Міністерство освіти і науки України
Одеська національна морська академія
Кафедра фізики і хімії
Лабораторна робота № 8-2
Дослідження вольт-амперних
характеристик напівпровідникового
діода і металу
ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ
Склали: В.І. Михайленко,
А.А.Горюк,
Ф.О.Птащенко
Посібник затверджено на
засіданні кафедри,
протокол № 2 від 17.09.2009
Одеса – 2009
Лабораторна робота № 8-2
ДОСЛІДЖЕННЯ ВОЛЬТАМПЕРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА І МЕТАЛУ
1.Теоретична частина
1.1. Основи зонної теорії твердих тіл
Пояснити, чому метали добре проводять електричний струм, діелектрики струм не проводять, а напівпровідники мають проміжну провідність, намагається зонна теорія твердих тіл. Вона в свою чергу спирається на основні результати квантової теорії будови атомів, які стисло подані нижче.
З
точки зору квантової теорії, електрон
в атомі може займати лише певні стани.
Цим станам відповідають різні хвильові
функції
електронів (різні форми "електронної
хмарки"). Стан електрона в атомі (його
хвильова функція) повністю визначається
набором чотирьох квантових
чисел:
головного (
),
орбітального (
),
магнітного (
)
та спінового (
).
Ми не будемо тут пояснювати фізичний
цих чисел, зауважимо лише, що вони
входять у формулу, що описує хвильову
функцію електрона. Енергія електрона
в атомі залежить від
і
;
від
залежить лише у магнітному полі (або
при наближенні кількох атомів); від
(або спіну) енергія електрона не залежить.
Згідно з принципом
мінімуму енергії,
електрони
в атомі займають найнижчі можливі
енергетичні стані.
Зайняти усім електронам у атомі однаковий
найнижчий енергетичний стан забороняє
принцип
Паулі.
Згідно з ним,
в атомі не може існувати двох однакових
електронів
(тобто електронів з однаковим набором
квантових чисел). Отже, в окремому атомі,
електронам з різними
і
відповідають різні
енергетичні
рівні
(на одному енергетичному рівні можуть
знаходитися електрони з різними
і
).
При
об’єднанні
окремих атомів в кристал, відстань між
ними зменшується. Кожен з них попадає
у сильне електромагнітне поле своїх
сусідів. Це призводить до розщеплення
енергетичних рівнів атомів. Кожен рівень
окремого атома розщеплюється на
близьких підрівнів, які утворюють у
кристалі енергетичну
зону.
Ширина енергетичної зони має величину
порядку
,
підрівні знаходяться дуже близько один
до одного (енергетична відстань між
ними
);
на
кожному підрівні може знаходитися два
електрони з протилежними спінами (
). Максимальна кількість електронів в
енергетичній зоні дорівнює
.
Як і енергетичні рівні в окремих атомах, підрівні в енергетичних зонах заповнюються згідно з принципом мінімуму енергії та принципом Паулі: спочатку заповнюються підрівні з мінімальною енергією, на кожному підрівні зони може бути не більше двох електронів з протилежними спінами. Імовірність заповнення певного підрівню в зоні визначається розподілом Фермі-Дірака.
Електричний струм – це впорядкований (направлений) рух заряджених мікрочастинок. Напрямок струму збігається з напрямком руху позитивних зарядів (струм у металах обумовлений рухом електронів, і його напрямок протилежний руху електронів).
Сила струму I чисельно дорівнює заряду, який проходить через поперечний переріз провідника за одну секунду:
,
(1*)
або
,
якщо струм постійний. Сила струму
вимірюється в амперах
Потенціал – енергетична характеристика поля. Потенціал у даній точці чисельно дорівнює потенціальній енергії одиничного заряду, уміщеного в дану точку поля:
.
(2*)
Потенціал
вимірюється у вольтах:
.
Для того, щоб в замкненому колі йшов електричний струм, необхідно джерело ЕРС. ЕРС (електрорушійна сила) чисельно дорівнює роботі сторонніх сил (не електричного походження) з переміщення одиничного заряду по всьому колу:
.
(3*)
ЕРС вимірюється у вольтах.
Електрична напруга U чисельно дорівнює повній роботі, яку виконують як сторонні, так і електростатичні сили при переміщенні одиничного позитивного заряду на деякій ділянці кола:
.
(4*)
Якщо
на ділянці кола джерело ЕРС відсутнє,
то
.
Співвідношення між силою струму та напругою встановлює закон Ома.
Закон Ома для однорідної ділянки кола: сила струму на деякій ділянці кола пропорційна до напруги і обернено пропорційна до опору,
.
(5*)
Електричний
опір – величина, яка характеризує
протидію провідника або
електричного кола протіканню струму.
Опір
вимірюється в омах,
.
Конденсатор – система двох провідників (двох обкладок), між якими знаходиться діелектрик. Обкладки конденсатора заряджають однаковими по модулю і різними за знаком зарядами.
Електроємність конденсатора чисельно дорівнює заряду, який необхідно надати конденсатору, щоб змінити напругу між його обкладками на одиницю (на 1В):
,
(6*)
де
– заряд кожної із обкладок, а
– різниця потенціалів між обкладками.
Електроємність вимірюється у фарадах:
.