Ćwiczenie nr 23. Charakterystyka styku między metalem a półprzewodnikiem typu n. str. 1. Cel ćwiczenia:

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 23 Charakterystyka styku między metalem a półprzkiem typu n. Cel ćwiczenia: Wyznaczanie charakterystyki napięciowo - prądowej złącza metal-półprzk n oraz zaobserwowanie działania elementów prostowniczych. Zagadnienia: 1 Teoria pasmowa ciała stałego na podstawie modelu prawie swobodnych elektronów. 2 ki, parametry półprzków. 3 Przctwo samoistne dziurowe i elektronowe półprzków. 4 Złącze typu metal-półprzk n. 5 Prostowniki prądu przemiennego: jednopołówkowe i dwupołówkowe. Pytania kontrolne: 1 Wyjaśnij powstawanie kontaktowej różnicy potencjałów. 2 W jaki sposób wykonuje się złącza? Podaj przykłady. 3 Narysuj układ Gretza i wyjaśnij jego działanie. 4 Dlaczego opór złącza jest nieliniowy? Literatura: 1 B. Jaworski, Kurs fizyki t.ii. 2 C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego. 3 M. N. Rudden, J. Wilson, Elementy fizyki ciała stałego. 4 Przeździecki, Elektrotechnika i elektronika. str. 1

2 Wprowadzenie. Po zetknięciu metalu z półprzkiem typu n strumień elektronów z półprzka do metalu będzie przeważał nad strumieniem elektronów z metalu do półprzka. Warstwa przystykowa półprzka traci część elektronów i ładuje się dodatnio, natomiast metal uzyskuje nadmiarowy ładunek ujemny. Między metalem i półprzkiem powstaje podwójna warstwa ładunku elektrycznego. Utworzy się kontaktowa różnica potencjału. W warstwie przystykowej półprzka niemal całkowicie brak swobodnych elektronów, w związku z czym opór elektryczny warstwy jest znacznie większy niż pozostałej części półprzka. Warstwę taką nazywamy warstwą zaporową. Przyłożenie zewnętrznego napięcia elektrycznego U z do złącza wpływa na rozmiary warstwy zaporowej i wysokość bariery potencjału, a więc i opór. Jeśli zewnętrzne pole elektryczne skierowane jest od metalu (+) do półprzka (-), to elektrony z całej objętości półprzka wciągane są do warstwy przystykowej. Powoduje to zmniejszenie grubości warstwy zaporowej, zmniejszenie bariery potencjału i powiększenie przewodności złącza. W tym kierunku, zwanym kierunkiem przewodzenia, może płynąć stosunkowo duży prąd. a) b) c) Rys. 1. Rozkład potencjału wzdłuż złącza. Jeśli zewnętrzne pole ma kierunek przeciwny, metal(-), półprzk(+), następuje dalsze zubożenie warstwy przystykowej w elektrony, wzrasta jej grubość i bariera potencjałów, a zatem opór. Mówimy, że złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym. str. 2

3 Zależność prądu od napięcia zewnętrznego dla elementu obwodu zawierającego złącze, przedstawia poniższy rysunek. kierunek przewodzenia kierunek zaporowy Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza prostującego. Duże zmiany oporu w zależności od napięcia, przedstawić można we współrzędnych InR, U. Rys. 3. Zależność oporu złącza prostującego od napięcia. Przebieg ćwiczenia. A. Wyznaczanie charakterystyki napięciowo-prądowej złącza metał-półprzk typu n. Zestawić obwód jak na rys.4. Zasilacz regulowany typndn Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki złącza prostującego. Z - zasiłącz prądu stałego z regulacją co 0,1 V, P -płytka żelazna pokryta selenem (prostownik jednopołówkowy). 2. Ustawiając na zasilaczu napięcia : - w kierunku przewodzenia str. 3

4 Od 0,3V do 2,1 co 0,3V i od 3V do l0v co 1V - w kierunku zaporowym od 0 do 30 V co 5 V odczytywać natężenie prądu I w obwodzie i napięcie U na styku. 3. Dane zestawić w tabelach: a) dla kierunku przewodzenia Tob. 1. Wynikł pomiarów - kierunek przewodzenia. U ΔU I Δl R ΔR lnr [V] [V] [ma] [ma] [kω] [kω] dla R w [Ω b) dla kierunku zaporowego Tab. 2. Wyniki pomiarów - kierunek zaporowy. U ΔU I Δl R ΔR lnr [V] [V] [μa] [μa] [MΩ] [MΩ] dla R w [Ω] B. Zastosowanie styku metal-półprzk jako prostownika prądu przemiennego. 1. Z zasilacza prądu przemiennego Tr przyłożyć na oscyloskop napięcie ok. 6 V. Zaobserwować obraz prądu zmiennego. 2. Zbudować układ według rys. 5. str. 4

5 Rys. 5. Schemat połączeń obwodu prostownika jednopołówkowego z oscyloskopem. Tr - zasilacz prądu przemiennego R - opornica suwakowa (20 O - 3A) P - prostownik jednopołówkowy Zdjąć z oscyloskopu zaobserwowane przebiegi. W celu wykorzystania dwu połówek prostowanej sinusoidy stosuje się układ Graetza. Po zbudowaniu poniższego układu zdjąć z oscyloskopu zaobserwowane przebiegi prądu. Rys. 6. Schemat połączeń obwodu prostownika dwupołówkowego z oscyloskopem. 5. W oparciu o powyższe wyjaśnić działanie prostowników. W opracowaniu umieścić zdjęte przebiegi prąciu przemiennego przed i po wyprostowaniu. B. Opracowanie wyników. 1. Na podstawie tabel wykonać wykresy: I = f(u) lnr = f(u) Wyciągnąć wnioski z powyższych wykresów. 2. Obliczyć błąd maksymalny oporności R (tabela 1 i tabela 2) metodą różniczki zupełnej lub pochodnej logarytmicznej dla początkowych i końcowych pomiarów. str. 5