Теоретическое введение. Вещества по способности проводить ток делятся на проводники

Вещества по способности проводить ток делятся на проводники, диэлектрики (изоляторы) и полупроводники. Проводники – это вещества, имеющие свободные заряженные частицы (например, металлы, растворы и расплавы электролитов). Диэлектрики не имеют свободных зарядов и практически не проводят электрический ток. Проводники имеют удельное сопротивление порядка 10^–7 Ом∙м и меньше, диэлектрики – порядка 10⁶ Ом∙м и больше. Удельное сопротивление полупроводников лежит между указанными пределами.

Для нешироких интервалов температур сопротивление металлов увеличивается с ростом температуры по линейному закону:

R_t = R₀(1 + at), (1)

где R_t – сопротивление при температуре t, R₀ – сопротивление при 0 °С, a – температурный коэффициент сопротивления, t – температура в °С. Такая зависимость объясняется тем, что с увеличением температуры усиливается интенсивность теплового движения атомов в узлах кристаллической решетки, что препятствует направленному движению свободных электронов.

Характерной особенностью полупроводников является то, что сопротивление их уменьшается с повышением температуры (рис. 1).

Различают собственные и примесные полупроводники. К собственным полупроводникам относятся чистые вещества, не содержащие примесей (например, кремний, германий, селен, теллур и др.). Примесные полупроводники содержат искусственно введенные в них атомы других элементов. Небольшое количество примеси может изменить сопротивление полупроводника в десятки тысяч раз.

Электрический ток в полупроводниках обусловлен перемещением как свободных, так и связанных с атомами электронов. На рис. 2 условно изображен фрагмент кристаллической решетки собственного полупроводника – элемента IV группы периодической системы. Каждый атом связан с четырьмя соседними атомами. В образовании каждой связи участвуют по два валентных электрона. Под влиянием внешнего воздействия (нагревания, освещения и т.п.) валентный электрон может стать свободным. Образовавшаяся вакансия эквивалентна возникновению положительного заряда, который в теории полупроводников принято называть дыркой. На это место может перейти электрон с соседней связи, где в свою очередь образуется новая дырка. Таким образом, в проводнике возникают переходы электронов с одной соседней связи на другую и одновременные переходы дырок в противоположном направлении. При отсутствии внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электроны перемещаются против поля, дырки – в направлении поля. Таким образом, собственная проводимость чистых полупроводников является электронно-дырочнойпроводимостью.

Проводимость примесных полупроводников складывается из собственной и примесной проводимости, причем последняя является определяющей. Если атомы примеси имеют валентность большую, чем у основного полупроводника (например, фосфор или мышьяк в германии), то примесь обогащает полупроводник электронами и преобладает электронная проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа; атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами. Если атомы примеси имеют валентность меньшую, чем у основного полупроводника (например, бор или индий в кремнии), то примесь обогащает полупроводник дырками и преобладает дырочная проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником p-типа; атомы примеси – акцепторами.

Объяснение проводимости веществ дает зонная теория проводимости. Энергетической зоной называется совокупность близко лежащих уровней энергии атомов в твердом веществе. Различают зону проводимости 1 и валентную зону 2 (рис. 3). Свободные электроны, обеспечивающие проводимость, находятся в зоне проводимости. Валентные электроны расположены в валентной зоне. Энергетический интервал DЕ между валентной зоной и зоной проводимости называют запрещенной зоной 3. В металлах валентная зона и зона проводимости перекрываются. В изоляторах и полупроводниках эти зоны отделены друг от друга. Для полупроводников ширина запрещенной зоны составляет 0,1 – 2 эВ, для изоляторов от 2 эВ и больше.

В полупроводниках электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости вследствие теплового движения. Чем выше температура, тем больше электронов могут иметь энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в зону проводимости. Число частиц, попадающих в зону проводимости, определяется соотношением

, (2)

где DЕ - ширина запрещенной зоны полупроводника, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура. Электропроводность σ пропорциональна числу носителей заряда, тогда из формулы (2) следует выражение для электропроводности:

. (3)

Поскольку сопротивление обратно пропорционально проводимости (R ), то зависимость сопротивления от температуры примет вид:

, (4)

где A – предэкспоненциальный множитель (величина, не зависящая ни от DE, ни от Т).

Резко выраженная зависимость сопротивления полупроводника от температуры используется для измерения температуры. Для изготовления полупроводниковых термосопротивлений используют оксиды переходных металлов (например, Mn, Co, Ni, Cu); германий и кремний, легированные различными примесями; органические полупроводники и т. д. ПТС изготавливают прессованием полупроводникового порошка с последующим спеканием. ПТС имеют размеры от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

ПТС имеет две характеристики: вольтамперную – зависимость силы тока от напряжения I = f(U) и температурную – зависимость сопротивления от температуры R = f (Т). По температурной характеристике можно определить предэкспоненциальный множитель A и ширину запрещенной зоны DЕ ПТС.

Прологарифмируем левую и правую части формулы (4):

. (5)

Полученное уравнение представляет собой линейную зависимость вида , угловой коэффициент которой равен , a отрезок, отсекаемый на оси ординат, есть lnA (рис. 4).

Экспериментальная часть

Полупроводниковое термосопротивление 1 находится внутри термошкафа 2 (рис. 5). Температура контролируется термометром 3, сопротивление ПТС измеряется при помощи измерительного моста 4.

I. Снятие вольтамперной характеристики ПТС .

1. Собрать цепь по схеме, приведенной на рис. 6. Реостат R включен по схеме потенциометра и служит для изменения напряжения на ПТС.

2. С помощью реостата R установить напряжение, подаваемое на ПТС, и измерить силу тока. Показания вольтметра и миллиамперметра занести в табл. 1. Произвести не менее 10 измерений при постепенном увеличении температуры.

№ изм.	I, мА	U, В

Таблица 1. Результаты измерений

3. На основании полученных данных построить график зависимости I = f(U), представляющий собой вольтамперную характеристику ПТС.

II. Получение температурной характеристики и определение ширины запрещенной зоны ПТС .

1. Присоединить ПТС к клеммам измерительного моста, как показано на рис. 5. Электрическая схема моста приведена на рис. 7. На схеме ПТС обозначено как R_х.

2. Измерить сопротивление полупроводника при комнатной температуре. Для измерения сопротивления нажать кнопку измерительного моста. Поворотом диска подобрать такое сопротивление магазина моста R_m, чтобы стрелка гальванометра находилась на нулевой отметке. Измеряемое сопротивление R_х при этом равно

R_х = nR_m,

где число n, считываемое с переключателя прибора.

3. Включить термошкаф в сеть. Начиная от комнатной температуры и до ~100 °С примерно через каждые 5 – 10° измерять сопротивление ПТС. Результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты измерений и вычислений

№ изм.	t, °С	R, Ом	T, K	103/T, K–1	lnR

5. Построить график зависимости lnR = f(10³/T)

6. Путем графического дифференцирования (см. рис. 4) определить ширину запрещенной зоны:

кДж. (7)

Полученное значение DЕ перевести в электронвольты (1 эВ = 1,6∙10^–19 Дж). Определить предэкспоненциальный множитель А.

6. По указанию преподавателя обработку экспериментальных данных выполнить по методу наименьших квадратов.

7. Записать зависимость сопротивления полупроводника от температуры в виде (4), подставив полученные значения DЕ и А.

8. Сформулировать выводы по работе.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите особенности полупроводников. В чем суть собственной и примесной проводимости полупроводников?

2. Объясните с помощью зонной теории зависимость сопротивления полупроводников от температуры.

3. Что представляет собой вольтамперная характеристика полупроводника? Чем можно объяснить возможные отклонения графика от прямой линии?

4. Рассчитайте по вольтамперной характеристике сопротивление ПТС и сравните с величиной, измеренной с помощью моста при комнатной температуре.

5. Как экспериментально определяется ширина запрещенной зоны полупроводника?

6. От чего зависит ширина запрещенной зоны?

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: изучение электрических свойств полупроводниковых диодов и снятие их вольтамперных характеристик.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, потенциометр, многопредельный вольтметр, полупроводниковые диоды, ключ, два двойных переключателя.

Теоретическое введение

Рис. 1. р-n-переход

Принцип действия полупроводникового диода основан на односторонней проводимости поверхностного слоя в местах контакта двух проводников с различным типом проводимости. Этот слой называют электронно-дырочным ( n-р или р-n ) переходом.

В местах контакта р (дырочного) и n (электронного) полупроводников через поверхность соприкосновения происходит диффузия свободных электронов в направлении от n к p области и “дырок”- в противоположном направлении (“дырка” - это незанятое электроном место на связи между атомами кристаллической решетки полупроводника). В результате рекомбинации электронов и “дырок” пограничный слой обедняется носителями зарядов и приобретает со стороны р-проводника отрицательный, а со стороны n-полупроводника - положительный заряд. Образуется двойной электрический слой, внутри которого создается электрическое поле напряженностью Е, препятствующее дальнейшему переходу электронов и “дырок”( см.рис.1 ). Ширина двойного электрического слоя в реальных изделиях лежит в пределах от 10^-5 до 10^{-4 см. Между приведенными в соприкосновение полупроводниками устанавливается разность потенциалов, называемая контактной. Порядок величины контактной разности потенциалов в полупроводниках - от десятых долей вольта до нескольких вольт.}

Двойной электрический слой в области соприкосновения полупроводников из-за рекомбинации “дырок” и электронов обладает большим сопротивлением и поэтому называется запирающим. Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего поля. Если создать внешнее поле с напряженностью Е , направленное противоположно полю Е’, то запирающий слой станет узким и сопротивление его уменьшится и через р-n переход пойдет электрический ток.

Рис. 2. Запирающее направление р-n-перехода

Направление р-n перехода называется пропускным, а ток прямым (I_ПР) (см рис.3). Противоположное направление внешнего поля Е, совпадающее с направлением поля Е’, оттягивает свободные электроны и “дырки” от места контакты. При этом запирающий слой расширяется, его сопротивление резко возрастает. Ток, идущий через контакт,

	Рис. 3. Пропускное направление р-n-перехода

становится очень слабым (порядка нескольких m A). Направление n-р называется запирающим, а ток обратным ( I_ОБ ) (см. рис.2).

Таким образом, р-n переход обладает выпрямляющим свойством. Зависимость тока, текущего через р-n переход, от приложенного напряжения U называется вольтамперной характеристикой (см.рис.4) и выражается уравнением:

,

где I_S - ток насыщения, е - заряд электрона, Т - абсолютная температура области перехода, e - основание натуральных логарифмов.

Вольтамперная характеристика р-n-перехода

При U < 0 сила тока I не зависит от напряжения U до некоторого критического значения U_ПР (пробивное напряжение), после чего I_ОБ резко растет с ростом U (рис.4). Этот рост обусловлен ударной ионизацией в полупроводнике.

По вольтамперной характеристике диода можно рассчитать коэффициент выпрямления,равный отношению величин прямого и обратного токов при одинаковых по абсолютному значению напряжениях.

½U½ =const

В случае переменного напряжения эффективность р-n перехода, как нелинейного сопротивления, уменьшается с ростом частоты. Поэтому полупроводниковые диоды применяются для выпрямления переменного тока низкой частоты (до 50 кГц). Наиболее эффективны вентили (выпрямители) из германия Ge и кремния Si, отличающиеся стабильностью в работе и большим сроком службы.

Используемые в настоящее время полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: 1) точечные (кристалл Ge или Si с n-проводимостью контактирует с острием металлической иглы); 2) плоскостные (в центре полупроводниковой пластинки впаивается кусочек металла, например Ge и In).

Благодаря небольшим габаритам, малому потреблению энергии, высокой стойкости к перегрузкам и вибрациям полупроводниковые приборы нашли широкое применение в современной радио- и вычислительной технике.

Экспериментальная часть.

1. Собрать электрическую цепь по схеме, данной на рис. 5, соблюдая полярность приборов.

2. Замкнуть ключ К.

3. С помощью потенциометра П установить небольшое (0,2В ) напряжение. Изменяя направление тока, текущего через диод Д, определить по величине тока, какое из положений переключателя Р₁ соответствует прямому направлению.

4. Включить диод в прямом направлении. Изменяя напряжение на диоде через интервалы в 0,1 В, записать показания миллиамперметра (I_ПР).

5. Выключить цепь. Диод включить в обратном направлении, включить в цепь микроамперметр (мА).

6. Измерить силу обратного тока ( I_ОБ ) для тех же значений напряжения, что были взяты при прямом направлении.

7. Результаты измерений записать в таблицу. Для каждого из выбранных значений напряжения рассчитать коэффициент выпрямления К и найти его среднее значение.

8. Измерение прямого и обратного токов, а также расчет коэффициента выпрямления провести для трех диодов, указанных преподавателем.

9. Построить вольтамперные характеристики диодов (см.рис.4).

10. Сравнить электрические свойства диодов разного вида.

Контрольные вопросы.

1. Как возникает контактная разность потенциалов в р-n переходе?

2. Что такое вольтамперная характеристика полупроводникового диода? Каков ее вид?

3. Что такое коэффициент выпрямления?

4. Достоинства и недостатки полупроводниковых диодов.

Литература:

4. Зисман Г. А., Тодес О. М.. Курс общей физики для втузов: в 3 т. Т. 2. - М.: Наука, 1974. - 340 с.

5. Детлаф А. А. , Яворский Б. М. Курс физики: Учебн. пособие для втузов. - М.: Высшая школа, 1989. - 607 с. - предм. указ.: с. 588-603.

СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ТРИОДА (ТРАНЗИСТОРА)

Цель работы: снятие выходных и входных характеристик транзистора; определение его параметров.

Приборы и принадлежности: 2 источника постоянного напряжения, два реостата, 2 миллиамперметра, вольтметр, милливольтметр, магазин сопротивлений, два ключа, транзистор.

Теоретическое введение .

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с двумя или более электронно-дырочными переходами.

Наиболее распространены транзисторы с двумя р-n переходами, характерной особенностью которых является существование двух типов носителей зарядов (электронов и дырок), участвующих одновременно в работе прибора. В связи с этим полупроводниковые триоды этого типа получили название биполярных (cм. рис 1 а,б,в.).

Рис. 1. Полупроводниковые транзисторы (триоды)

Проводимость полупроводников n-типа (n - negative) практически полностью обусловлена свободными электронами, образующимися за счет привнесения в германий или кремний атомов элементов группы V Периодической системы. Один из валентных электронов этих атомов оказывается незадействованным в образовании химических связей и может перемещаться под действием электрического поля (см. рис. 2а).

Проводимость полупроводников p-типа (p - positive), также вызвана перемещением электронов. Однако оказалось удобным формально принять в качестве носителей тока не электроны, а дырки (см. рис 2.б).

Р-тип проводимости образуется за счет привнесения в германий или кремний атомов элементов III группы. При этом трех валентных электронов этих атомов достаточно для образования лишь трех связей с окружающими их атомами. Четвертая связь образуется за счет одного электрона атомов Ge или Si и представляет собой вакантное место, на котором может разместится еще один электрон. Это вакантное место условно называется “дыркой”.

Под действием внешнего электрического поля электрон с соседней связи может переместиться на место “дырки”, следовательно, на его прежнем месте образуется новая “дырка”, в которую может перескочить другой электрон и т.д.

Таким образом, можно считать, что под действием электрического поля происходит перемещение “дырки” по кристаллу в том направлении, в котором бы двигался положительный заряд. Последнее дает возможность рассчитывать движение “дырок” как движение положительных зарядов и изображать их на схемах как такой заряд (см. рис.1д).

Для изготовления транзисторов используется германий Ge и кремний Si, т.к. они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока.

Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхнее значение рабочей температуры германиевого триода лежит в пределах 50-80° С). Плоскостные триоды являются более мощными. Триоды представляют собой кристалл полупроводника, разделенный на три области с поочередно меняющимися типами проводимости: n-р-n или р-n-р.

Крайние области триода называются эмиттерной и коллекторной областями. Средняя область называется базовой областью, а n-р (или р-n) переходы между ними и средней областью – эмиттерным (между эмиттером и базой) и коллекторным (между базой и коллектором) переходами. Электроды, подведенные к трем областям и образующие с ними омические контакты, носят название эмиттера, коллектора и базы. Эмиттер служит источником носителей зарядов (аналогично катоду в электронной лампе). Поэтому дозировкой примесей в полупроводнике достигают наивысшей концентрации носителей зарядов в эмиттере. Меньшую концентрацию имеет коллекторнаяобласть, которая получает “чужие” носители (подобно аноду лампы). Область базыимеет очень низкую концентрацию своих основных носителей, она управляет движением “чужих” носителей (аналогично сетке в трехэлектродной лампе).

Важнейшим условием для хорошей работы транзистора является малая толщина базовой области (не более нескольких микрон).

Рассмотрим в качестве примера работу транзистора типа р-n-р. Для изготовления плоскостных триодов чаще всего применяют метод вытягивания из расплава, метод вплавления электродов и метод диффузии примесных атомов из газовой среды. Наиболее распространены р-n-р триоды, получаемые вплавлением индиевых электродов в n-германий. Атомы индия диффундируют внутрь пластины, создавая с обеих ее сторон области с проводимостью р-типа – эмиттерная и коллекторная области (рис.1в). Если к триоду не приложено никаких внешних разностей потенциалов, то токи через р-n переходы отсутствуют.

Включим между базой и обоими участками р-типа источники постоянных напряжений U_ЭБ и U_БК , как это показано на рис.2.

Рис. 2. Схема работы полупроводникового транзистора

Полярность включения источников такова, что наэмитттерном переходе направление внешнего поля прямое (от р-полупроводника к n ), а на коллекторном – обратное. При таком включении сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока через переход достаточно приложить напряжение U₁ порядка десятых долей вольта.

Полярность включения источника U₂ в цепь коллектора такова, что область контакта “база-коллектор”, оказывается обедненной носителями тока (на электроны и дырки действует электрическая сила , стремящаяся переместить электроны и дырки (см. рис.2), соответственно влево и вправо от границы раздела областей “база” и “коллектор”). За счет обедненности носителями тока область “база - коллектор” приобретает высокое омическое сопротивление, что позволяет использовать в качестве U₂ источник с ЭДС, достигающей десятков вольт.

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением “дырок” т.к. они условно являются основными носителями тока в полупроводнике р-типа, которым является эмиттер. Дырки инжектируются (впрыскиваются) в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектируемых дырок достигает области “база-коллектор”. Здесь дырки под действием поля, создаваемого источником U₂, перемещаются на коллектор и изменяют его ток. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Сумма токов, протекающих через базу и коллектор, в силу закона сохранения заряда, равна току через эмиттер.

I_Э = I_Б + I_К , при I_Б << I_К

На практике плоскостные транзисторы используются в качестве усилителей мощности и напряжения. Например, мощность, развиваемая во входной цепи за счет действия источника U₁ равна:

Р_ВХ = I_Э .U_ЭБ ,

а мощность в выходной цепи

Р_ВЫХ = I_К .U_БК

Так как I_Э » I_К , а U_ЭБ намного меньше U_БК , то выходная мощность Р_ВЫХ намного больше Р_ВХ .

Входные характеристики :

Рис. 3а.

График зависимости тока эмиттера от напряжения I_Э = f(U_ЭБ) называется входной характеристикой (см. рис.3а.). Кривая I_Э = f(U_ЭБ) представляет собой вольтамперную характеристику диода при прямом включении напряжения (см. описание работы “Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода”).

Если U_БК = 0 , т.е. коллектор соединен с базой накоротко, то I_Э = f(U_ЭБ) практически точно воспроизводит характеристику диода.

При U_БК > 0, кривая I_Э = f(U_ЭБ ) идет незначительно выше, чем в случае, когда U_БК =0 т.е U_БК мало влияет на I_Э .

Рис. 3б.

Выходные характеристики :

График зависимости тока коллектора от выходного напряжения I_К = f(U_БК ) называется выходной характеристикой (см. рис. 3б.). Эта характеристика аналогична характеристике полупроводникового диода в обратном направлении (см. описание работы “Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода”).

При токе через эмиттер, отличном от нуля, выходные характеристики практически линейны и идут с небольшим наклоном, что означает малое влияние напряжения U_БК на ток I_К. Так как I_Э = I_Б + I_К , a I_Б мал, то для увеличения тока I_К надо увеличить I_Э (инжектировать из области эмиттера в область базы больше носителей тока). Если величина I_Э неизменна во времени, то возрастание U_БК приводит к снижению процесса рекомбинации дырок и электронов в базе, т.е. к уменьшению тока базы I_Б и увеличению тока I_К

Так как I_Б сам по себе мал, то и прирост тока I_Кт невелик.

Дифференциальные параметры транзистора для схемы включения с общей базой (рис.5) обозначаются как h-параметры :

1) входное сопротивление

при U_БК=const

Величины DU_ЭБ и DI_Э находятся из треугольника АВС, построенного на графиках, отражающих входные характеристики (см.рис.4а).

Рис. 4а.

2) коэффициент обратной связи

при I_Э=const

Этот коэффициент характеризует наличие внутренней обратной связи и отражает изменение тока I_Э при изменении напряжения U_БК по сравнению с изменением напряжения U_ЭБ. Величина имеет порядок .

3) коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока)

при U_БК=const

Условие U_БК = const используется для того, чтобы изменение выходного тока DI_К зависело только от изменения входного тока DI_Э .

Для используемой схемы величина = 1.

4) выходная проводимость

при I_Э=const

На практике чаще используется величина выходного сопротивления, обратная .

Рис. 4б.

Для используемой схемы обратное сопротивление может достигать сотен кОм. Величины приращений DI_K и DU_БК находятся из треугольника МNК, построенного на графике, представляющем выходную характеристику (см.рис.4б).

Порядок выполнения работы .

1. Изучить схему установки (рис.5) и проверить правильность монтажа элементов схемы на стенде.

Рис 5. Схема установки

2. Включить источники e₁ и e₂ . Замкнуть ключи К₁ и К₂ в цепях эмиттера и коллектора.

3. Изменяя с помощью потенциометра R_Э напряжение U_ЭБ от 0 до 180 мВ, снять показания миллиамперметра в цепи эмиттера при трех значениях напряжения U_БК (см. таблтцу 1). Напряжение U_БК устанавливается и поддерживается с помощью потенциометра R_К . Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Результаты измерений

N.N	UБК=0 , B	UБК=5 , B	UБК=10 , B
п/п	UЭБ, мВ	IЭ , мA	UЭБ , мB	IЭ , мA	UЭБ , мB	IЭ , мA

4. Установить и поддерживать постоянным ток эмиттера с помощью потенциометра R_Э. Изменяя напряжение U_БК от 0 до 12 В, снять показания миллиамперметра в цепи коллектора. Измерения провести при трех значениях I_Э . Данные занести в таблицу 2.

5. С помощью потенциометров R_Э и R_К уменьшить до нуля напряжения в цепях эмиттера и коллектора. Разомкнуть ключи. Отключить выпрямители от сети.

Таблица 2.

Результаты измерений

N.N	IЭ=50 , мA	IЭ=100 , мA	IЭ=150 , мA
п/п	UБК , B	IK , мA	UБК , B	IK , мA	UБК , B	IK , мA
:

6. По данным таблиц 1 и 2 построить входные и выходные характеристики транзистора.

7. Из графиков входных и выходных характеристик найти h-параметры транзистора.

Контрольные вопросы.

1. Объяснить механизм собственной и примесной (электронной и дырочной) проводимости полупроводника.

2. Рассмотреть явления, происходящие в р-n переходе при прямом и обратном включении напряжения.

3. Каково устройство и принцип работы транзистора?

4. Проанализировать входные и выходные характеристики транзистора.

5. Что такое h-параметры и как они определяются из вольтамперных характеристик?

Литература:

4. Савельев И.В. Курс общей физики. Учеб. Пособие. В 3-х т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. – 3-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит. 1986. 432 с.

5. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1977.

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

Цель работы: исследование эффекта Холла; определение постоянной Холла и концентрации носителей тока в полупроводнике.

Приборы и принадлежности: образец полупроводника, источники регулируемого напряжения ВС-24М, электромагнит, амперметр, вольтметр, миллиамперметр, милливольтметры, потенциометр, эталонное сопротивление, ключ.

Теоретическое введение.

Эффект Холла состоит в появлении в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, электрического поля в направлении, перпендикулярном току и магнитной индукции. Эффект был открыт американским физиком Холлом в 1879 году. Он наблюдается во всех металлах и полупроводниках независимо от их материала, однако в последних он выражен сильнее.

В настоящее время эффект Холла является одним из наиболее эффективных методов исследования носителей тока, особенно в полупроводниках. Он позволяет оценить концентрацию носителей (электронов и “дырок”), определить их подвижность и знак, что в свою очередь, позволяет судить о количестве примесей в полупроводниках и характере химической связи.

Явление Холла широко используется в технике для контроля качества металлов и полупроводников, а также в измерительной и вычислительной технике, автоматике и радиоэлектронике.

Поместим теперь образец в магнитное поле, направленное по оси y (рис.1). Тогда на свободные носители зарядов (для определенности - электроны), движущиеся со скоростью , в направлении противоположном оси х, будет действовать сила Лоренца _л

, (1)

где е - заряд электрона ( е < 0 ) ;

- средняя скорость упорядоченного движения носителей зарядов;

- индукция магнитного поля.

В нашем случае эта сила действует вдоль оси z ( см.рис.1б ) и равна (т.к. ^ ) :

F_л = F_z = е V_x В (2)

Здесь под V_x имеется в виду средняя (дрейфовая) скорость носителей зарядов вдоль оси x, возникающая при наложении внешнего электрического поля напряженностью Е_x .

Под действием силы Лоренца электроны отклоняются к верхней грани, заряжая ее отрицательно. На нижней грани накаливаются нескомпенсированные положительные заряды. Это приводит к возникновению дополнительного поперечного электрического поля _z , направленного от нижней грани к верхней, и к появлению разности потенциалов Dj между гранями.

Dj = Е_z d (3)

Когда напряженность поля _z достигнет такой величины, что электрическая сила _е , действующая на электроны, будет уравновешена силой _л , установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении. Поле _z складывается с полем _x в результирующее поле . Так как потенциальные поверхности всегда перпендикулярны в каждой точке к вектору , следовательно, они займут положения, изображенные на рис.2.