36

ВИВЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ОПОРУ МЕТАЛУ ТА НАПІВПРОВІДНИКА 2

Прилади та обладнання 2

Коротка теорія 2

1. Опір метала та напівпровідника. 2

2. Температурна залежність опору. 2

Хід виконання роботи 3

Обробка результатів експерименту. 4

Контрольні запитання 4

ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА 6

Прилади та обладнання 6

Коротка теорія 6

Хід виконання лабораторної роботи. 6

Контрольні запитання. 7

ВИВЧЕННЯ СТАТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРА 8

Мета роботи 8

Прилади та обладнання 8

Коротка теорія 8

1. Призначення та будова напівпровідникового транзистора. 8

2. Принцип роботи напівпровідникового транзистора 8

4.Дослідження вольт-амперних характеристик 9

Хід виконання роботи 10

Обробка результатів вимірювань 11

Контрольні питання 11

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТА ХОЛЛА У НАПІВПРОВІДНИКУ 11

Коротка теорія 12

Принципова схема експериментальної установки 13

Хід виконання роботи 13

Обробка результатів вимірювання 14

Контрольні запитання. 15

ВИМІРЮВАННЯ ТЕПЛОЄМНОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ 16

Мета роботи 16

Прилади та обладнання 16

Коротка теорія 16

Класична теорія теплоємності твердого тіла 16

Експериментальна частина 17

Експериментальна установка. 17

Методика експеримента 17

Хід виконання роботи. 18

Обробка результатів вимірювання 19

Контрольні запитання 20

ВИВЧЕННЯ СТАТИСТИЧНИХ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ ФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ НА ПРИКЛАДІ РАДІОАКТИВНОГО ФОНУ 21

Мета роботи 21

Прилади та обладнання 21

Короткі відомості 21

Дискретні вимірювання та розподіл Пуассона 22

Неперервні вимірювання та розподіл Гауса 23

Хід виконання роботи 23

2. Перевірка належності вимірювань до розподілу Пуассона. 24

3. Перевірка належності вимірювань до розподілу Гауса. 25

Контрольні запитання. 26

Додаток 3 27

§ 1. Загальна характеристика твердих тіл 27

§ 2. Провідність металів 28

1.Класична теорія. 28

2. Квантова природа провідності металів. 29

§ 2. Провідність напівпровідників 30

1.Енергетичні зони, носії струму власна провідність напівпровідників. 30

2. Домішкова провідність напівпровідників. 31

§ 3. Напівпровідниковий діод 33

§ 4. Квантова теорія теплоємності твердого тіла за Дебаєм. 34

ВИВЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ОПОРУ МЕТАЛУ ТА НАПІВПРОВІДНИКА

Мета роботи

провести вимірювання температурної залежності опору металу та напівпровідника. Розрахувати температурний коефіцієнт опору металу, енергію активації напівпровідника.

Прилади та обладнання

електропіч, міст Уітстона для вимірювання опору, термометр, термостат, зразки металу та напівпровідника.

Коротка теорія

1. Опір метала та напівпровідника.

Класична та квантова природа провідності металів та напівпровідників докладно розглянута у Додатку (§§1, 2). Розглянемо більш детально деякі характеристики провідності .

Величина густини струму у загальному випадку записується у такому виді

, (1)

де заряд, концентрація носіїв струму, а дрейфова швидкість - середня швидкість направленого руху у зовнішньому електричному полі, накладеному на провідник чи на напівпровідник.

Опір R електричному струмові при сталій величині напруженості електричного поля буде тим більший, чим меншою буде величина густини струму і навпаки, тобто . У той же час провідність пропорційна густині струму

. (2)

Таким чином, порівнюючи (1) та (2), можна стверджувати, що опір R буде тим меншим, чим більшими будуть концентрація носіїв струму n та їх дрейфова швидкість і навпаки, провідність буде тим більшою, чим більшими будуть концентрація носіїв струму n та їх дрейфова швидкість . Таку залежність можна представити формулою

2. Температурна залежність опору.

Величина дрейфової швидкості провідників і напівпровідників залежить від розсіювання направленого руху носіїв струму на теплових коливаннях вузлів кристалічної решітки. Чим більшою буде енергія теплових коливань вузлів, тим меншою буде дрейфова швидкість. Енергія теплових коливань вузлів збільшується із збільшенням температури кристала Т. Таким чином при збільшенні температури кристала збільшується опір R і навпаки, при зменшенні температури дрейфова швидкість зростає, а опір зменшується: .

Якщо враховувати лише залежність дрейфової швидкості від температури Т, що має місце у провідниках, то опір провідників залежить від температури лінійно

, (19)

де опір провідника при температурі , температурний коефіцієнт опору, . У провідників концентрація носіїв струму не залежить від температури й у широкому діапазоні Т є сталою величиною.

Концентрація носіїв струму й температура напівпровідників. Концентрація вільних електронів та дірок змінюється з температурою експоненціальне, зростаючи з підвищенням температури

, (20)

При цьому можна знехтувати зміною дрейфової швидкості з температурою, вважаючи її сталою . Тепер для опору напівпровідника із власною провідністю буде .

У випадку чистого напівпровідника (власна провідність) чи напівпровідника з домішкою (домішкова провідність), температурна залежність опору буде обернено пропорційною концентрації, що визначається виразом (20) і має вид

(21)

Висновки теорії

1. Фізична модель опору метала електричному струмові полягає у розсіюванні направленого руху "вільних" електронів тепловими коливаннями іонів, які знаходяться у вузлах кристалічної решітки. Залежність опору R від температури Т є лінійною функцією.

2. Фізична модель опору R напівпровідника полягає у залежності струму від концентрації електронів, що залишають зв'язки між атомами: переходять у зону провідності, а також концентрації дірок n, які є експоненціальними функціями температури. Поруч із цим механізмом існує, як і у випадку металів, розсіювання носіїв струму на теплових коливаннях кристалічної решітки, але воно дає вклад в опір на декілька порядків менший, ніж процес утворення носіїв струму при зростанні Т. Опір напівпровідника має експоненціальну залежність від температури.

Хід виконання роботи

1 . Зберіть схему установки, як показано на малюнку.

2. Наповніть термостат водою та ввімкніть електропіч . За допомогою перемикача одночасно через 5 кельвін вимірюйте містком Уітстона опір металу та напівпровідника. Температуру контролюйте за показаннями термометра. Опис, схема моста Уітстона та інструкція користувача додаються до приладу.

Дані вимірювання запишіть у таблицю.

Обробка результатів експерименту.

Утворимо лінійну залежність y=a+bx для визначення опору метала й напівпровідника від температури. Нижче вживаються величини , які є середніми значеннями a та b відповідно, а а та b - їх границі довірчого інтервалу.

а) Метал. Якщо опір металу при 0^оС, то Т= t^oC і вираз R=R₀+R₀Т можна записати у вигляді R=R₀+R₀t. Для лінеаризації одержаного виразу покладемо y=R, a=R₀, b= R₀ , x=t^oC.

За методом найменших квадратів для ймовірності 95% знайдемо величини та а і b. Результати вимірювання запишемо у вигляді

- опір при Т=273 К - ,

• температурний коефіцієнт опору

,

де

при ймовірності Р=0,95.

б) Напівпровідник. Прологарифмуємо вираз (5) і покладемо:

y=lnR, x=1/T, a=lnA, b=E_a/(2k).

За методом найменших квадратів для ймовірності 95% знайдемо середні величини та їх границі довірчого інтервалу а й b. Результати вимірювання запишемо в електрон-вольтах у вигляді

,

,

де k =1.3810^-23 ДжК - стала Больцмана.

Проаналізуйте одержані результати і висновки запишіть до протоколу.

Контрольні запитання

1. Опишіть будову металу та напівпровідника.

2. Опишіть температурну залежність опору провідника та

напівпровідника.

3. В чому полягає фізичний зміст власної та домішкової провідності .

4. В чому полягає фізичний зміст залежності опору речовини від

температури на прикладі залежності густини струму j = nev.

ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА

Мета роботи

• виміряти залежність струму в діоді від величини та знаку напруги, обудувати вольт-амперну характеристику діода,

• визначити коефіцієнт випрямлення діода,

• визначити величину потенціального бар'єра на границі p-n переходу.

Прилади та обладнання

напівпровідниковий діод, джерела напруги 4 В та 30 В, мілі- та мікроамперметр, реостати.

Коротка теорія

Утворення та властивості напівпровідникового діода докладно розглянуто у Додатку (§ 3). Для визначення властивостей діода необхідно зняти його вольт-амперну характеристику.

Хід виконання лабораторної роботи.

Для зняття вольт-амперної характеристики діода необхідно:

1) зібрати електричну схему згідно принципової електричної схеми установки, зображеної на малюнку, де

1 - германієвнй або кремнієвий діод, К₃ - перемикач прямого та зворотнього ввімкнень діода, V₁, V₂ - вольтметри вимірювання напруги прямого та зворотнього ввімкнень, К₁, К₂ - ключі ввімкнення джерел напруг, mА - міліамперметр вимірювання прямого струму, А - мікроамперметр вимірювання зворотнього струму, R₁, R₂ -реостати.

2) змінюючи реостатом величину напруги через 0.1 В у прямому та 1 В у

зворотному ввімкненнях від 0 В до відповідних максимальних величин, записати у таблицю значення величини струму (попередньо визначивши ціну поділок амперметрів).