Методички по лабам(физика) / lab72

3

Цель работы: ознакомиться с принципом действия полупроводникового тран-

зистора.

Задача: получить выходные характеристики транзистора Uк f (Uэ ) по напряжению в схеме с общей базой, рассчитать коэффициент усиления транзи-

стора по напряжению u .

Приборы и принадлежности: лабораторный стенд - вольтметр; милливольт-

метр, источник питания, транзистор.

ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ

Электроны в отдельном атоме могут занимать только вполне определенные энергетические уровни. В изолированном атоме расстояние между уровнями энергии составляет несколько электронвольт. Но когда соединяются два атома,

их электроны в соответствии с принципом запрета Паули не могут иметь одну и ту же энергию. В результате происходит расщепление уровней энергии. Каж-

дый уровень превращается в два уровня, разделенные малым энергетическим интервалом. А так как большинство твёрдых тел имеет кристаллическую струк-

туру, то в любом кристалле соединены вместе многие миллионы атомов, и в ре-

зультате получится огромное число энергетических уровней, образующих раз-

решенные энергетические зоны. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне 10 22 эВ . Поэтому зоны можно считать практически непре-

рывными (рис.1).

Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещённых значе-

ний энергии ( ), называемыми запрещёнными энергетическими зонами.

Обычно электроны находятся в валентной зоне. Будет ли твердое тело ди-

электриком, проводником или полупроводником, зависит от структуры энерге-

тических зон (рис.2).

В металлах валентная зона заполнена электронами только частично и при-

мыкает к зоне проводимости, поэтому электроны могут легко переходить из ва-

4

лентной зоны в зону проводимости. С другой стороны, если валентная зона, за-

полненная электронами, чётко отделена от зоны проводимости достаточно ши-

рокой запрещенной зоной ( > 2 эВ ), то твёрдое тело является диэлектри-

ком. Наконец, в полупроводнике запрещенная зона узкая ( 1эВ ).

Рис.1.Энергетические уровни электронов в металле

Рис.2. Энергетические зоны в твёрдых телах( ЗП – зона проводимости, ЗЗ – запрещённая зона, ВЗ – валентная зона)

Каждый главный уровень энергии подразделяется на множество подуров-

ней. При температуре T 0 K валентная зона полностью заполнена электрона-

ми, а зона проводимости полностью свободна и полупроводник не проводит электрического тока. При повышении температуры электроны начинают обме-

ниваться энергией о ионами кристаллической решетки. Благодаря этому, элек-

5

трон может получить добавочную кинетическую энергию порядка k T (где k -

постоянная Больцмана). Такие электроны становятся основными носителями заряда. Но проводимость возникает и по другой причине. В валентной зоне освобождаются квантовые состояний, не занятые электронами, - дырки. При наличии дырок электроны могут рекомбинировать с ними. Прежние заполнен-

ные состояния при этом освобождаются, т.е. превращаются в дырки и т.д. Такая проводимость называется собственной в отличие от примесной проводимости,

обусловленной наличием примесей атомов других химических элементов. При наличии примесей появляются добавочные энергетические уровни, располага-

ющиеся в запрещенной зоне полупроводника (рис.3).

а) n - тип б) p - тип

Рис.3. Примесные уровни в легированных полупроводниках:

а) n - типа, б) p - типа

Допустим, что добавочные уровни зоне в запрещенной зоне появились вблизи нижнего края зоны проводимости (рис.3, а). С этих уровней электроны будут переходить в зону проводимости. Если 1 мала по сравнению с ,

то количество электронов в зоне проводимости может увеличиться на несколь-

ко порядков. Примеси такого типа, поставляющие электроны в зону проводи-

мости, называются донорами, а сам полупроводник обладает проводимостью n

6

- типа. Примером донорной примеси могут служить атомы пятивалентного мышьяка, вводимые в кристаллическую решетку четырехвалентного кремния.

Рис.3, б поясняет акцепторную примесную проводимость, где основными но-

сителями являются дырки. Такой полупроводник обладает проводимостью p -

типа. Таким образом, примеси играют значительную роль - с их помощью мож-

но управлять проводимостью полупроводников.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

Важнейшее применение полупроводники с p n переходом находят в транзисторах. Транзистор n p n - типа (рис.4) состоит из трёх полупро-

водниковых областей: полупроводника n - типа, называемого эмиттером (в

нем большая концентрация донорных примесей), полупроводника p - типа,

называемого базой, и полупроводника n - типа, называемого коллектором.

Рис.4. Схема включения транзистора n p n - типа ( с общей базой).

Контактное поле Eк в обоих n p переходах направлено от электронного к дырочному полупроводнику, такое направление Eк - запорное, противополож-

9

фика видно, что для большего значения U к б приращение Uk Uk 2 Uk1

больше, значит, коэффициент au будет больше.

Рис.6. Определение коэффициента усиления транзистора по напряжению

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с установкой. Включить цепь коллектора ключом ВКЛ. Пе-

реключателем П1 установить напряжение питания Uк б 4 В.

2.Включить цепь эмиттора поворотом ручки U э .

3.Изменяя U э от 0 до 0,5 В с шагом 0,05 В, записать соответствующие зна-

чения U э и Uк в таблицу.

4.По полученным данным построить кривую зависимости Uк f (Uэ ) .

5.По наклону прямой на наиболее крутом прямолинейном участке опреде-

лить коэффициент усиления транзистора по напряжению(см. рис.6)

10

6.Перевести переключатель П1 в положение Uк б 8 В и повторить пункты

3,4,5.

7.Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Пояснить различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории.

2.Пояснить различие в температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников.

3.Пояснить механизм собственной и примесной проводимости.

4.Пояснить принцип действия транзистора p n p - типа.

5.Кремниевый проводник легирован фосфором. Будут ли примесные атомы донорами или акцепторами? Какого типа получится полупроводник?

11

6.Кремниевый проводник легирован бором. Будут ли примесные атомы до-

норами или акцепторами? Какого типа получится полупроводник?

7.Для схемы с общей базой известно: коэффициент усиления равен 27,

входное сопротивление равно 50 Ом, выходное сопротивление равно

1500 Ом. Чему равен коэффициент усиления транзистора по напряжению?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Электричество.− М.: − Наука, 1983 − 687 с.

2.Трофимова Т. И. Курс физики. − М. :Высшая школа, 1997. − 542 с.

3.Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике − М.: Наука, 1985.− 512 с.

4.И.В.Савельев. Курс общей физики. Книга 5. Квантовая оптика.Атомная физика.Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных ча-

стиц. − М.: Астрель, 2001.