Содержание
Введение
1. Детекторные радиоприемники
2. Принципы работы диода
3. Принципы работы триода
4. Транзисторы
5. Полупроводники
Заключение
Список литературы:
Введение
Подобно световым волнам,радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстоянияв земной атмосфере, и это делает их полезнейшими носителями закодированнойинформации.
После появления уравненийМаксвелла стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природногоявления — поперечных электромагнитных волн, представляющих собойраспространяющиеся в пространстве со скоростью света колебания взаимосвязанныхэлектрического и магнитного поля. Сам Джеймс Кларк Максвелл первым и указалнаучному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этомпреломлении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме оказаласьстоль важной и фундаментальной вселенской константой, что ее обозначилиотдельной буквой с в отличие отвсех прочих скоростей, которые принято обозначать буквой v.
В XX векеэлектромагнитные волны начали прочно входить в быт людей. Еще до войны вквартирах горожан появились радиолы, затем – телевизоры, в 60-е годыраспространившиеся необычайно широко. В 90-х годах в наш быт стали проникатьрадиотелефоны, микроволновые печи, пульты дистанционного управлениятелевизорами, видеомагнитофонами и т.д. Все эти приборы излучают или принимают электромагнитныеволны.
1. Детекторные радиоприемники
Первые приемникиэлектромагнитных колебаний использовали когереры, а чуть позжеполупроводниковые детекторы Эффект детектирования, другими словами,преобразования переменного напряжения в постоянный ток – выпрямления былизвестен еще до изобретения радиоприемника. Еще в 1874 г. английский физик К.Ф.Браун (кстати, получивший совместно с Маркони нобелевскую премию в 1906 г. за открытие радио; Попов к этому времени умер, а Нобелевская премия дается только живым)открыл выпрямляющее действие точечных контактов на полупроводниковом кристалле.Эти хлипкие устройства с иголочками оставались основным элементом входной цепиприемника, хотя имели невысокую чувствительность, были не стабильны и требовалииндивидуальной настройки – надо было найти то место на полупроводниковомкристалле, где иголка из проводника и кристалл обеспечивали детектирование.Почему это происходило, объяснить никто не мог.
Но детекторные приемникиимели большой недостаток – они работали при большом входном сигнале. Единственнойвозможностью повышения дальности радиосвязи было увеличение мощностипередатчиков. Надо было найти возможность усиления сигналов. Усиление сталовозможным благодаря открытию радиолампы.
/>
Эффект излучения каких-точастиц или лучей раскаленным электродом, имеющим отрицательный потенциал, былобнаружен всемирно известным изобретателем Т.А.Эдиссоном. Эти лучи назваликатодными и выяснили, что они представляют собой поток отрицательно заряженныхчастиц – электронов. Коллега Эдиссона Флеминг создал в 1904 году прибор,использующий эффект Эдисона, и назвал его диодом. Диод состоял из раскаленной нити– катода, расположенной внутри металлического цилиндра – анода. Вся этаконструкция помещалась внутрь стеклянного баллона с откачанным воздухом.
Принципы работы диода
Принцип работы диода былясен (в отличие от принципа работы полупроводникового диода). Вокруг катодасоздается электронное облако, плотность которого убывает по мере удаления отнего. Если потенциалы катода и анода одинаковы и анод располагается достаточноблизко к катоду, то часть электронов попадет на анод, и во внешней цепи(проводнике, соединяющем анод с катодом) будет течь небольшой ток.
/>/>
/>
/> Потенциалы катода и анода равны Потенциал анода выше потенциала катода Потенциал анода ниже потенциала катода
/>
Если между катодом ианодом включить источник напряжения плюсом к аноду, то потенциал анода будетположительным по отношению к катоду. Под воздействием возникшего внутри диодаэлектрического поля электроны будут двигаться к аноду, и во внешней цепипотечет сильный ток. Если изменить полярность источника питания, то есть минусподсоединить к аноду, а плюс – к катоду, то внутри диода возникнет тормозящееэлектрическое поле, которое будет отталкивать электроны от анода, и ток вовнешней цепи будет равен нулю.
Зависимость тока I, протекающего через диод, от напряженияV, приложенного к диоду называетсявольтамперной характеристикой диода. Если приложенное напряжение меньшенапряжения запирания Vзап, диодзаперт, ток через него не течет. Когда напряжение превышает напряжение запирания,диод открывается, через него протекает ток. Чем больше приложенное напряжение,тем больше ток. При большом напряжении ток ограничивается, так как всеэлектроны, излучаемые катодом, попадают на анод.
Ламповый диод был болеестабильным устройством, чем полупроводниковый диод, но если бы он толькозаменил полупроводниковый диод, то его ценность была бы невелика. В то время онбыл ценен тем, что открыл путь для ламповой электроники. И спустя два года, в 1906 г. американцем Ли де Форестом был создан триод (аудион, как назвал его Ли де Форест). Этот триодпочти не обладал усилением и обеспечивал только детектирование, но очень быстроего конструкция усовершенствовалась, и он стал усилительным элементом. Быстромупрогрессу электронных ламп способствовало то, что были понятными физическиепринципы их работы.
Принципы работы триода
Триод отличался от диодатем, что между катодом и анодом располагался еще один электрод – сетка,предназначенный для управления потоком электронов. Конструктивно сеткапредставляла собой спираль с большим шагом, намотанную вокруг катода нанебольшим расстоянии от него. Большой шаг, то есть большой промежуток междувитками, обеспечивал практически беспрепятственное прохождение электронов черезспираль.
/>
/>
/>
Между катодом и анодомвключается источник питания (100 – 200 В), создающий сильное электрическоеполе, заставляющее электроны двигаться к аноду. Источник напряжения, включенныймежду сеткой и катодом (единицы вольт), минусом подключен к сетке и создаеттормозящее для электронов поле. Так как сетка расположена вблизи катода, тополе, создаваемое ей, может полностью скомпенсировать ускоряющее для электроновполе, создаваемое анодом. При напряжении на сетке, меньшем напряжения запирания,электроны не могут приблизиться к сетке, анодный ток IА равен нулю, лампа заперта. При увеличении напряженияна сетке преобладающим становится электрическое поле, создаваемое анодом.Электроны будут проходить через сетку и устремляться к аноду. Количествопропускаемых сеткой электронов увеличивается с увеличением потенциала сетки. Насаму сетку электроны попасть не могут, так как она отрицательно заряжена и токв сеточной цепи равен нулю.
Важной характеристикойэлектронной лампы является зависимость анодного тока IА от напряжения на сетке VС и параметр лампы, называемый крутизной S= ΔIA/ΔVС. Дляприведенной на рисунке характеристики S≈ 4,5 мА/В. Коэффициент усиления зависит отвеличины сопротивления Rв анодной цепи, с которого снимается выходное напряжение. Коэффициент усиленияравен SR. При сопротивлении R = 10 кОм коэффициент усиления равен10*4,5 = 45
Транзисторы
После триода появилисьмногоэлектродные лампы: тетрод – с двумя сетками, пентод – с тремя сетками,октод – с четырьмя и пентагрид – с пятью сетками. Но в 50-е годы прошлого веканачался закат ламповой техники. Появились полупроводниковые усилительныеэлементы. Они обладали намного меньшими размерами, чего требовала в то времяразвивающаяся военная техника и ЭВМ.
В 1947 г. появился первый точечный биполярный транзистор. Его разработалисотрудники фирмы Bell Telephone Laboratories, физики Вильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Х.Браттейн. В 1956 г они получили Нобелевскую премию по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторногоэффекта. Сразу вслед за изобретением точечного транзистора Шокли предложилструктуру плоскостного транзистора, но он не был в состоянии проверить своютеорию работы этого прибора просто потому, что в то время еще не существовалопутей создания плоскостного транзистора. Плоскостной транзистор появился тольков начале 50-х годов.
Основой транзистора является полупроводниковый материал. Полупроводникамиявляются химические Элементы углерод, германий и кремний. Вначале втранзисторах использовался Германий, сейчас, в основном, кремний. Атомы игермания и кремния на внешней электронной оболочке содержат по четыреэлектрона, как показано ниже на рисунке. А должна быть заполнена эта оболочкавосемью электронами. Поэтому атомы образуют кристаллическую решетку, в которойкаждый атом “отдает в совместное пользование” свои четыре электрона соседнимчетырем атомам. И таким образом, каждый атом имеет на внешней оболочке повосьми электронам, движущимся по немыслимым орбитам.
/>
/> Кристаллическая решетка чистого кремния
При низкой температуреэта структура устойчива, свободных носителей электрического заряда нет, иполупроводник ведет себя как изолятор. С повышением температуры некоторые изэлектронов начинают сходить со своих немыслимых орбит. И таким образомпоявляются свободные электроны. Чем выше температура, тем больше свободныхэлектронов, тем выше проводимость полупроводника. А на орбите того атома,который покинул электрон, образовалось пустое место, недостаток электрона. Егоназвали дыркой – виртуальной частицей с положительным зарядом
/>
/> Образование электронно-дырочной пары
Кристаллическая решетка полупроводника п-типа
Таким образом, вполупроводнике постоянно образуются и уничтожаются электронно-дырочные пары,которые и определяют проводимость полупроводника. Для того, чтобы нарушитьравенство электронов и дырок, производят легирование добавление в маломколичестве примесей, валентность которых отличается от четырех. Используются пятивалентныепримеси: мышьяк, сурьма, фосфор, и трехвалентные: индий, галлий. Атом примесизанимает место атома кремния в кристаллической решетке. При этом образуется либосвободный электрон, как показано на рисунке при легировании фосфором, либосвободная дырка при легировании трехвалентными примесями. Эти свободныеносители электричества, не связанные с электронно-дырочными парами, называются основныминосителями. Если основными носителями являются электроны, то материалназывается полупроводником п-типа. Если же основными носителями являютсядырки, то р-типа.
Полупроводники
электромагнитнаяволна приемник транзистор
Рассмотрим, чтопроизойдет если соединить полупроводники разных типов проводимости. В местеконтакта образуется р-п переход. В полупроводнике р-типа дырки,находящиеся вблизи р-п перехода, движутся к полупроводнику п-типа,где есть свободные электроны. В свою очередь, электроны из полупроводника п-типадвижутся через р-п переход в сторону полупроводника р-типа. Нодалеко ни те ни другие основные носители пройти не смогут, так для каждогосвободного электрона находится дырка, то есть пустое место в электроннойоболочке атомов. И таким образом вблизи р-п перехода образуется тонкийслой полупроводника, в котором нет основных носителей и существуют толькоэлектронно-дырочные пары. Этот слой называется обедненным слоем.
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+ />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
п
р />/>
Обедненный слой />/>/>
/>
Потенциальный
барьер />/>/>
+
+
+
–
–
– />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
п
р />/>
р-п переход Изменение потенциала
В обедненном слоенарушается электрическая нейтральность полупроводника. В полупроводнике р-типав обедненном слое не хватает дырок, поэтому он заряжен отрицательно. А вполупроводнике п-типа в обедненном слое не хватает электронов, поэтомуон заряжен положительно. Таким образом, в месте соединения полупроводниковразного типа возникает потенциальный барьер, который не позволяет основнымносителям преодолеть р-п переход. Величина потенциального барьеразависит от полупроводникового материала. Для германия он составляет 0,3 В, адля кремния – 0,7 В.
Рассмотрим, чтопроисходит, когда к р-п переходу прикладывается напряжение от внешнегоисточника.
/>
/>
р-п переход смещен в прямом направлении
р-п переход смещен в обратном направлении
Если “минус” источникасоединен с полупроводником п-типа, а “плюс” – с полупроводником р-типа,то это приведет к появлению новых электронов и дырок и движению их к р-ппереходу. Электроны и дырки проникают в обедненный слой и уменьшают его толщину.Если напряжение источника превышает потенциальный барьер, то обедненный слойперестает существовать, и основные носители свободно переходят границусоединения материалов. В этом случае говорят, что р-п переход смещен впрямом направлении.
Если поменять полярностьисточника, то есть подсоединить плюс источника к полупроводнику п-типа,а минус – к полупроводнику р-типа, то электроны и дырки будут удалятьсяот р-п перехода, и величина барьера увеличится. В этом случае говорят,что р-п переход смещен в обратном направлении.
Такие свойства р-пперехода позволяют использовать его в качестве детектора – диода содносторонней проводимостью.
/>
/>
Вольтампернаяхарактеристика диода показывает, что полупроводниковый диод начинает пропускатьток, когда прикладываемое напряжение превышает потенциальный барьер. Еслинапряжение меньше потенциального барьера, то течет очень маленький ток,связанный с электронно-дырочными парами. Для германия это микроамперы, а длякремния – наноамперы.
/>
Плоскостной транзистор п-р-птипа
Отмеченные свойства р-пперехода лежат в основе работы плоскостных транзисторов. В плоскостномтранзисторе п-р-п типа коллектор и эмиттер являются полупроводниками птипа, а база полупроводником р типа. Транзистор содержит два р-пперехода: эмиттер-база и база-коллектор.
Если на базу не подаетсянапряжения, то р-п переходы противодействуют перемещению основныхносителей из полупрводника одного типа в полупроводник другого типа. Транзисторзаперт. На эмиттерном переходе (эмиттер-база) возникает потенциальный барьер(0,7 В для кремния и 0,3 для германия). Коллекторный переход (база-коллектор)смещен в орбратном напрвлении, так как к полупроводнику п типа приложеноположительное напряжение относительно полупроводника р типа. Распределениепотенциала в окрестности базы для этого случая показано ниже.
/>
/> На базу напряжение не подается На базу подается напряжение, превышающее потенциальный барьер
Если на базу подаетсянапряжение, превышающее потенциальный барьер, то эмиттерный переход смещается впрямом направлении. Основные носители из эмиттера п типа (электроны)свободно переходят в базу и там под действием потенциала коллектора быстропереходят в коллектор, так как коллекторный переход для них является не тормозящим,а ускоряющим. Конечно, часть электронов, проходя через базу, может уничтожитьсядырками. Но, во первых, базовый слой очень тонок (микрометры), а, во-вторых материалбазы слабо легирован, то есть дырок много меньше, чем электронов.
Плоскостной транзистор, вотличие от лампы, является усилителем тока, поэтому основным параметромтранзистора является коэффициент усиления по току μ = ΔIК/ΔIБ.Как правило μ близок к 100.
Заключение
Живые объекты излучаютэлектромагнитные волны. Клетки, ткани и органы являются структурами с точнымиэлектрическими характеристиками. Движение зарядов в организме человека связанос метаболическими процессами, происходящими в организме. Огромное количествобиохимических реакций сопровождается разнообразными частотными характеристикамисобственного электромагнитного излучения.
Бурное развитие отраслейнародного хозяйства привело к использованию во всех промышленных производствах,в медицине и в быту электромагнитных волн. Причем в ряде случаев человекоказывается подвержен их воздействию. Электромагнитные волны, взаимодействуя стканями тела человека, вызывают определенные функциональные изменения. Приинтенсивном облучении эти изменения могут оказать вредное воздействие на организмчеловека.
Человек «приручает»электромагнитные волны, создает все более безопасные бытовые приборы, ведьзнание природы воздействия электромагнитных волн на организм человека, нормдопустимых облучений, методов контроля интенсивности излучений и средств защитыот них является совершенно необходимым для дальнейшего успешного их применениявсе в более новых отраслях науки и техники.
Список литературы
1. Аксенович Л. А. Физика в среднейшколе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающихполучение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино;Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 437-440.
2. С.П.Бортников «Безопасность жизнедеятельности» учебно-методический комплекс,Ульяновск, 2004.
3. Т.А.Хван, П.А. Хван. Основы экологии. Серия «Учебники и учебные пособия».Ростов н/Д: «Феникс», 2003. – 256 с.
4. Физика, 9 кл. / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. М.: Дрофа,2002