа ДГЦ соединяют с демонстра-
ционным гальванометром и через стеклянный изолятор
сбоку освещают его электронно-дырочный переход элект-
рической лампой. Гальванометр при этом обнаруживает
ток, который отклоняет стрелку на несколько делений
шкалы. Такой опыт служит хорошим подтверждением
общности устройства полупроводникового фотоэлемента
и диода.
Наряду с этим следует отметить и черты их различия,
касающиеся в основном особенностей конструктивного
выполнения. У диода электронно-дырочный переход за-
крыт от света, иначе он потеряет свою одностороннюю
электропроводность. У фотоэлемента, наоборот, он досту-
пен для света. Кроме того, полупроводник фотоэлемента,
в котором происходит образование пар, делают тонким,
намного тоньше длины диффузионного смещения электро-
нов и дырок. Только при этом условии образующиеся под
действием света пары достигают электронно-дырочного
перехода и разделяются им.
В настоящее время широкое распространение полу-
чили меднозакисные, селеновые, сернистосеребряные, сер-
нистоталлиевые, германиевые и кремниевые фотоэлемен-
ты. Устройство их в принципе одинаково: все они содер-
жат электронно-дырочный переход.
Особое внимание следует обратить на кремниевые фо-
тоэлементы, обладающие большой величиной фотоэлект-
родвижущей силы (0,5 в) и значительным коэффициен-
том полезного действия (до 13%). Такие фотоэлементы
открывают перспективу непосредственного превращения
126
солнечной энергии в электрическую без каких-либо про-
межуточных этапов.
Далее следует показать работу фотоэлемента в фото-
диодном режиме. Для этой цели может служить установ-
ка, показанная на рисунке 66.
В цепь демонстрационного омметра включают затем-
ненный селеновый фотоэлемент так, чтобы на его элект-
ронно-дырочный переход было подано обратное напряже-
ние (не более 0,2 в). Демонстрационный гальванометр
обнаруживает слабый ток, обусловленный движением че-
рез электронно-дырочный переход неосновных носителей
тока. Затем освещают фотоэлемент и наблюдают резкое
возрастание тока. Величина тока зависит от интенсивно-
сти освещения.
Возрастание тока в цепи объясняют явлением фото-
проводимости, т. е. увеличением концентрации электронов
и дырок. При затемнении фотоэлемента ток в цепи почти
прекращается: все образовавшиеся дополнительные носи-
тели тока рекомбинируются. Фотоэлемент, работающий
в таком режиме, называют фотодиодом. Как показывает
опыт, чувствительность фотодиода очень высока. Она зна-
чительно больше, чем у фотоэлемента.
Следует обратить внимание на то, что фотоэлемент,
работающий в фотодиодном режиме, не является уже ге-
нератором тока, а ведет себя подобно фотосопротивле-
нию, но в сравнении с ним обладает значительно большей
чувствительностью к свету. Чувствительность фотодиода,
как и.фотосопротивления, зависит от величины приложен-
ного напряжения*
В настоящее время известны несколько конструкций
фотодиодов. Они пока не получили такого же широкого
распространения, как фотоэлементы, и потому не всегда
доступны школе.
Принцип действия фотодиода можно показать также
с помощью обычного полупроводникового диода. Хоро-
шие результаты получаются с германиевыми точечными
диодами типа Д2А-Д2Ж и с германиевыми плоскостны-
ми диодами типа ДГ-Ц21-—ДГ-Ц27.
Для демонстрации опыта один из указанных диодов
включают в электрическую цепь так, чтобы на электрон-
но-дырочный переход диода было подано обратное напря-
жение, как показано на рисунке 68 (схему вычерчивают
на классной доске).
7*
127
Вначале диод затемняют и, наблюдая за гальваномет-
ром, убеждаются, что ток в цепи очень мал.
После этого германиевую пластинку диода освещают
электрической лампой, причем свет вводят внутрь диода
через стеклянный изолятор. Для увеличения освещенно-
сти применяют конденсатор от проекционного аппарата.
При этом наблюдают резкое возрастание тока диода:
стрелка гальванометра может отклониться на всю шка-
лу. Для увеличения чувствительности такого фотодиода
Рис. 68. Схема включения диода для демонстрации
фотоэдс.
можно применить более высокое напряжение, однако не
более величины обратного напряжения для данного типа
диода.
Практические применения фотоэлементов общеизвест-
ны. Можно указать три основные области их применения:
1)	в энергетике (солнечные батареи для питания ап-
паратуры искусственных спутников Земли и космических
кораблей);
2)	в фотометрических измерениях (люксметры, фото-
экспонометры) ;
3)	в фотоэлектронной автоматике (см. фотореле на
фотосопротивлении и опыты с ним).
Для закрепления материала полезно решить следую-
щие задачи.
1)	По графикам, изображенным на стенной таблице
«Фотоэлемент» (см. рис. 65), определить внутреннее со-
противление селенового фотоэлемента при освещенностях
500 и 4000 лк. Сопротивление нагрузки считать равным
50 ом,
128
2)	Чем объяснить, что при увеличении освещенности
внутреннее сопротивление фотоэлемента уменьшается?
3)	Чем объяснить наличие горизонтального участка у
графика, выражающего зависимость э. д. с. фотоэлемента
от освещенности?
§ 9. Усилительное свойство двойного электронно-дыроч-
ного перехода
Электрические свойства двойного электронно-дыроч-
ного перехода изучают с помощью транзистора типа П14
(см. гл. II, § 1). В начале по стенной таблице «Транзис-
тор» (рис. 69) учащихся знакомят с устройством этого
прибора. Он состоит из тонкой монокристаллической
пластинки электронного германия 6, в которую с проти-
воположных сторон вплавлены две капли индия 4 и 5 (на
таблице пластинка германия с двумя каплями индия изо-
бражена дополнительно крупным планом),
В результате вплавления атомы индия проникли в
электронный германий и изменили вид его проводимости.
В пластинке образовались три резко разграниченные об-
ласти с чередующейся проводимостью: две крайние
области (эмиттер и коллектор) имеют дырочную про-
водимость, а средняя (база)—электронную проводи-
мость.
На границе этих областей образовались два электрон-
но-дырочных перехода: эмиттерный и коллекторный. Каж-
дый переход в отдельности ведет себя, как обычный по-
лупроводниковый диод, т. е. обладает односторонней
электропроводностью.
Пластинка германия припаяна оловом 3 к кристалло-
держателю 2. Вся конструкция заключена в металличе-
ский корпус 1. От каждой области германиевой пластин-
ки сделаны выводы. Выводы от эмиттера 8 и коллектора
10 проходят в стеклянных изоляторах 7, а вывод базы 9
приварен к корпусу транзистора. Последний вывод сое-
диняется с областью базы через кристаллодержатель,
приваренный к корпусу транзистора.
Таким образом, транзистор состоит из трех слоев по-
лупроводников, обладающих различным видом прово-
димости, причем два слоя с одинаковой проводимо-
стью всегда разделяются слоем с другим видом прово-
димости.
129
Рис. 69. Стенная таблица «Транзистор»:
а = условные обозначения на схемах: б — внешний вид некоторых транзисто-
ров; в — конструкция транзистора П14; г — выходные характеристики тран-
зистора П14; д — выходные характеристики транзистора П14,
Учащимся сообщают, что в зависимости от чередова-
ния слоев транзисторы разделяются на два вида: р—п—р
и п—р—п.
С внешним видом некоторых транзисторов и их схе-
матическим изображением учащихся знакомят по ука-
занной выше таблице. Эмиттер транзистора обозначается
стрелкой, которая показывает направление прямого тока
130
через эмиттерный переход. Так как прямой ток протекает
в направлении от дырочной области к электронной, то
для транзистора типа р—п—р стелка направлена от эмит-
терного вывода к базе. Для транзистора типа п—р—п
направление стрелки будет противоположным.
Далее переходят к демонстрации опыта, на котором
показывают наличие в транзисторе двух электронно-ды-
рочных переходов. Для этого собирают установку, пока-
занную на рисунке 70.
Рис. 70. Установка для демонстрации электронно-дырочных перехо-
дов транзистора.
Вначале в цепь демонстрационного омметра включа-
ют эмиттер-базовый переход транзистора в проходном, а
затем р непроходном направлении. Для транзистора ти-
па р—п—р проходным направлением является такое,
когда база соединена с отрицательным полюсом источни-
ка омметра, а эмиттер — с положительным полюсом ис-
точника (рис. 71, а). По величине отклонения стрелки
гальванометра делают заключение об односторонней
электропроводности эмиттер-базового перехода.
Затем в цепь омметра включают коллектор-базовый
переход. Повторив те же измерения, убеждаются в том,
что сопротивление перехода мало в том случае, когда от-
рицательный полюс источника омметра соединен с базой,
а положительный полюс — с коллектором. При обратном
включении, показанном на рисунке 71, б, сопротивление
перехода велико.
131
Делают вывод, что транзистор представляет собой
практически два полупроводниковых диода, имеющих
одну общую область.
В дальнейших рассуждениях для краткости эмиттер-
базовый переход называют эмиттерным переходом, а кол-
лектор-базовый переход т- коллекторным переходом.
б
Рис. 71. Схема включения переходов транзис-
тора в цепь демонстрационного омметра:
а — эмиттерного; б -=• коллекторного.
а
Далее переходят к изучению усилительных свойств
транзистора, причем первым рассматривают усиление по-
стоянного тока, а затем переменного. Такая последова-
тельность изучения легче для учащихся.
Вначале транзистор включают в электрическую цепь
по схеме с общим эмиттером (рис. 72), которая для него
считается основной. В этом случае транзистор дает боль-
шое усиление постоянного тока, а схема является анало-
гом с электронной лампой.
Учащимся сообщают, что при включении транзистора
в электрическую цепь следует руководствоваться следую-
щим правилом: на эмиттерный переход всегда подаюг
прямое напряжение, а на коллекторный переход — обрат-
ное напряжение. Для обоих переходов транзистора типа
р—п—р прямым напряжением, как установлено на опы-
132
те, является такое, при котором к базе подключен отри-
цательный полюс внешнего источника, а к эмиттеру и к
коллектору — положительный полюс.
Величина прямого напряжения обычно составляет не-
сколько сотых или десятых долей вольта, а обратное на-
пряжение равно нескольким вольтам и зависит от типа
транзистора*
Рис. 72. Схема включения транзистора с общим
эмиттером.
В схеме с общим эмиттером источник входного сигна-
ла подключают к базе и к эмиттеру, а усиленный сигнал
снимают с коллектора и эмиттера.
В нашем опыте усиливаемый ток берут от полупровод-
никового фотоэлемента, который включают к транзисто-
ру так: положительный полюс соединяют с эмиттером, а
отрицательный полюс —через демонстрационный гальва-
нометр с базой транзистора.
Обратное напряжение на коллекторный переход тран-
зистора в схеме с общим эмиттером подается через эмит-
терный переход. Поэтому положительный полюс источни-
ка тока соединяют с эмиттером, а отрицательный полюс
подключают через второй такой же демонстрационный
гальванометр к коллектору транзистора.
Сопротивление коллекторного перехода в режиме об-
ратного тока в тысячи раз больше сопротивления эмит-
терного перехода, включенного в пропускном направле-
нии. Поэтому все приложенное напряжение падет прак-
тически на высокоомном коллекторном переходе транзис-
133
тора и сопротивлении нагрузки, включенной в коллектор-
ную цепь:
Закончив сборку цепи, приступают к демонстрации
опыта. Зажигают электрическую лампу и постепенно при-
ближают ее к фотоэлементу. Внимание учащихся обра-
щают на показания обоих гальванометров: при едва за-
метных отклонениях стрелки первого гальванометра на-
блюдают отклонения стрелки второго гальванометра поч-
ти на всю шкалу (рис. 73),
Рис. 73. Установка для демонстрации усиления постоянного тока
транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером.
Таким образом, опыт показывает, что коллекторный
ток транзистора управляется током базы и находится в
прямой зависимости от величины этого тока. Изменение
тока в цепи коллектора в десятки раз превышает измене-
ние тока в цепи базы.
Учащимся сообщают, что отношение изменения тока
коллектора Д/к к изменению тока базы д/б при посто-
янном напряжении на коллекторе представляет собой
коэффициент усиления р транзистора по току в схеме с
общим эмиттером, т. е.
\A'6/0K=C0nst.
Коэффициент усиления по току р является одним из
важнейших параметров транзистора, характеризующим
его усилительные свойства. У маломощных транзисторов
величина этого коэффициента лежит в пределах 10—100.
Учащимся сообщают, что вторым важным параметром
транзистора является обратный ток коллектора, который
характеризует температурную стабильность его работы.
Этот ток является паразитным током, вредно влияющим
134
на режим работы коллекторной цепи. Резкое возрастание
этого тока, например, при повышении температуры, мо-
жет нарушить работу транзистора.
После этого учащихся знакомят с правилом включе-
ния транзистора в электрическую цепь по схеме с общей
базой (рис. 74).
В этой схеме усиливаемый сигнал подается между
эмиттером и базой, а выходной сигнал снимается между
коллектором и базой.
Для измерения входного и выходного токов в цепь
эмиттера и в цепь коллектора включают одинаковые де-
монстрационные гальванометры. Затем фотоэлемент,
включенный в цепь эмиттера, снова освещают электри-
ческой лампой и наблюдают за показаниями обойх галь-
ванометров.
Опыт показывает, что ток эмиттера немного больше
тока коллектора. Разность этих токов равна току базы.
В связи с этим вводят понятие о коэффициенте усиления
транзистора а по току в схеме с общей базой, который
определяют через отношение изменения тока коллекто-
ра Д/к к изменению тока эмиттера Д/9 при посто-
янном напряжении на коллекторе, т. е.
а =
vR=const
Этот коэффициент, как показывает опыт, меньше еди-
ницы. Следовательно, транзистор, включенный по схеме
с общей базой, не дает усиления по току. Но в силу того,
что сопротивление коллекторной цепи значительно пре-
135
восходит сопротивление эмиттерной, транзистор, вклю-
ченный по этой схеме, может дать значительное усиление
по напряжению, а следовательно, и по мощности, на что
и обращают внимание учащихся. Это усиление зависит
от величины нагрузочного сопротивления в цепи коллек-
тора. Оба коэффициента связаны между собою следую-
щей зависимостью:
Р = -Г~-
1 — а
Наконец, транзистор включают по схеме с общим кол-
лектором (рис. 75). При таком способе включения уси-
Рис. 75. Схема включения транзистора с общим кол-
лектором.
ливаемый сигнал подается между коллектором и базой,
а выходной сигнал снимается с коллектора и эмиттера.
Общий вид установки опыта показан на рисунке 76.
Начальный, подлежащий усилению, ток берут от того же
Рис. 76. Установка для демонстрации усиления постоянного тока
транзистором, включенным по схеме с общим коллектором.
136
источ'ника, который питает транзистор. Для этого отри-
цательный полюс источника тока или, что то же, коллек-
тор транзистора соединяют с базой через фотосопротив-
ление ФС-К1.
Усиливаемый ток, он же и ток смещения, контролиру-
ют демонстрационным гальванометром, включенным по-
следовательно фотосопротивлению.
При освещении .фотосопротивления оба гальваномет-
ра отмечают токи, причем ток, текущий в цепи коллекто-
ра, в десятки раз больше тока, текущего в цепи базы.
Делают вывод, что транзистор, включенный в электри-
ческую цепь по схеме с общим коллектором, дает значи-
тельное усиление тока.
Объяснение физических явлений дают по двум стен-
ным таблицам «Принцип действия транзистора», на ко-
торых представлены схема с общим эмиттером и схе-
ма с общей базой. Рассматривают сначала первую таб-
лицу (рис. 77).
Когда нет входного сигнала (фотоэлемент не освеща-
ется), начальный ток коллектора очень мал. Это объяс-
няется тем, что коллекторный переход транзистора вклю-
чен в запирающем направлении и его сопротивление ве-
лико.
При освещении фотоэлемента на эмиттерный переход
подается прямое напряжение и в цепи эмиттер-база воз-
никает электрический ток. Этот ток называют током
эмиттера и обозначают /9. Он в основном состоит из
дырок (восемь кружочков со знаками «плюс» и стрелка-
ми вверх), переходящих из эмиттера в базу, и небольшо-
го количества электронов (три кружочка со знаками
«минус» и стрелками вниз), движущихся в обратном на-
правлении—из базы в эмиттер. Такое распределение со
значительным преобладанием дырок объясняется тем,
что эмиттер имеет во много раз большее количество ды-
рок, чем база электронов. Процесс перехода дырок из
эмиттера в базу называют инжекцией или впрыскиванием
дырок.
Одновременно с инжекцией дырок в базу во внешнюю
цепь из эмиттера уходит соответствующее количество
электронов (восемь кружков со знаком «минус» и стрел-
ками вниз). Уход электронов приводит к образованию
в эмиттере новых дырок, и потому количество их не убы-
вает.
137
0 Злектроны © Дырки X Рекомбинация злектроноб и дырок
Рис. 77. Стенная таблица «Принцип действия транзистора» (схема,
с общим эмиттером).
Впрыснутые в базу дырки движутся далее к коллек-
торному переходу. Это движение происходит главным об-
разом в результате избытка концентрации их около
эмиттерного перехода, а также под действием слабого
электрического поля, существующего между эмиттером
и коллектором транзистора.
138
За время движения в области базы (тысячные доли
секунды) часть дырок успевает рекомбинироваться с
электронами базы (на таблице эта рекомбинация показа-
на тремя крестиками X). Эта частичная убыль электро-
нов в базе пополняется притоком их из внешней цепи,
т. е. со стороны фотоэлемента, что создает ток, который
называют током базы и обозначают Ц . Благодаря
малой толщине базы (меньше длины диффузионного
смещения носителей тока) и небольшой концентрации в
ней свободных электронов большая часть дырок доходит
до коллекторного перехода и под действием электриче-
ского поля этого перехода втягивается в область коллек-
тора. Здесь дырки рекомбинируются со свободными
электронами, приходящими из внешней цепи (рекомби-
нация показана пятью крестиками X). Движение этих
электронов есть ток коллектора /к.
Таким образом, если до подачи импульса сопротивле-
ние коллекторного перёхода, включенного в запираю-
щем направлении, было велико, то после того как в зону
этого перехода проникают впрыснутые эмиттером дыр-
ки, сопротивление перехода резко снижается. Это и при-
водит к увеличению тока в цепи коллектора.
Величина тока коллектора, как это следует из объяс-
нения действия транзистора, немного меньше тока эмит-
тера из-за рекомбинации части дырок с электронами ба-
зы, но в то же время ток коллектора значительно боль-
ше тока базы. Эти токи связаны между собой следую-
щей зависимостью:
Л = Л +
Пользуясь указанной таблицей, можно на конкретном
примере подчеркнуть смысл коэффициента усиления
транзистора. На рассматриваемой таблице эмиттерный
ток образован движением восьми дырок, из которых
только пять достигают коллекторного перехода и созда-
ют ток коллектора; три дырки рекомбинируются с элект-
ронами базы. Следовательно, коэффициент усиления по
току в этой схеме равен отношению пяти к трем.
Далее надо таким же образом рассмотреть вторую
таблицу, изображающую принцип действия транзистора,
включенного по схеме с общей базой (рис. 78), и пока-
зать, что коэффициент усиления транзистора по току ра-
вен при тех же условиях отношению пяти к восьми.
139
Работу транзистора полезно сравнить с работой элект-
ронной лампы. Так, впрыскивание эмиттером дырок в
область базы аналогично испусканию электронов като-
дом лампы. Коллектор подобен аноду^а база действует
аналогично сетке лампы, так как от ее потенциала отно-
сительно эмиттера зависит количество впрыскиваемых
носителей тока.
Рис. 78. Стенная таблица «Принцип действия транзистора» (схема
с общей базой).
Это сходство относится только к схемам, а не к прин-
ципу работы электронной лампы. Разница здесь заклюй
чается в том, что в электронной лампе управление анод-
ным током осуществляется с помощью напряжения на
сетке, а в транзисторе коллекторный ток управляется то-
ком эмиттерного перехода. Кроме того, в лампе движе-
ние зарядов происходит в вакууме, а в транзисторе —
внутри твердого тела.
Следует также обратить внимание на преимущество
транзисторов: высокое значение коэффициента полезного
действия (до 50%, в то время как у вакуумных ламп он
меньше 1%), низкие напряжения питания, отсутствие на-
кальных цепей, малые размеры, большая механическая
прочность, надежность в работе, большой срок службы
и др«
140
Работу транзистора при низких напряжениях питания
следует показать учащимся. Для этого транзистор вклю-
чают в электрическую цепь по схеме с общим эмиттером
(см. рис. 72) и изменяют напряжение источника питания,
включая одну, две и, наконец, три банки аккумулятора.
При этом ток базы поддерживают неизменным, регули-
руя освещенность фотоэлемента. Изменение напряжения
на коллекторе, как показывают опыты, почти не меняет
величину тока коллектора.
Для уточнения изучаемой зависимости и подготовки
учащихся к выполнению в практикуме лабораторной ра-
боты «Изучение полупроводни-
кового триода» учащимся по-
казывают лабораторный при-
бор, в котором применен герма-
ниевый плоскостной низкоча-
стотный транзистор типа П14,
укрепленный на изолирующей
панели с тремя зажимами
(рис. 79). Выводы от эмиттера,
базы и коллектора соединены
с зажимами без пайки и обо-
Рис. 79. Транзистор
П14 на подставке (ла-
бораторный прибор).
значены соответственно бук-
вами Э, Б, К..
Затем по стенной таблице
«Транзистор» (см. рис. 69)
рассматривают два графика, изображающих выходные
характеристики транзистора. Графики показывают, что
ток коллектора при постоянном значении тока базы
(0,05 Ata и 0,1 ма) практически перестает зависеть от на-
пряжения на коллекторе, начиная с напряжения 0,5—1 в.
В связи с этим отмечают, что транзистор может работать
при напряжении питания, не превышающем 1 в.
Пользуясь выходными характеристиками транзисто-
ра, можно познакомить учащихся с графическим методом
определения коэффициента усиления по току.
На указанной выше таблице приведены еще два гра-
фика, на которые также следует обратить внимание уча-
щихся. Эти графики выражают зависимость тока базы
от напряжения между базой и эмиттером при различных
напряжениях на коллекторе (0 и — 5 в).
Графики имеют сходство с вольт-амперной характе-
ристикой' полупроводникового диода, снятой для прямо-
141
го тока (см. рис. 51). Это еще раз подтверждает сходст-
во переходов транзистора с обычным полупроводниковым
диодом. Графики показывают также, что ток базы при
малых напряжениях теряет линейную зависимость. Это
позволяет сделать важный практический вывод: для по-
лучения линейного усиления на базу необходимо пода-
Рис. 80. Установка для демонстрации усиления переменного
тока транзистором.
вать постоянное напряжение смещения порядка 0,15—
0,25 в. К тому же дополнительное смещение увеличивает
коэффициент усиления транзистора.
После этого переходят к демонстрации усиления пере-
менного тока. Для этого собирают установку, как пока-
зано на рисунке 80. Транзистор включают в электриче-
скую цепь по схеме общим эмиттером (рис. 81).
Рис. 81. Схема включения транзистора для
усиления переменного тока.
Напряжение звуковой частоты снимают с электромаг-
нитного адаптера и через понижающий трансформатор
(малый трансформатор с катушками на 120 в и 4 в) по-
дают на базу транзистора.
142
В коллекторную цепь включают трансляционный
громкоговоритель с выходным трансформатором. Пита-
ние берут от батареи аккумуляторов напряжением 4 в.
Для неискаженной работы усилителя на базу пода-
ют напряжение смещения порядка 0,1—0,15 в (относи-
тельно эмиттера). Это напряжение снимают с реоста-
та, включенного в цепь источника тока в качестве потен-
циометра.
Наличие напряжения смещения приводит к тому, что
в коллекторной цепи транзистора течет постоянный ток
Рис. 82. Установка для демонстрации действия транзистора в тер-
мореле.
(порядка 2—3 ма), независимо от того, есть ли на входе
напряжение сигнала или нет. После этого включают про-
игрыватель и слушают довольно громкое воспроизведе-
ние грамзаписи. Затем выход адаптера соединяют прямо
с трансляционным громкоговорителем. Воспроизведение
грамзаписи становится едва слышимым.
По стенной таблице «Принцип действия транзистора»
(см. рис. 77) учащимся объясняют, почему происходит
усиление сигнала. При появлении на входе транзистора
переменного напряжения его положительная полуволна
уменьшает, а отрицательная увеличивает дырочный ток
эмиттерного перехода.
Впрыснутые из эмиттера в базу дырки под действием
электрического поля попадают в коллекторный переход
и значительно повышают его проводимость. В результа-
те напряжение батареи, включенной в цепь коллектора,
143
Рис. 83. Установка для демонстрации действия транзистора
в фотореле.
перераспределяется таким образом, что большая часть
его приходится на нагрузочное сопротивление, с которо-
го оно затем и снимается. В нашем опыте переменное на-
пряжение выделяется на первичной катушке выходного
трансформатора трансляционного громкоговорителя.
Практическое применение усилительных свойств тран-
зистора можно показать также на примере работы про-
стейших автоматических устройств: термореле с усилите-
лем постоянного тока (рис. 82) и фотореле с усилителем
постоянного тока (рис. 83).
§ 10. Фотоэлектрические свойства двойного электронно-
дырочного перехода
С фотоэлектрическими свойствами двойного электрон-
но-дырочного перехода учащихся знакомят на опытах с
фототранзистором.
Фототранзистор представляет собой плоскостной
полупроводниковый триод без вывода базы. Область ба-
зы этого прибора может свободно освещаться тем или
иным источником света.
Фототранзисторы встречаются реже других полупро*
водниковых приборов, и потому они менее доступны шко-
'ле. Однако принцип действия фототранзистора можно
показать с помощью обычного транзистора, например,
типа П1А-П1И, П2А-П2Б или ПЗА-ПЗВ, у которых об-
ласть базы можно освещать через стеклянные изоляторы.
144
Рис. 84. Установка для демонстрации действия фототранзистора.
Для демонстрации опыта собирают установку, как по-
казано на рисунке 84. Один из указанных транзисторов
(лучше взять транзистор типа JI1 или П2) включают
в электрическую цепь по схеме, изображенной на рисун-
ке 85 (схему предварительно вычерчивают на классной
доске). Положительный полюс источника тока соединя-
ют с эмиттером, а. отрицательный полюс соединяют че-
рез нагрузочное сопротивление 200 ом и демонстрацион-
ный гальванометр с коллектором. Вывод базы оставля-
ют свободным. Обращают внимание учащихся, что при
таком включении на эмиттерный переход транзистора
подается прямое напряжение, а на коллекторный—: об-
ратное.
Вначале цепь замыкают при сравнительно затемнен-
ном транзисторе, т. е. при рассеянном дневном свете,
II
Рис. 85. Схема включения фототранзистора.
145
II
Рис. 86. Схема включения тран-
зистора для демонстрации дейст-
вия фотодиода.
Гальванометр отмечает очень' слабый ток. У некоторых
транзисторов этот ток может быть настолько малым, что
гальванометр его не обнаруживает. После этого транзи-
стор освещают электрической лампой мощностью 60 вт,
располагая ее на расстоянии не более 20 см от транзи-
стора. При этом свет направляют на стеклянный изоля-
тор, в котором сделан вывод эмиттера.
Под действием света в базе транзистора образуются
дополнительные носители тока (электроны и дырки), ко-
торые не только сами воз-
действуют на коллектор-
ный переход, но и вызы-
вают дополнительное пе-
ремещение большого ко-
личества дырок из об-
ласти эмиттера. На каж*
дую пару зарядов, воз*
бужденных светом в об-
ласти базы, из эмиттера в
базу переходит зарядов во
столько раз больше, ка-
ков коэффицент усиления
транзистора. Все эти за-
ряды (в основном дырки)
свободно проходят кол-
лекторный переход и со-
> зависит от степени осве-
щенности базы. Освещенность же можно значительно
увеличить, если воспользоваться конденсорной линзой.
Опыт показывает, что чувствительность фототранзи-
стора довольно велика: она в десятки раз больше, чем у
обычного фотодиода. В этом можно убедиться, если
эмиттерный или коллекторный переход транзистора
включить по схеме фотодиода (рис. 86) и повторить
опыты.
Принцип действия фототранзистора можно показать
также с плоскостными германиевыми транзисторами ти-
па П6А-П6В, П13-П13Б, П14, П15 и др. Но в этом слу-
чае необходимо в металлическом корпусе транзистора
сделать напильником небольшое отверстие для доступа
света к германиевой пластинке.
Полезно обратить внимание учащихся на то, что фо-
тотранзистор представляет собой как бы комбинацию
146
здают ток, величина
пяти отдельных полупроводниковых приборов: фотосо-
противления, диода, фотодиода, фотоэлемента и транзи-
стора, так как он один может выполнять все их функции.
Поэтому практические применения фототранзисторов
очень разнообразны.
§11. Транзистор в генераторе незатухающих электриче-
ских колебаний
Применение транзистора в генераторе незатухающих
электрических колебаний показывают при изучении те-
мы «Электромагнитные колебания и волны».
Для демонстрации опыта подготавливают установку,
как показано на рисунке 87.
Из методических соображений генератор собирают
с индуктивной обратной связью, причем колебательный
контур LC включают в цепь коллектора, а катушку об-
ратной связи L\ — в цепь базы (рис. 88). .При таком
включении схема генератора на транзисторе аналогична
схеме лампового генератора, с которым обычно знако-
мят учащихся в курсе физики. Колебательный контур со-
бирают из катушки трансформатора на 220 в и конден-
сатора с емкостью 0,5—1 мкф. Генератор может работать
и без конденсатора за счет собственной емкости катушки
контура. Вторичная катушка трансформатора на 12 в
(6—6) служит катушкой обратной связи. Ее включают в
эмиттер-базовую цепь и индуктивно связывают с контур-
ной катушкой посредством сердечника трансформатора.
Рис. 87. Установка для демонстрации звукового генератора
на транзисторе.
147
Рис. 88. Схема звукового гене-
ратора на транзисторе.
удается получить колебания
Параллельно колебательному контуру включают транс-
ляционный громкоговоритель с выходным трансформато-
ром.
Питают генератор от источника постоянного тока на-
пряжением 4—5 в. Для нормальной работы генератора
на базу транзистора подают (через катушку обратной
связи) напряжение смещения с помощью реостата сопро-
тивлением 3 ком, включенного в качестве потенциометра.
Объяснив учащимся
подготовленную установ-
ку, приступают к демон-
страции действия генера-
тора. Подвижный контакт
реостата ставят в крайнее
положение (ближе к по-
ложительному полюсу ис-
точника тока) и замыка-
ют цепь.
Затем подвижный кон-
такт реостата медленно
двигают согласно схемы
влево и наблюдают воз-
никновение звуковых ко-
лебаний. Плавным изме-
нением смещения на базе
почти во всем диапазоне
звуковых частот.
Далее показывают зависимость частоты колебаний от
индуктивности катушки контура. Для этого перемеща-
ют перемычку сердечника трансформатора и наблюдают
изменение высоты тона. В случае отсутствия самовоз-
буждения генератора необходимо поменять концы про-
водов, идущих к катушке обратной связи.
После демонстрации . опыта учащимся объясняют
принцип работы генератора. При замыкании цепи возни-
кает коллекторный ток, который заряжает конденсатор
колебательного контура. От первого толчка тока в кон-
туре начинаются свободные электрические колебания.
Переменный ток, проходящий через катушку контура,
индуктирует переменный ток в катушке обратной связи.
Этот ток подается на эмиттерный переход транзистора.
В первый полупериод колебания, когда эмиттерный
переход включается в проходном направлении, в кол-
148
лекторной цепи транзистора течет ток. Этот ток совпада-
ет по направлению с током в катушке контура. В резуль-
тате ток в катушке увеличивается и происходит подза-
рядка конденсатора, т. е. компенсируются потери энер-
гии в контуре.
В следующий полупериод, когда ток в контуре из-
менит направление, на эмиттерный переход транзистора
с катушки обратной связи подается обратное напряже-
ние. Эмиттерный переход включается в непроходном на-
правлении, что приводит к исчезновению тока в коллек-
торе, т. е. к запиранию транзистора. Колебательный кон-
тур в течение полупериода отключается от источника
тока.
В следующий полупериод процесс повторяется. Таким
образом, роль транзистора сводится к включению и вы-
ключению источника постоянного тока, за счет энергии
которого в контуре поддерживаются незатухающие ко-
лебания.
Для того чтобы колебания, начавшиеся в контуре по-
сле замыкания коллекторной цепи, превратились в не-
затухающие, необходимо чтобы коллекторный ток совпа-
дал по фазе с током свободных колебаний в контуре.
В противном случае начавшиеся колебания быстро за-
тухнут и никакого самовозбуждения не получится.
Принцип работы генератора с самовозбуждением фак-
тически мало отличается от принципа работы усилителя
переменного тока. Колебания, возникшие в контуре, с по-
мощью обратной связи подаются на управляющий эмит-
терный переход, усиливаются транзистором и снова через
обратную связь подаются на вход транзистора, снова
усиливаются и т. д.
Амплитуда колебаний возрастает, пока не дойдет до
известного предела. Как видно, генератор с самовозбуж-
дением является усилителем своих собственных колеба-
ний.
Следует отметить, что генераторы на транзисторах
обладают высоким коэффициентом полезного действия и
могут работать от маломощных источников питания при
чрезвычайно низких напряжениях на коллекторе.
В качестве примера учащимся показывают работу ге-
нератора от одного селенового фотоэлемента. Для этого
фотоэлемент включают в цепь генератора вместо батареи
аккумуляторов и освещают электрической лампой с рас-
149
стояния 10—20 см. В громкоговорителе возникает звук,
высота тона которого зависит от степени освещенности
фотоэлемента. Движок реостата при этом должен на-
ходиться ближе к концу, соединенному с отрицательным
зажимом фотоэлемента.
Для демонстрации некоторых опытов удобнее приме-
нять готовый звуковой генератор.
Общий вид такого генератора показан на рисунке 89,
а его схема — на рисунке 90.
Рис. 89. Звуковой генератор на транзисторе.
Генератор смонтирован на изолирующей панели раз-
мером 15 X 25 (см). К панели прикреплен металлический
стержень, с помощью которого прибор устанавливается
на подставке.
Трансформатор, включенный в коллекторную цепь
транзистора, имеет следующие данные: катушка конту-
ра Lj содержит 300 витков, катушка обратной связи Ц —
250 витков, выходная катушка L3— 1000 витков прово-
да ПЭ-0,15. Сердечник трансформатора собран из желе-
за типа Ш-20. Толщина набора 20 мм.
В цепь обратной связи включены последовательно два
сопротивления Rt и А’г- Постоянное сопротивление Ri ог-
раничивает величину отрицательного напряжения, пода-
ваемого на базу транзистора. С помощью переменного
150
Рис. 90. Схема звукового
генератора.
сопротивления /?2 производится плавное изменение часто-
ты звука генератора почти во всем диапазоне звуковых
частот.
Генератор развивает достаточную звуковую мощность
при питании от источника постоянного тока с напряже-
нием 4 в. Источник тока подключается к винтовым зажи-i
мам 5 (минус) и 8 (плюс).
К выходным зажимам 6 и 7 подключают трансляци-
онный громкоговоритель, а в
некоторых опытах — элект-
ромагнитные телефоны.
Данный генератор удоб-
но применять для демонстра-
ции преобразования неэлек-
трических величин (темпера-
туры, освещенности и др.) в
электрические колебания.
В таких опытах к генератору
подключают полупроводни-
ковый датчик температуры
(термосопротивление) или
датчик освещенности (фото-
сопротивление) . Датчики бе-
рут из набора полупроводни-
. ковых приборов (см. гл. II,'
§ 1). Термосопротивление
подключают к зажимам 2 и
3, а фотосопротивление — к
.зажимам 2 и 4, причем в по-
следнем случае зажимы 2 и
3 закорачиваются (рис. 91). При изменении температуры
термосопротивления или освещенности фотосопротивле-
ния происходит значительное изменение частоты звука в
громкоговорителе.
Звуковой генератор с полупроводниковыми датчика-
ми можно применять также для модуляции высокочас-
тотных электромагнитных колебаний, например, при де-
монстрации принципа радиотелеметрии L В этом случае
выход звукового генератора соединяют с модуляционным
входом школьного генератора УВЧ, как показано на ри-
1 А. И. Иванов, Демонстрации по радиотелеметрии, «Физика
в школе», 1961,	3.
151
Рис. 91. Установка для демонстрации изменения частоты звука в за-
висимости от освещенности фотосопротивления.
сунке 92. Звуковой генератор питают от источника по-
стоянного тока с напряжением 4 в, а генератор УВЧ — от
кенотронного выпрямителя.
Прием модулированных высокочастотных колебаний-
производят на детекторный приемник с громкоговорите-
лем. Незначительное изменение температуры термосо-
противления (его нагревают рукой) вызывает заметное
изменение частоты звука в приемнике, установленном от
передатчика на расстоянии нескольких метров.
Рис. 92. Установка для демонстрации принципа телеметрии.
152
Наконец, данный прибор может работать и в качестве
однокаскадного усилителя постоянного или переменного
тока. Для превращения генератора в усилитель достаточ-
но разорвать цепь обратной связи триода (разомкнуть
зажимы 2 и 3) или увеличить сопротивление в цепи об-
ратной связи с помощью переменного сопротивления R2.
При этом генерация прекращается и транзистор перехо-
дит в режим работы усилителя с положительной обрат-
ной связью.
Усиливаемый сигнал подводят к зажимам 1 и 2.
Для закрепления материала полезно решить следую-
щие задачи.
1. По входным характеристикам транзистора, изобра-
женным на стенной таблице «Транзистор» (см. рис. 69),
определить:
1.	величину наименьшего отрицательного смещения
на базе транзистора, необходимого для линейного усиле-
ния постоянного тока, если напряжение на коллекторе
равно —5 в;
2.	величину наибольшей амплитуды переменного то-
ка, при которой транзистор дает неискаженное усиление,
при условии, если начальное смещение на базе рав-
но —0,3 в;
3.	почему триодный детектор перестает детектиро-
вать, если на базу транзистора подать постоянное отри-
цательное напряжение.
II. По выходным характеристикам транзистора,
изображенным на той же таблице, определить:
1.	как изменяется сопротивление коллекторного пере-
хода в зависимости от напряжения на коллекторе;
2.	как изменяется сопротивление коллекторного пере-
хода в зависимости от величины тока базы;
3.	сопротивление коллекторного перехода, если ток
базы равен 0,1 ма, а напряжение на коллекторе—5в;
4.	какая часть характеристики соответствует току на-
сыщения коллектора;
5.	каким образом можно добиться увеличения тока
насыщения коллектора;
6.	коэффициент усиления по току в схеме с общим
эмиттером при напряжении на коллекторе —4в;
7.	как изменяется величина коэффициента усиления
транзистора по току в зависимости от напряжения на
коллекторе.
ЛИТЕРАТУРА
Монографии
У. Данлэп, Введение в физику полупроводников, М., изд. ИЛ,
1959.
А. Ф. Иоффе (отв. ред.), Полупроводники в науке и технике,
т. I—II, М,—Л., изд. АН СССР, 1957—1958.
А.	Ф. Иоффе, Физика полупроводников, изд. 2, испр. и доп.,
М.—Л., изд. АН СССР, 1957.
«Полупроводники», под ред. Н. Б. Хеннея, М., изд. ИЛ, 1962.
Д. А. Райт, Полупроводники, под ред. С. С. Шалыта, М., изд.
ИЛ, 1957.
Учебники, учебные пособия и руководства
К. Айманов, Элементы автоматики и телемеханики в курсе
физики средней школы, под ред. Н. М. Шахмаева, М., изд. АПН
РСФСР, 1963.
А. И. Иванов, Полупроводниковые приборы в курсе физики
средней школы, в книге «В помощь учителю физики», Ярославль,
1959.
С. Г. Калашников, Электричество, М., Гостехиздат, 1956.
С. Д. Клементьев, Телеавтоматика, ч. I, М., Учпедгиз, 1955;
ч. II, 1958.
Г. С. Ландсберг (ред.), Элементарный учебник физики, изд.
2, перераб., т. II, М., Гостехиздат, 1957.
«Полупроводниковые триоды и диоды». Справочник, под ред.
И. Ф. Николаевского, М., изд. литературы по вопросам связи и радио,
1964.
К. А. Путилов, Курс физики, т. II, М., Физматгиз, 1959.
Р. Смит, Полупроводники, под ред. В. П. Жузе, М., изд. ИЛ,
1962.
Р. П. Т а н е р, Схемы с полупроводниковыми триодами, под ред.
Р. М. Малинина, М., Воениздат, 1960.
Р. В. Т е л е с н и н, В. Ф. Яковлев, Курс физики. Электриче-
ство, М., Учпедгиз, 1960.
«Учебное пособие по физике». Учебный материал из сборника
«Новую физику и технику — школам», изд. Свердловского госпед-
института, 1962.
154
А. Д. Шнейдер, Вопросы полупроводников в курсе физики
средней школы, Львов, изд. областного Института усовершенствова-
ния учителей, 1958.
Методика преподавания
Л. И. Резников, Э. Е. Эвенчик и др., Методика преподава-
ния физики в средней школе, т. Ill, М., изд. АПН РСФСР, 1961.
Ш. Л. Га т а у л л и н, Изучение электрических свойств полупро-
водников в курсе физики, М., изд. «Просвещение», 1964.
Статьи в журнале «Физика в школе»: 1956 (№ 2); 1957
(№ 1, 2, 4); 1958 (№ 1, 3, 4, 5, 6); 1959 (№ 6); 1960 (№ 2, 5); 1961
(№ 1, 2, 4, 6); 1962 (№ 1, 2>; 1963 (№ 2, 6); 1964 (№ 2); 1965 (№ 1).
Физический эксперимент
В.	А. Буров, Демонстрационный эксперимент с полупроводни-
ковыми приборами. В книге «Вопросы методики обучения физике в
школе», под ред. Л. И. Резникова, М., изд. АПН РСФСР, 1963.
А. А. Покровский, В. А. Буров и др., Физический экспери-
мент в средней школе. (Электроника, полупроводники, автоматика.)
Под ред. А. А. Покровского, М., изд. «Просвещение», 1964.
А. А. Покровский, В. А. Бурови др., Практикум по физике
в старших классах средней школы, изд. 4-е, под ред. А. А. Покровско-
го, М., Учпедгиз, 1963.
Н. М. Ш а х м а е в, С. Е. ‘Каменецкий, Демонстрационные
опыты по электричеству, М., Учпедгиз, 1963.
Научно-популярная литература
А.	С. Берштейн, Термоэлектрические генераторы, М., Госэнер-
гоиздат, 1958.
Б. А. Бородин, Полупроводники, М., Учпедгиз, 1960.
В.	Гуров, Полупроводники в технике и в быту, изд. «Москов-
ский рабочий», 1958.
А.	Ф. Иоффе, Полупроводники и их применения, изд. АН
СССР, 1956.
Б. Т. Коломиец, Фотосопротивления в автоматике, изд. «Зна-
ние», 1956.
В.	Л. Левшин, Люминесценция и ее технические применения,
изд. АН СССР, 1956.
В. Ю. Рогинский, Полупроводниковые выпрямители, Гос-
энергоиздат, 1957.
М. А. Р о з е н б л а т, Бесконтактные магнитные устройства авто-
матики, изд. АН СССР, 1961.
В.	С а м м е р, Фотоэлементы в промышленности, М.—Л., Госэнер-
гоиздат, 1961.
М. С. С ом и некий, Полупроводники, М., Физматгиз, 1961.
Н. И. Чистяков, Полупроводники и их применение, М., Труд-
резервиздат, 1957.
А. В. Шубников, Кристаллы в науке и технике, изд. АН
СССР, 1956.
Б. М. Яворский, Как распространяется свет и электрический
ток, М.—Л., Госэнергоиздат, 1958.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . ................................< . .
Введение , . . . . . ♦...............................
Глава I. Полупроводники в курсе физики средней школы .
§ 1.	Свойства полупроводников, изучаемые в школьном
курсе физики . .................................
§ 2.	Основы теории проводимости полупроводников . .
§ 3.	Изучение технических применений полупроводников
§ 4.	Содержание физического практикума ......
Глава II. Основное оборудование для демонстрационного
эксперимента ..............	36
§	1.	Комплект полупроводниковых приборов .....	—
§	2.	Комплект стенных таблиц по полупроводникам . .	44
Глава III. Методика изучения основных свойств полупровод*
ников и некоторых применений полупроводнико-
вых приборов ..............	48
§	1.	Понятие о полупроводниках	.	—
§	2.	Зависимость электропроводности полупроводников
от температуры..............................................................................   49
§	3.	Зависимость электропроводности полупроводников
от освещенности • ...........................................................................  68
§	4.	Собственная электропроводность полупроводников	80
§	5.	Примесная электропроводность полупроводников .	90
§	6.	Выпрямительное свойство электронно-дырочного пе-
рехода ..............................................  99
§	7.	Термоэлектрические свойства электронно-дырочного
перехода .......................................113
§	8.	Фотоэлектрические свойства электронно-дырочного
перехода....................................................................................  122
§ 9.	Усилительное свойство двойного электронно-дыроч-
ного перехода  .......................................129
§ 10.	Фотоэлектрические свойства двойного электронно-
дырочного перехода ...................................144
§11.	Транзистор в генераторе незатухающих электриче-
ских колебаний........................................147
Литература	 154
156

21 коп.