Обробка результатів експерименту та їх аналіз. 1. На міліметровому папері (не дотримуючись однакового масштабу для позитивних і негативних значень струму і напруги) побудувати вольт-амперну характеристику

1. На міліметровому папері (не дотримуючись однакового масштабу для позитивних і негативних значень струму і напруги) побудувати вольт-амперну характеристику I = f(U) напівпровідникового діода.

2. Обчислити статичний опір для прямого і зворотного напряму при різних значеннях прикладеної напруги за формулою . Побудувати графік R= f(U).

3. Обчислити динамічний опір в певній точці вольт-амперної характеристики за формулою .

4. За формулою (при U_пр = U_зв) для різних значень прикладеної напруги знайти коефіцієнт випрямлення.

5. Зробити аналіз результатів роботи та висновки з нього.

Контрольні запитання

1. Власна та домішкова провідності напівпровідників.

2. Зонна теорія напівпровідників.

3. Фізичні властивості р-n-переходу в прямому і зворотному напрямі.

Лабораторна робота № 8.5
ПРИНЦИП РОБОТИ ТА ВОЛЬТ - АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТУНЕЛЬНОГО ДІОДА

Мета роботи: ознайомитись з принципом роботи та використанням тунельних діодів.

Прилади і матеріали: змонтована установка з необхідними електровимірювальними приладами і тунельним діодом.

Теоретичні відомості

При великих (10¹⁹…10²¹ см^-3) концентраціях носіїв заряду, що досягається при великих концентраціях домішок, електрони в напівпровідниках n-типу і дірки в напівпровідниках р-типу утворюють вироджений електронний і дірковийгаз. Рівень Фермі Е_F в першому випадку знаходиться в зоні провідності, а в другому випадку – у валентній зоні.

Тунельний діод створений на основі електронно-діркового переходу, в якому напівпровідники n- і р- типу є виродженими. Значна концентрація носіїв приводить до зростання (приблизно в 2 рази) контактної різниці потенціалів u_k, а також до суттєвого (в десятки разів) зменшення товщини р-n-переходу порівняно з р- n- переходом у звичайному діоді. В тунельному діоді відбуваються дифузійні і дрейфові рухи носіїв, але основну роль відіграє тунельний ефект, тобто перехід носіїв через бар'єр без зміни їх енергії, яка дещо менша висоти потенціального бар'єра. Оскільки для електронів має місце принцип Паулі, то тунелювання можливе за умови, коли енергетичні рівні з протилежного боку бар'єра є вільними, тобто не зайняті електронами.

При прямому ввімкненні тунельного діода в коло з напругою, висота потенціального бар'єра знизиться на величину eU. При цьому напроти заповнених електронних станів зони провідності n-типу будуть розміщені вільні енергетичні рівні валентної зони р-типу. Завдяки малій товщині р-n-пере-ходу, що забезпечує значну прозорість бар'єра, відбувається тунелювання електронів із n-напівпровідника в р-напівпровідник (рис. 8.5.1).

Рис. 8.5.1

Через р-n-перехід проходить прямий струм, який називається тунельним. Оскільки густина енергетичних рівнів досить велика (відстань між підрівнями ), то навіть малі прямі напруги приводять до швидкого зростання тунельного струму. З ростом прямої напруги збільшується кількість вільних рівнів, чим і пояснюється зростання тунельного струму (ділянка ОА характеристики на рис. 8.5.5). При значеннях U=U_max рівень Фермі в n-області збігається зі стелею валентної зони р-напівпровідника (рис. 8.5.2).

Рис. 8.5.2

У цьому випадку максимальній кількості зайнятих рівнів відповідає максимальна кількість вільних станів. Тунельний струм досягає максимуму (точка А характеристики). Подальше збільшення напруги U приводить до зменшення тунельного струму і появи ділянки спаду АВ вольт-амперної характеристики з від'ємним диференціальним опором. Якщо пряма напруга дорівнює U_min (точка В, рис. 8.5.5), при якій дно зони провідності збігається зі стелею валентної зони, тунелювання закінчується, оскільки заповненим рівням зони провідності n-напівпровідника відповідають рівні забороненої зони р-напівпровідника (рис. 8.5.3).

Рис. 8.5.3

Ділянка ВС вольт-амперної характеристики описує прямий струм, природа якого є дифузійною як для звичайного р-n-переходу. Якщо ввімкнути тунельний діод в зворотному напрямку (рис. 8.5.4), зайнятим рівням валентної зони р-напівпровідника відповідають вільні рівні зони провідності n-напівпровідника, що приводить до тунелювання неосновних носіїв (електронів з р-напівпровідника в n-напівпровідник). Це приводить до швидкого зростання зворотного тунельного струму із збільшенням зворотної напруги (ділянка ОД, рис. 8.5.5). Таким чином, вольт-амперна характеристика тунельного діода суттєво відрізняється від аналогічної характеристики звичайного діода. Вольт-амперна характеристика тунельного діода зображена на рис. 8.5.5.

Рис. 8.5.4

Наявність ділянки АВ вольт-амперної характеристики з від'ємним диференціальним опором забезпечує використання тунельних діодів для генерації і підсилення електромагнетних хвиль При не дуже сильному виродженні ( ) прямий тунельний струм може бути відсутнім, але зворотний струм при цьому значний, що дозволяє використання тунельних діодів для детектування високочастотних електромагнетних коливань.

Рис. 8.5.5

Характерне значення струмів в тунельному діоді складає одиниці міліампер, а напруга – біля одного вольта. При цьому від'ємний диференціальний опір досягає десятків Ом, а ємність - від одиниці до десяти мікрофарад. У даній лабораторній роботі досліджується вольт-амперна характеристика тунельного діода ГІ103.

Електрична схема вимірювальної установки подана на рис. 8.5.6.

Рис. 8.5.6

Порядок виконання роботи

1. Установити границі вимірювальних приладів на 20 мА для міліамперметра і 1,5 В — для вольтметра. Перемикачі П₁, П₂, П₃ поставити в положення "Пр".

2. Змінюючи напругу через кожні 0,01 В записати в таблицю відповідні їм значення прямого струму.

При деякій характерній для кожного типу діода напрузі (0,06¸0,07 В) спостерігається стрибкоподібна зміна напруги до величини 0,6¸0,7 В. При цьому дещо зменшиться величина прямого струму. Збільшуючи величину напруги до 1,0 В легко одержати точки для побудови ділянки АВ характеристики (рис. 8.5.7)

3. Шляхом зменшення напруги в зворотному напрямку від точки В (рис. 8.5.7) можна досягти точки С. Після цієї точки напруга знову стрибкоподібно зменшиться з переходом до точки Д. Всі виміри занести до таблиці.

Uпp(B)		0,01	0,02	0,03…	0,60	0,65	0,70	0,75
Iпp(mA)
Uзв(В)		0,01	0,02	0,03	0,04	0,05...
Iзв(mA)

4. Виконані вимірювання дозволяють побудувати ділянки ОМ і СВ вольт-амперної характеристики. З'єднавши точки М і С пунктирною лінією, схематично добудуємо ділянку характеристики з від'ємним диференціальним опором.

Рис. 8.5.7

5. Змінивши полярність зовнішньої напруги перемикачем П₁ а також полярність вольтметра і міліамперметра, переключивши при цьому перемикачі П₂ і П₃ в положення «Зв», виміряти значення зворотного струму через кожні 0,01 В. Результати вимірювань занести до таблиці.

6. Побудувати за даними вимірювань вольт-амперну характеристику тунельного діода згідно з рис. 8.5.7.

7. Зробити висновки про точність вимірювань.

Контрольні запитання

1. Власна провідність напівпровідників відносно зонної теорії.

2. Домішкова провідність напівпровідників.

3. Як працює р - n – перехід в тунельному діоді при створенні зовнішньої різниці потенціалів для:

а) випадку прямого включення;

б) випадку зворотного включення.

4. Розподіл електронів за енергіями Фермі-Дірака і його характеристика. Енергія Фермі.

5. Тунельний ефект і його використання.

Лабораторна робота № 8.6
ВИВЧЕННЯ ПРИНЦИПУ РОБОТИ І ЗНЯТТЯ ХАРАКТЕРИСТИК БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Мета роботи: вивчити власну і домішкову провідність напівпровідників; контакт електронного і діркового напівпровідників.

Прилади і матеріали: змонтована установка з необхідними електровимірювальними приладами і транзистором.

Теоретичні відомості

Біполярний транзистор – напівпровідниковий прилад, який має два р-n-переходи. Схематично будову такого транзистора показано на рис. 8.6.1.

Рис. 8.6.1

Виготовляються транзистори із пластинок кремнію або германію, в яких створюються шляхом напилення три області з різною електро­провідністю. Тип провідності центральної зони, яка називається базою, іншого типу провідності крайніх областей, які називаються емітером і колектором. Якщо база має провідність р-типу, то колектор і емітер мають провідність n-типу. Такого виду транзистор належить до n-р-n-типу. Широко використовуються також транзистори р-n-р-типу, база яких має електронну провідність.

В залежності від напруги на р-n-переходах транзистор може працювати в трьох режимах: активному, якщо на емітерному переході пряма напруга, а на колекторному – зворотна; режим відсікання – при зворотних напругах на обох р-n-переходах; режим насичення – при прямих напругах як на емітерному, так і на колекторному переходах. Активний режим роботи транзистора є основним і використовується для створення більшості підсилювачів і генераторів електромагнетних коливань.

Розглянемо роботу транзистора n-р-n-типу в активному режимі без навантаження, коли ввімкнені лише джерела постійних напруг так, як показано на рис. 8.6.2, в цьому випадку напруги U₁»0,1 В і U₂»1,0 В.

Рис. 8.6.2

Із рис. 8.6.2 видно, що

(1)

де – напруги відповідно між колектором і емітером, колектором і базою, базою і емітером. Оскільки , то . Пряма вхідна напруга приводить до зменшення висоти потенціального бар'єра на емітерному переході, внаслідок чого зростає дифузійний струм і електрони із емітера переходять в область бази. Електрони, які є в області бази неосновними носіями, за рахунок теплового руху досягають колекторного переходу. В області колекторного переходу ці електрони під дією поля зовнішнього джерела створюють колекторний струм і_К.

Деяка кількість електронів, перебуваючи в області бази, може рекомбінувати з дірками цієї області. Для зменшення процесу рекомбінації електронів в області бази товщину бази виготовляють якомога тоншою із мінімальною концентрацією дірок. При встановленні режиму роботи транзистора кількість дірок в області бази залишається незмінною. Це досягається тим, що з області бази також переходить деяка кількість власних електронів. Це приводить до виникнення струму і_d. Згідно з першим законом Кірхгофа.

, (2)

і оскільки в силу уже викладених вище причин , можна записати, що .

Струм бази е небажаним, тому для його зменшення база виготовляється дуже тонкою і слабко легується.

Пряма напруга на емітерному переході U_de суттєво впливає на струм колектора: чим більша U_de, тим більші струми емітера і колектора, причому зміна струму колектора лише незначно відрізняється від струму емітера. Таким чином, напруга U_de, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Ця особливість роботи транзистора використовуєтьсядляпідсилення електромагнетних хвиль.

Струм емітера керується напругою на емітері, але колектора досягає дещо менший струм. Частина емітерного струму, що проходить через колектор, носить назву струму керування колектора. Причому

, (3)

де a=0,95¸0,98 – коефіцієнт передачі струму емітера.

Поряд з струмом керування через колектор проходить зворотний струм і_КО переходу база – колектор. Він не керується, тому що не проходить через емітер. Отже, повний струм колектора дорівнює:

(4)

Використовуючи співвідношення (2), матимемо;

(5)

Звідки:

(6)

де початковий прохідний струм.

Оскільки , то цей струм протікає через всі три області транзистора. В співвідношенні (6) — коефіцієнт передачі струму бази.

Струми транзистора схематично зображені на рис. 8.6.3.

Транзистор вмикається в коло таким чином, щоб один із його електродів був спільним для входу і виходу підсилювального або іншого каскаду. Основні схеми включення називаються відповідно із спільним емітером, спільною базою і спільним колектором. Схема включення із спільною базою показана на рис. 8.6.4, де U_вx — вхідна змінна напруга, амплітудою U_mаx; U_виx — вихідна напруга амплітудою U_mвиx. Остання напруга знімається з навантажувального резистора R_н.

Рис. 8.6.3

Коефіцієнт підсилення за струмом

(7)

де і_mk — максимальний струм колектора; і_mе — максимальний струм емітера.

Цей коефіцієнт дещо менший статичного коефіцієнта підсилення за струмом a, тому що при включенні R_н струм колектора зменшується. Коефіцієнт підсилення за напругою К_U розраховується за формулою

(8)

і досягає десятків і сотень одиниць. Характеристики транзистора відображають залежність вхідних і вихідних струмів від вхідних і вихідних напруг.

Рис. 8.6.4

В схемі зі спільною базою вхідний струм – струм емітера, вихідний струм – і_K, вхідна напруга — U_ed, вихідна напруга — U_Kd. Вхідні характеристики — залежності i_e=f(U_ed) при U_Kd=const. Вхідні характеристики показані на рис. 8.6.5.

Рис. 8.6.5

Вхідні характеристики слабо залежать від U_Kd, тому що напруга сконцентрована на колекторному переході і струм емітера в основному визначається U_ed. Сім'я вихідних характеристик зображена на рис. 8.6.6.

Рис. 8.6.6

Особливість їх в тому, що струм колектора досить великий навіть при U_Kd=0. Це пояснюється напругою на колекторному переході, яка обумовлена наявністю опору базової області. Крім вхідних і вихідних характеристик на практиці використовуються характеристики керування. Це залежності і_K=f(і_е) при U_Kd=const і i_K=f(U_ed) при U_Kd=const. Вони схематично зображені на рис. 8.6.7 і 8.6.8.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з лабораторною установкою і приладами, якими вона обладнана. Привести установку в робочий стан (рис. 8.6.9).

Виділені пунктиром частини лабораторної схеми вмонтовані в корпусі джерела живлення ВИП-010.

Рис. 8.6.7 Рис. 8.6.8

Рис. 8.6.9

2. Зняти вхідну характеристику транзистора I=f(U_d) при U_K=const. Подавати напругу на колектор (між колектором і емітером) можна лише після наявності напруги на базі (між базою і емітером).

Для одержання вхідних характеристик транзистора необхідно установити постійну напругу на колекторі U_K; за допомогою потенціометра R₁ змінювати напругу на базі U_d і записати відповідні значення сили струму бази. Вимірювання виконати для двох різних значень напруги на колекторі. Всі виміряні величини занести до таблиці.

	Ud, B
UK= B	IK, mA
UK= B	IK, mA

3. Зняти сім'ю вихідних характеристик транзистора І_K=f(U_K) при I_d=const.

Подавати напругу на колектор можна лише при наявності напруги на базі.

Установити постійний струм I_d. Потенціометром R₂ змінювати напругу на колекторі U_K і записати відповідні значення струму в колі колектора І_K. Вимірювання провести для двох значень струму бази. Всі виміряні величини занести до таблиці.

	Uк, B
Id= mA	IK, mA
Id= mA	IK, mA

4. За даними таблиць на міліметровому папері побудувати вхідні і вихідні характеристики транзистора. Зробити необхідні висновки.

Контрольні запитання

1. Власна і домішкова провідності відносно зонної теорії.

2. Контакт електронного і діркового напівпровідників. Як працює
р-n-перехід?

3. Як працює транзистор n - р - n типу в активному режимі?

4. Принцип роботи транзистора при різних схемах включення.

Лабораторна робота № 8.7