Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Винницкий национальный медицинский университет им. Н.И.Пирогова

Предмет:

Биофизика

Файл:

Медична і біологічна фізика том-1 / Структура / Матеріал / Проэкт№04 / 4.ppt

Скачиваний:

Добавлен:

13.02.2015

Размер:

8.42 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1211 12 > Следующая >>>

Короткі теоретичні відомості

Тонкий шар напівпровідника, в якому має місце просторо- ва зміна типу провідності від електронної до діркової, нази- вається електронно-дірковим або p-n-переходом. Електро- провідність p-n-переходу залежить від напрямку струму: в одному напрямку (прямому) вона велика, в іншому (зво- ротному) – мала.

Розглянемо p-n-перехід за відсутності зовнішнього поля. Вільні електрони дифундують із n-області в p-область, де їх концентрація набагато менша і там рекомбінують з дірками. В результаті цього в p-області залишаються негативно заряджені акцепторні атоми, в n-області – позитивно заряджені донорні атоми. Оскільки акцепторні та донорні атоми нерухомі, на межі p-n-переходу виникає подвійний шар просторового електричного заряду (мал. 4.54), який називають запираючим шаром. Він створює контактне електричне поле Ек, яке протидіє подальшій дифузії основних носіїв. Різниця потенціалів, якою характеризується контактне поле, має вели- чину кілька десятків мілівольт, її називають кон тактною різницею потенціалів або висотою потенціального бар’єра. В умовах теплової рівноваги і при відсутності зовнішнього електричного поля струм через p-n-перехід дорівнює нулю: існує динамічна рівновага між струмом неосновних і основних

носіїв.	E 0	0

М а л . 4 . 5 4 .

E 0

a )

E 0

б)

Ма л . 4 .5 5 .

Зовнішнє електричне поле

змінює висоту бар’єра і порушує рівновагу потоків основних та неосновних носіїв. Якщо зовнішнє електричне поле має напрямок, протилеж- ний до контактного Ек, то висота потенціального бар’єра зменшується (мал. 4.55). Через контакт йтиме струм, величина якого залежить від величини зовнішнього поля Е0. Цей на- прям називається прямим або пропускним.

Якщо напрямок зовнішнього електричного поля Е0 збіга- ється з напрямком Ек, то модулі їхніх на пруженостей додаються, що й приводить до збільшення контактної різниці потенціалів. За цієї умови струм основних носіїв через контакт буде дорівнюватиме нулю. Такий напрямок поля і відповідний спосіб підключення називають зворотним.

На мал. 4.56 показана залежність сили струму від напруги. Кривій ОА відповідає прямий струм, а кривій ОВ – незначний обернений струм, що обумовлений рухом неос- новних носіїв електричного заряду.

Як видно з графіка, сила прямого струму залежить від

напруги – вона збільшується із збільшенням напруги. Сила зворотного струму від напруги практично не залежить. Вона визначається кількістю неосновних носіїв, які виникають за одиницю часу. А ця кількість незмінна при фіксованих зовніш- ніх умовах (температура, освітленість тощо). Умовне зобра- ження напівпровідникового діода показано на мал. 4.57.

Мал. 4.56.

Якість напівпровідникового діода оцінюється коефіцієнтом випрямлення k, який дорівнює відношенню сили прямого струму до зво- ротного, виміряних при од-

наковій напрузі ( Uпр =

Uзв ) k = Iпр/Iзв.

При роботі з діодом не- обхідно враховувати зна- чення найбільшої зворотної напруги, яка може бути прикладена до діода без по- рушення його нормальної роботи.

Мал.4.57.

Порядок виконання роботи

1.Зібрати електричне коло за схемою, показаною на мал.

4.58.

2.З’єднати за допомогою провідників зібране коло з дже- релом живлення.

3.Поставити повзунок реостата в крайнє положення (як зображено на схемі).

4.Подати напругу на реостат (потенціометр) замкнутого

кола за допомогою ключа К.

5.Переміщуючи повзунок вздовж реостата, спостері гати за показниками вольтметра і міліамперметра. Записати 5–6 показників вольтметра і відповідних їм показників міліампер- метра. Дані занести в таблицю 1.

6.Змінити полярність напруги, яка подається на діод (ви- тягнути вилку з діодом із гнізда, повернути її на 180о і знову увімкнути).

7.Дії п. 5 повторити.

8.За знятими показниками вольтметра і міліамперметра побудувати вольт-амперну характеристику.

9.Обчислити коефіцієнт випрямлення для максимального значення напруги, яка використовується в роботі.

Мал. 4.58.

Контрольні питання

1.Поясніть фізичні процеси, які відбуваються в p-n-переході за відсутності зовнішнього електричного поля.

2.Перерахуйте способи увімкнення діода в електричне коло. Нама- люйте схеми.

3.Які фізичні процеси лежать в основі роботи діода як випрямляча?

4.За якими характеристиками і параметрами оцінюється діод?

5.Які характеристики діода є нелінійними і чому?

6.У чому полягає подібність характеристик діодів та біологічних тканин?

7.Як впливає підвищення температури на концентрацію вільних носіїв?

4.7.3. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3 “Вивчення роботи транзистора”

Мета роботи: ознайомитись з принципом роботи транзи- стора, навчитись отримувати вхідні та вихідні характеристики і за ними визначати основні параметри транзистора.

Прилади та обладнання: транзистор, міліамперметр, мік - роамперметр, два вольтметри, два потенціометри, з’єднувальні провідники.

Контрольні питання для підготовки до лабораторної ро- боти

1.Напівпровідники. Температурна залежність питомого опору.

2.Електронно-дірковий перехід. Контактна різниця потенціалів. За- лежність величини контактної різниці потенціалів від напрямку зовнішнього поля.

3.Підсилювачі. Коефіцієнт підсилення.

Додаткова література

1.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1992.

2.Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1974. – С. 277– 279.

3.Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – Ч. 1, с. 110–113; 172–178.

Короткі теоретичні відомості

Транзистор – напівпровідниковий прилад, що скл ада- ється із двох, близько розміщенних p-n переходів. Тобто – це напівпровідниковий монокристал, в якому створені три об- ласті з різними типами провідності. Залежно від виконуваних функцій їх називають: емітер (від лат. emittio – випускаю) – область, яка є джерелом вільних носіїв електричного заряду; колектор (від лат. colligo – збираю, з’єдную) – область тран- зистора, в яку потрапляють вільні носії електричного заряду, випущені емітером. Між емітером і колектором, котрі мають один і той самий тип провідності, знаходиться база (від грец. – основа) – до сить тонка область, концентрація вільних носіїв в якій набагато менша, ніж у емітері і колек- торі. Якщо транзистор виготовлений так, що база має елек- тронну провідність, то його називають транзистором р-n- p типу (мал. 4.59а), якщо ж база має діркову провідність, то – n-p-n типу (мал. 4.59б).

Мал. 4.59.

							Транзистор	використовують
В х і д				В и х і д		для	підсилення	сили струму, н а-
						пруги, потужності, а також для уз-
						годження параметрів у складних
						електричних схемах. Залежно від
В х і д				В и х і д		призначення, можливі три спосо-
В х і д						би	включення	транзистора: із
						спільною базою (мал. 4.60a), із
						спільним емітером (мал. 4.60б) і
В х і д				В и х і д		спільним колектором (мал. 4.60в).
В х і д							Розглянемо	фізичні процеси,
							Розглянемо	фізичні процеси,
М	а л .	4	. 6	0 .		які вібуваються в p-n-p-транзисто-
М	а л .	4	. 6	0 .		рі, увімкненому за схемою із
						спільним емітером (мал. 4.61).
						Прикладемо до емітерного пере-
						ходу невелику напругу в прямому
				U		напрямку, а до колекторного пе-
					вих	реходу набагато більшу напругу в
					вих
	I e					зворотному напрямку. Такий спо-
						сіб увімкнення зменшує контактну
						різницю потенціалів переходу емі-
						тер – база і виникає струм, обу-
М	а л .	4	. 6	1 .		мовлений рухом дірок Іе.
М	а л .	4	. 6	1 .

Вільні носії, які при цьому потрапляють в базу, частково реком-

бінують, але, завдяки малій товщині бази і низькій концентрації електронів в ній, більшість дірок досягає колекторного переходу внаслідок дифузії. Зворотна напруга, що прикладена до колекто- ра, створює сильне електричне поле E Ux / d , d – товщина p-n-

переходу, вона має досить малі значення (типово 50–60 мкм). Це поле втягує дірки, що є в базі, в колектор, збільшуючи їх швид- кість.

Таким чином, всі дірки, які досягли колекторного перехо-

ду, будуть брати участь в утворенні струму колектора Iк, їх концентрацію можна виразити як:

n = nе – nб + nк,

де пе – концентрація дірок, випущених емітером, пб – концен- трація тих дірок, які рекомбінували в базі, пк – концентрація вільних носіїв власне в колекторі.

Різниця потенціалів між емітером і колектором у десятки разів більша за різницю потенціалів між емітером і базою. А це означає, що змінами струму бази можна керувати вихідним струмом Iк, зміни якого будуть відповідними за формою Iе, але значно більшими за величиною.

U бе 1	U бе 2
U бе	U бе	U ке
Мал. 4.62.		Мал. 4.63.

Транзистори характеризуються сукупністю вхідних і вихідних статичних характеристик:

1.Вхідні характеристики відображають залежність вхід ного струму від вхідної напруги: Iб = f (Uбе) при Uке = const (мал. 4.62).

2.Вихідні характеристики відображають залежність вихідно- го струму від вихідної напруги при сталому вхідному струмі (мал. 4.63):

Iк = f (Uке) при Iб = const.

За цими характеристиками визначають основні параметри транзистора:

1.Вхідний опір Rвх = Uбе/ Iб при Uке = const.

2.Вихідний опір Rвих = Uке/ Iк при Iб = const.

3.Коефіцієнт підсилення струму = Iк/ Iб при Uке =

const.

Хід роботи

Схема пристрою наведена на передній панелі приладу (мал. 4.64).

Мал.4.64.

Напруга живлення 6 В. На вхідну ділянку напруга п о- дається через дільник із опорів R1 і R2. За допомогою п о- тенціометра R2 можна плавно змінювати напругу, що п о- дається на емітерний перехід (Uбе). Ця напруга вимірюється мілівольтметром, а струм Iб – мікроамперметром. За допомо- гою R3 можна плавно змінювати напругу вихідного кола, яка вимірюється мілівольтметром, якщо перемикач на панелі зна- ходиться в положенні “Uке”. Для вимірювання струму Iк н е- обхідно перемикач мікрометра перемістити в положення “Iк”.

З а в д а н н я

1 .

р и м а н н я

в х і д н и х

в и х і д н и х

с т

а т

и ч н и х

х а -

р а к т

е р и с т

и к

р а н з и с т

о р а

і в и з н а ч е н н я

й о г о

п а р а м е т

р і в .

. П

о в е р н у т и

р у ч к и

р е г у л я т о р і в

н а п р у г и

н а

б а з і

т а

к о л е

к -

т о р і

к р а й н є

л і в е

п о л о ж

е н н я .

У в і м к н у т и

в и л к у

и в л е н н я

м е р е ж

т а к , щ

о б

“ + ” в и л к и

з б і г а в с я

“ +

” р о з е т к и .

. Р е г у л я т о р о м

а п р у г и

н а

к о л е к т о р і в с т а н о в и т и

В .

. П

і д т р и м у ю

ч и

н а п р у г у

н а

к о л е к т о р і

п о с т і й н о ю ,

з м і

н ю -

в а т и

н а п р у г у

н а

е м і т е р н о м у

п е р е х о д і

п о т е н ц і о м е т р о м

R 2 і

в и м і р я т и

с т р у м

ч е р е з

п е р е х і д .

З н а ч е н н я

н а п р у г и

з м і н ю

в а т и

в і д п о в і д н о

д о

т а б л и ц і

1 .

U б е ,

м В

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

3 0 0

І б

. Р е

г у л я т о р

о м

н а п

р у г и

2 в с т а н о

в и т и

с т

р у м

б а з и

I б

2 0

А .

. П

е р е м и к а ч е м

н а п р у г и

н а

п а н е л і

в с т а н о в и т и

п о л о ж е н н я

“

” .

Р е г у л я т о р о м

н а п р у г и

R 3 в с т а н о в л ю

в а т и

з н а ч е н н я

н а п р у г и

в і д п о в і д н о

д о

т а б л и ц і

2 ,

п р и

ц ь о м у

п і д т р и м у в а т и

з а

д о п о м

о -

г о ю

р е г у л я т о р а

R 2 с т р у м

I б

2 0

м к А .

. П

е р е м и к а ч

н а

п а н е л і

–

п о л о ж

е н н я

“

I к ” . З а н е с т и

з н

а -

ч е н н я

с и л и

с т р у м у

I к в

т а б л

и ц ю

2 .

р і з н и ц е ю

щ о

с т р у м

б а з и

. П

о в т о р и т и

п у н к т и

т і є ю

А .

2 .

к ,

0 . 1

0 . 2

0 . 5

0 . 8

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1211 12 > Следующая >>>