14

Лабораторная работа № 221

ТЕМА: Изучение принципа работы транзистора и определение из вольтамперных характеристик его параметров при включении по схеме с общим эмиттером.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить элементы зонной теории твердого тела;

2. изучить теорию p-n перехода, принцип работы и характеристики полупроводникового триода (транзистора);

3. снять статические вольтамперные характеристики транзистора и определить его параметры.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ

1. Микроамперметр М285К – 4 шт.

2. Блок питания БП – 12 – 2 шт.

3. Потенциометры – 2 шт.

4. Выключатели – 2 шт. в блоке.

5. Транзистор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калашников С. Г. “Электричество”, М., 1977

2. Гершунский Б. С. “Основы электронной и полупроводниковой техники”, Киев 1967

3. Трофимова Т. И. “Курс физики”, М., 2001

4. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. “Электроника”, М., 1991

5. Пасынков В. В. и др. “Полупроводниковые приборы”, М., 1981

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Структура энергетических зон в металлах, полупроводниках, диэлектриках и механизм их образования.

2. Статистические свойства электронного газа. Уровень Ферми.

3. Чем обусловлена собственная и примесная проводимость полупроводников?

4. Что такое p-n переход? Как образуется контактный слой на границе двух полупроводников различной проводимости?

5. Какие токи протекают через p-n переход в равновесном состоянии?

6. Как влияет внешнее электрическое поле на высоту потенциального барьера p-n перехода при прямом и обратном включении?

7. Как устроен транзистор, его назначение?

8. Объясните процесс усиления по току в схеме включения транзистора с общим эмиттером.

9. Объясните ход входной и выходной вольтамперной характеристики транзистора?

Как определить коэффициент усиления по току и входное сопротивление

транзистора по его вольтамперным характеристикам?

Элементы зонной теории твердых тел

Зонная теория твердых тел – это квантовая теория. Согласно классическим представлениям электрон – частица, энергия которой может изменяться непрерывным образом. С точки зрения квантовой теории электрон принимает дискретный ряд значений энергии. Распределение электронов по энергетическим состояниям происходит в соответствии с принципом Паули, согласно которому в каждом энергетическом состоянии может находиться одна частица.

В изолированном атоме имеется определенное расположение электронных оболочек. При образовании твердого тела в результате сближения атомов и электростатического взаимодействия ядер и электронов соседних атомов происходит расщепление энергетических уровней на число подуровней, равное числу атомов в кристаллическом твердом теле, в результате чего образуются энергетические зоны. Сильнее расщепляются верхние уровни, а также те, которые не заняты электронами (рис.1).

Рис.1. Расщепление энергетических уровней в зависимости от расстояния r между атомами и образование разрешенных и запрещенных энергетических зон в твердом теле (заштрихованные области – разрешенные зоны, незашрихованная – запрещенная зона; r₀ – равновесное расстояние между соседними атомами).

Образование зон (энергетического спектра) имеет квантово-механическую природу. Электроны внутренних оболочек атомов ведут себя практически так же, как и в изолированных атомах. Электроны внешних оболочек атомов (валентные) связаны слабее с ядрами, чем внутренние, и могут переходить от атома к атому сквозь потенциальные барьеры, окружающие атомы, в результате туннельного эффекта. Время жизни электрона в каком-либо энергетическом состоянии в изолированном атоме уменьшается от 10^-8 с до 10^-15 с в кристалле.

Воспользовавшись соотношением неопределенностей, найдем ширину возбужденного энергетического уровня в изолированном атоме:

,

где h – постоянная Планка, ∆ t₁=10^-8 c.

В кристалле ширина энергетического уровня электрона:

,

где ∆ t₂= 10^-15 c.

Отсюда следует, что энергетический уровень электрона при образовании кристалла из различных атомов расщепляется в энергетическую зону, которая назывется разрешенной, в пределах которой может изменяться энергия электрона. Причем энергетическая зона не является непрерывным рядом значений энергии электрона, а представляет собой систему дискретных энергетических уровней. Ширина энергетической зоны не зависит от размеров кристалла, а определяется природой атомов и строением кристалла. Пространство между разрешенными зонами называют запрещенной зоной, в которой электроны находиться не могут (рис.1).

Степень заполнения электронами энергетических уровней в разрешенной зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Зона, которая полностью заполнена электронами, называется валентной. Частично заполненная электронами либо незаполненная совсем зона называется свободной или зоной проводимости.

Зонная теория объясняет деление веществ на металлы, полупроводники и изоляторы, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, характером заполнения разрешенных зон кристалла электронами, и, во-вторых, шириной запрещенных зон (рис.2).

Рис.2. Структура энергетических зон в металлах, диэлектриках и полупроводниках.

Если валентная зона перекрывает зону проводимости (рис.2а), то кристалл является металлом. Если в кристалле полностью заполненная валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной, то в отсутствии внешнего возбуждения (нагревания, облучения и др.) кристалл является диэлектриком (рис.2б). Для диэлектриков ширина запрещенной зоны более 3 эВ. Полупроводниками принято считать вещества, у которых ширина запрещенной зоны менее 3 эВ (рис.2в).