Контрольні питання

1. Вивести формулу (7.19) .

1. Знайти часткове рішення рівняння (7.4), не переходячи до комплексних величин.

2. Отримати всі рівності (7.16), які визначають добротність контуру. У чому полягає фізичний зміст добротності?

3. Чому дорівнює власна частота коливального контуру, та його затухання?

2. Розкрити фізичний зміст сталої часу затухання?

3. Яким чином працює експериментальна установка по вивченню вимушених коливань у коливальному контурі?

Література

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.3 Электричество. -М.:Наука, 1983, п.124,127.

2. Калашников С.Г. Электричество. -М.:Наука, 1977, п.221,222,-210.

3. Лабораторные занятия по физике. /Под ред. Гольдина Л.Л. -М.:Наука, 1983.

Лабораторна робота № 8. Вивчення напівпровідникового діода

ПРИЛАДИ: напівпровідникові діоди; вольтметр; амперметр; реостат; перемикач; джерело струму.

Залежність струму від напруги в контактах метал-напівпровідник і напівпровідник-напівпровідник складніша ніж лінійна, тому не може бути описана законом Ома. Опір контактів залежить від величини прикладеної напруги, а при одній і тій же величині може суттєво змінюватися при зміні напрямку струму.

За характером своєї провідності напівпровідник може бути електронним (n-тип) та дірковим (р-тип). У напівпровідниках n-типу основними рухомими носіями заряду є негативні електрони, а в напівпровідниках р-типу позитивні дірки. У випадку контакту двох напівпровідників електрони і дірки отримують можливість переходити з одного напівпровідника в другий, і тому між напівпровідниками виникає контактна різниця потенціалів, а в тонкому приграничному шарі з’являється контактне електричне поле.

Якщо в контактах знаходяться два напівпровідника одного і того ж типу (обидва електронні або обидва дірочні), то обидва напівпровідника обмінюються однаковими частками: або електронами, або дірками, і явища в цьому випадку мають велику схожість з явищами в контакті двох металів. Тому ми зупинимося тільки на тому випадку, коли один з напівпровідників має провідність (n-тип), а другий - діркову (р-тип). Такі контакти називаються електронно - дірковими переходами або р-n-переходами.

Визначимо, що такий контакт у чистому вигляді неможливо отримати, притискаючи один до одного два напівпровідника. Справа в тому, що внаслідок шорсткості поверхонь контакт матиме місце лише в деяких точках; в інших місцях будуть повітряні зазори, в яких виникають плівки окислів, тому контакт буде мати складну будову.

Для отримання р-nпереходу в кристал чистого напівпровідника (наприклад, германія або кремнію) вводять дві домішки - одну донорну (тобто таку, що створює електрону провідність), а другу - акцепторну (створює діркову провідність). Домішки розподіляють таким чином, щоб в одному кінці кристалу був надлишок однієї з домішок, а в другому кінці - надлишок другої. Тоді в одній половині кристалу виникає електрона провідність, а в другій - дірочна, причому між обома областями буде розташований тонкий перехідний шар, в якому обидві домішки компенсують одна одну.

Рівновага р-nпереходу (U_зовн = 0).

Розглянемо спочатку р-nперехід без струму. Внаслідок теплового руху (дифузії) електрони із n- області будуть переходити в р-область, а дірки - з р-області в n-область. Тому в n-області біля межі розділу з'явиться позитивний об’ємний заряд іонізованих донорних атомів, а в р-області - негативний об’ємний заряд іонізованих акцепторних атомів. В зв’язку з цим n-область отримає позитивний потенціал, і енергія електрона в ній стане менше (оскільки заряд електрона негативний), а потенціал р-області зробиться негативним , і енергія електрона в ній збільшиться. Крива розподілу потенціальної енергії електронів буде мати вигляд показаний на рис. 8.1,а (неперервна крива). Навпаки, енергія позитивних дірок W_g буде більше в n-області та менше в р-області (пунктирна крива).

В стані рівноваги повний струм через контакт буде дорівнювати 0. Цей струм на відміну від металів, де носіями заряду є тільки електрони, складається як з руху електронів, так і з руху дірок.

В будь-якому напівпровіднику, крім основних носіїв заряду , завжди є ще й деяка кількість неосновних носіїв заряду. Тому в електронному напівпровіднику поряд з електронами провідності (основні носії заряду ) існує ще невелика кількість дірок (неосновні носії заряду), а у дірковому напівпровіднику крім дірок, ще є деяка кількість електронів. Кількість неосновних носіїв буде малою в порівнянні з кількістю основних.

Звернемося знов до рис. 8.1. Можна бачити, що контактне поле допомагає руху неосновних носіїв які “зкочуються” потенціальним схилом. Тому всі неосновні носії, що генеруються у приконтактній області, рухаються через р-n- перехід і утворюють деякий струм i_н, направлений від n- області до р.

Сила цього струму не залежить від контактної різниці потенціалів між n- та р- напівпровідниками і визначається кількістю неосновних носіїв, які створюються у приконтактній області за одиницю часу. Основні ж носії (дірки, які рухаються внаслідок дифузії справа наліво, та електрони, які рухаються зліва направо) створюють струм i_о, направлений протилежно струму i_н, тобто від р до n.

В стані рівноваги встановлюється така висота потенціального бар’єру, при якій повний струм:

i = i_о – i_н = 0.

Пряме зміщення р-nпереходу (U_зовн > 0).

Розглянемо тепер, що буде відбуватися при наявності струму через контакт. Припустимо, що ми приклали до контакту напругу такого знаку, що на nобласті маємо негативний потенціал, а на р області - позитивний (рис. 8.1,б). Тоді енергія електронів в nобласті збільшиться, а в р-області – зменшиться, внаслідок чого висота потенційного бар’єру стане меншою. При цьому струм неосновних носіїв i_н, як зазначалося вище, не зміниться. Струм же основних носіїв i₀ збільшиться, так як тепер більша кількість електронів зможе пройти потенціальний бар’єр та перейти зліва направо і більша кількість - дірок - перейде у протилежному напрямку. В результаті через контакт буде йти струм

i = i_о – i_н,

спрямований від р до n; сила струму буде швидко зростати зі збільшенням позитивної напруги.

Рис 8.1. Електричний струм в рnпереході.

Зворотнє зміщення р-nпереходу (U_зовн < 0).

Інше буде відбуватись, якщо до n-області приєднати позитивний полюс джерела струму, а до р-області - негативний (рис.8.1,в). В цьому випадку висота потенційного бар’єра збільшиться і струм основних носіїв i_о зменшиться. Вже при напрузі десь близько 1В цей струм практично буде дорівнювати 0, і тому через контакт буде протікати струм тільки неосновних носіїв i_н, величина якого дуже мала.

В силу вищезазначеного вольт-амперна характеристика р-nпереходу має вигляд, зображений на рис. 8.2. Коли струм направлено від р- до n-області, то сила струму велика та швидко збільшується разом з напругою, та відповідно, контакт для цього напрямку струму (прохідна напруга струму ) має малий опір. Якщо ж струм направлений від n - до р області, то сила струму дуже мала і зовсім не залежить від напруги (струм насичення). Для цього напрямку струму контакт має великий опір. Таким чином, р-n перехід має однобічну провідність, або вентильну властивість, та має нелінійну вольт-амперну характеристику.

При вмиканні в коло змінного струму такі контакти діють як випрямлячі.

Аналогічні вольт-амперні характеристики спостерігаються і в деяких контактах напівпровідників з металами.

Коли прикладена зворотна напруга стає достатньо великою, у контакті відбувається ряд додаткових явищ, які викликані розігріванням контакту та дією сильного електричного поля у перехідному шарі. Це приводить до швидкого зростання зворотних струмів, які руйнують випрямляючий перехід (“пробій”) .

Односторонню провідність контактів двох напівпровідників використовують для приладів напівпровідникових випрямлячів, які використовуються для випрямлення та перетворення змінних струмів. Властивості випрямлячів характеризуються коефіцієнтом випрямлення , який дорівнює відношенню прямого струму I_пр до зворотного I_зв , виміряним при однакових за величиною прямої та зворотної напруги:

.

В цій роботі досліджується залежність сили струму, який проходе через діод, від величини та напрямку прикладеної напруги, знімається вольт-амперна характеристика та визначається коефіцієнт випрямлення.

Схема експериментальної установки приведена на рис. 8.3. Тут Д - досліджуваний діод, Q-джерело струму, R – потенціометр, V – цифровий вольтметр, А – амперметр, К – перемикач полярності діода.