WYZNACZANIE STOSUNKU ŁADUNKU ELEKTRONU DO STAŁEJ BOLTZMANNA

Transkrypt

1 WYZNAZANI STOSUNKU ŁADUNKU LKTRONU DO STAŁJ OLTZMANNA I. el ćwiczenia: wyznaczenie stosnk łank elektron o stałej oltzmanna, nabycie miejętności posłgiwania się przyrząami: ltratermostatem i zielnikiem napięcia, wykorzystanie metoy graficznej ( lb najmniejszych kwaratów ) przy opracowywani ćwiczenia. II. Przyrząy: ltratermostat UTM-3, woltomierz, miliamperomierz, źróło napięcia stałego ( 0-10 ), zielnik napięcia lb potencjometr, tranzystor mocy. III. Literatra: W. Marciniak Przyrząy półprzewonikowe i kłay scalone, WNT 1979, W-wa. I. WPROWADZNI. 1. Półprzewoniki, rozaje przewonictwa Atomy w sieci krystalicznej oziałją na siebie i strktra energetyczne kryształ jest inna niŝ pojeynczego atom. Zamiast o yskretnych poziomach energetycznych, jak w pojeynczym atomie, mówimy o pasmach energetycznych. W półprzewonik elektrony w pewnych warnkach mogą przechozić z niŝszego energetycznie pasma zwanego walencyjnym o następnego ozwolonego - pasma przewonictwa. Tak moŝe się stać, gy elektrony zyskają energię np. zięki rganiom cieplnym sieci. Z kaŝym aktem takiego przejścia łączy się generacja pary elektron-zira. Proces generacji par jest równowaŝony przez rekombinację elektronów i zir. W tym tzw. półprzewonik samoistnym, koncentracje elektronów, zir i par elektron-zira, są jenakowe. lektrony w sieci polegają statystyce Fermiego-Diraca, tzn. ich rozmieszczenie na poszczególnych poziomach energetycznych opisje fnkcja: F( W ) 1 = W W 1 ep F, ( 1 ) gzie W - energia poziom, W F - energia tzw. poziom Fermiego, tzn. poziom, powyŝej którego liczba stanów obsazonych jest równa liczbie stanów wolnych poniŝej niego (z równania ( 1 ) wynika bezpośrenio takie określenie poziom Fermiego, poniewaŝ la W = W F mamy F(W) = 0,5), k - stała oltzmanna, T - temperatra bezwzglęna. Szeroko stosowane w technice półprzewoniki omieszkowe, otrzymje się przez oawanie o materiałów półprzewonikowych opowienich omieszek. Jeśli np. o sieci krystalicznej 4- wartościowego krzem (kaŝy atom krzem ysponje czterema elektronami walencyjnymi) wpro- 1 I PRAOWNIA FIZYZNA

2 wazić atomy antymon posiaające 5 elektronów walencyjnych, to tylko cztery wiązania bęą wysycone. arzo słabo związany piąty elektron moŝe być łatwo oerwany o atom antymon. Oerwanie tego elektron oznacza w moel pasmowym jego przejście o pasma przewonictwa, stą nazwa omieszka onorowa (ająca elektrony). Natomiast w węźle sieci krystalicznej pozostaje zjonizowany jenooatni atom antymon. W półprzewonik takim głównymi nośnikami prą są swobone elektrony (półprzewonik typ n). Jeśli zamiast atomów 5-wartościowych wprowazić atomy trójwartościowe np. atomy in, to jeno z wiązań pozostaje niewysycone i brakjący elektron moŝe być łatwo zpełniony po oerwani z sąsieniego wiązania Si - Si. Wyrwanie elektron z wiązania krzem - krzem i przyłączenie o czwartego brakjącego wiązania in - krzem oznacza w moel pasmowym zabranie elektron z pasma walencyjnego, stą nazwa omieszki - akceptorowa (przyjmjąca elektrony).wówczas powstaje zira w paśmie walencyjnym, atom in natomiast, lokowany w węźle sieci krystalicznej, jonizje się jenojemnie. Półprzewonik taki nazywamy półprzewonikiem typ p. Na rysnk 1 pokazany jest kła pasm energetycznych oraz poziomy Fermiego w półprzewonik typ p i n. W W p Pasmo przewonictwa n pasmo przewonictwa W F poziom Fermiego W F poziom akceptorowy poziom Fermiego poziom onorowy Pasmo walencyjne Pasmo walencyjne akceptor onor zira elektron W F - energia poziom Fermiego Rys.1 Ukła pasm energetycznych oraz poziomy Fermiego w półprzewonik typ p i n. 2. Złącze p-n. Przy zetknięci w obszarów przewonika o omiennym typie przewonictwa, powstaje strefa przejściowa zwana złączem p-n. Przez złącze mogą yfnować nośniki namiarowe, tzn. elektrony z n o p i ziry z p o n. Pojawiające się w obszarze granicznym złącza pole elektryczne związane z koncentracją nośników prowazi o zahamowania yfzji. Natomiast rch generowanych termicznie w pobliŝ złącza nośników mniejszościowych - elektronów w obszarze p i zir w obszarze n jest wspomagany przez pole elektryczne w złącz (pole bariery potencjał). Wynika stą, Ŝe prąy mniejszościowe zaleŝeć bęą o temperatry (nie zaleŝą natomiast o wysokości bariery potencjał). Rysnek 2 pokazje przebieg potencjał i rozkła nośników w obszarze złącza niespolaryzowanego. Wieząc, Ŝe całkowity prą yfzyjny nośników większościowych I = I p I n, (I p, I n - prąy yfzyjne nośników większościowych) oraz rozwiązjąc opowienie równania yfzji, otrzymjemy e( U Uz ) I = A e ( 2 ) W warnkach równowagi (napięcie polaryzacji zewnętrznej jest równe zer) prą noszenia zwany teŝ inaczej prąem generacji cieplnej I = I p I n jest równy prąowi yfzyjnem (I p, I n opowienie prąy mniejszościowe generacji cieplnej) 2 I PRAOWNIA FIZYZNA

3 I = I = A e Ćwiczenie -26. ( 3 ) Z ostatniej zaleŝności wynika, Ŝe A = I e,a zatem wzór ( 2 ) przyjmie postać: I = I e. ( 4 ) p n U a) I p p p I n n n I n n p I p p n b) Rys.2. Kształt bariery potencjał a) oraz rozkła koncentracji nośników w obszarze złącza b). p p, p n - koncentracje zir w obszarze p i n; n n n p - koncentracje elektronów w obszarze n i p; I p, I n, I p, I n - prąy yfzyjne () i generacji cieplnej (). Uwzglęniając, Ŝe całkowity prą I przepływający przez złącze jest równy róŝnicy prą yfzyjnego i prą noszenia otrzymje się: I = I I = I ( e ) z 1. ( 5 ) Prą noszenia (generacji cieplnej ) płynący przez złącze nie zaleŝy o, I ( ) = const. (zaleŝy jenak o temperatry - patrz wzór 3). Dla napięcia przyłoŝonego w kiernk przewozenia złącza moŝna przyjąć, Ŝe I = I e. ( 5a ) Dla złącza germanowego wzór ( 5a ) jest słszny w całym zakresie napięć. W przypak krzem la napięć < 0,4 prą I = ep( z /2), po czym charakterystyka przyjmje kształt typowy la prą yfzji czyli any zaleŝnością ( 5a ). z 3 I PRAOWNIA FIZYZNA

4 3. Tranzystor warstwowy. Tranzystor warstwowy powstaje przez połączenie trzech ocinków półprzewonika p-n-p lb n-p-n ( emiter-baza-kolektor ), czyli jest to kła w złącz pn-np lb np-pn. Rozkła potencjał w obszarze śrokowym w warnkach równowagi, la przypak tranzystora n-p-n przestawia rysnek 4a. n p n p U U a) b) Rys.3. Przebieg potencjał złącza n-p, o którego przyłoŝono napięcie zewnętrzne w kiernk przewozenia a) i w kiernk zaporowym b). A U n p n n p n U U U a) b) c) I n p n I I Rys.4. Rozkła potencjał w obszarze śrokowym w warnkach równowagi la tranzystora n-p-n a); rozkła potencjał w tranzystorze, gy złącze spolaryzowane jest w kiernk przewozenia b); rozpływ prąów w tak spolaryzowanym tranzystorze c). 4 I PRAOWNIA FIZYZNA

5 Doprowazając opowienie napięcia pomięzy poszczególne elektroy (,, ), moŝna reglować przepływ prą w tranzystorze. W kłazie z rys. 4b i 4c złącze spolaryzowane jest w kiernk przewozenia, złącze jest niespolaryzowane. Grbymi ciemnymi liniami zaznaczono prąy I, I, I zgonie z konwencją przyjętą w elektrotechnice (czyli przeciwnie o rch elektronów).w sytacji U = 0 tj la zwarcia kolektora z bazą nośniki wstrzykiwane z emitera o bazy mogą być obierane przez kolektor, gyŝ mimo brak zewnętrznego napięcia U istnieje napięcie yfzyjne U w warstwie zaporowej złącza, czyli jest w niej pole elektryczne wymiatające elektrony z bazy o kolektora. Dlatego I 0. Prą kolektora I bęzie zaleŝał głównie o nośników większościowych yfnjących przez złącze w obszar kolektora.. ZASADA POMIARU. Dla większości tranzystorów krzemowych pracjących w kłazie przestawionym na rys.4b i 4c zaleŝność pomięzy prąem kolektora I i napięciem U jest w Ŝym zakresie prąów I ana zaleŝnością I = I e. ( 6 ) o Jeynie la U < 0,4, zgonie z tym co poano w paragrafie I.2, naleŝy oczekiwać ostępstwa o zaleŝności ( 6 ). Wobec tego mierząc zaleŝność prą kolektora I o napięcia złącza emiter-baza I = I (U ) moŝna wyznaczyć stosnek łank elektron o stałej oltzmanna e/k. Dla stalonej temperatry prą I o = const. Ze zmianą temperatry zmienia się prą I o (I o jest prąem noszenia I z zaleŝności 5a). I. UKŁAD POMIAROWY. K Dzielnik napiêcia I µa Rys.5. Schemat kła pomiarowego. aany tranzystor jest tranzystorem mocy, co zapewnia stabilność temperatrową złącza w czasie pracy.tranzystor mieszczony jest w kąpieli olejowej w ltratermostacie. UWAGA! Wskazania termometr sterjącego naleŝy kontrolować przy pomocy termometr mieszczonego w naczyni z olejem. II. POMIARY. Zbaać zaleŝność prą kolektora o napięcia pomięzy bazą i emiterem la trzech róŝnych stalonych temperatr złącza (np. 300 K, 330 K, 350 K). Napięcie U zmieniać o 0 o ok. 0,6 tak, aby moc wyzielana w złącz nie przekraczała 1 mw. 5 I PRAOWNIA FIZYZNA

6 III. OPRAOWANI. Wykreślić zaleŝność I = I (U ) we współrzęnych = U, y = ln I. Wyznaczyć graficznie ( lb metoą najmniejszych kwaratów ) stosnek e/k la kaŝej serii pomiarów. Ocenić lb obliczyć błęy. Porównać otrzymaną wartość śrenią z wynikiem tablicowym. 6 I PRAOWNIA FIZYZNA