Фізичні основи електроніки (стр. 1 из 9)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НЖЕНЕРНО-ТЕХНІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ПРИЛАДОБУДУВАННЯ

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт

Ужгород–2008

Фізичні основи електроніки. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт. Ужгород, 2006. –47с.

Приведено короткі теоретичні відомості, хід роботи та методику обробки експериментальних результатів при виконанні лабораторних з курсу “Фізичні основи електроніки”.

Укладачі:

Козусенок О. В. старший викладач кафедри приладобудування

Федак В. В., кандидат фізико–математичних наук, доцент кафедри приладобудування

Рецензенти:

Бутурлакін О. П. кандидат фізико–математичних наук, доцент кафедри приладобудування

Онопко В.В. кандидат фізико–математичних наук, доцент кафедри електронних систем

Відповідальний за випуск:

Туряниця І. І., кандидат фізико–математичних наук, доцент, завідувач кафедри приладабудування

Затверджено на засіданні кафедри приладобудування

14 лютого 2007 року протокол №4

_____________________________________________________________

ЗМІСТ

ВСТУП

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1. Вивчення основних закономірностей тліючого розряду

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2. Вивчення термоелектронної емісії

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6. Дослідження впливу температури на вольт–амперну характеристику p–n переходу

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7. Дослідження механізмів пробою p–n переходів

ДОДАТОК №1

Спектральний розподіл густини випромінювання абсолютно чорного тіла

ДОДАТОК №2

Властивості власних напівпровідників Si, Ge і GaAs при 300 К

ВСТУП

Курс “Фізичні основи електроніки” читається студентам інженерно–технічного факультету, які навчаються на спеціальностях “Наукові, аналітичні і екологічні прилади та системи” та “Електронні системи”. Завдання цього курсу – дати студентам теоретичну базу в області фізичної електроніки, яка дозволить їм успішно засвоїти такі курси як “Електронні прилади”, “Основи сенсорної електроніки”, схемотехнічні дисципліни електроніки та ін.

В цей методичний посібник ввійшли описи лабораторних робіт в яких проводяться дослідження базових явищ та ефектів, що лежать в основі роботи значної кількості електронних приладів. Сюди не включені лабораторні роботи, які виконуються з курсу загальної фізики і описані в методичному посібнику [1].

Теоретичні відомості, приведені до лабораторних робіт не претендують на повноту викладу теоретичних аспектів досліджуваних явищ. Вони дають тільки мінімальну інформацію, яка необхідна для обробки експериментальних результатів. Для більш повного осмислення необхідно вивчити матеріал, який приведений у переліку основних теоретичних питань. Приведені у додатках відомості про основні властивості власних напівпровідників Si, Geі GaAsвикористовуються при аналізі та обробці експериментальних результатів.

При постановці лабораторних робіт та підготовці посібника використано досвід кафедри фізики напівпровідників у постановці лабораторних по курсу “Фізика напівпровідників” та відповідні технологічні карти [2].

Автори будуть вдячні за внесені конструктивні пропозиції відносно змісту та форми даного методичного посібника.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Вивчення основних закономірностей тліючого розряду

Мета роботи: освоєння методики дослідження вольт–амперної характеристики (ВАХ) тліючого розряду та вивчення умов стабільності розряду.

Необхідні прилади і матеріали: неонова лампа типу ТН-0,3-3, блок живлення з регульованою напругою 0 – 120 В, вольтметр, мілі-, та мікро-амперметр.

Теоретичні питання знання, яких необхідне для виконання лабораторної роботи:

1. Типи газового розряду.

2. Умова виникнення газового розряду. Ефект лавинного помноження.

3. Ефект газового підсилення. Умови стабільності газового розряду.

4. Використання газового розряду.

Основні теоретичні відомості та методика експерименту

Проходження електричного струму через газ називають електричним розрядом у газі або газовим розрядом.Гази, на відміну від металів і електролітів при нормальних умовах складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і тому є добрими ізоляторами. Щоб зробити газ провідним, треба певним чином створити в ньому або внести вільні носії заряду. Це можливо зробити шляхом іонізації атомів і молекул газу. Іонізація відбувається під дією космічного , рентгенівського та радіоактивного випромінювань, при бомбардуванні атомів або молекул газу швидкими електронами, при нагріванні та інших факторів.

Електричні розряди в газі поділяються на несамостійні і самостійні.

Несамостійним називають газовий розряд, для підтримання якого необхідна емісія електронів з катода або утворення заряджених частинок у розрядному проміжку під дією зовнішніх факторів, з припиненням їх дії розряд зникає.

Розглянемо несамостійний розряд кількісно. Для спрощення вважатимемо:

– розряд відбувається між двома плоскими електродами;

– концентрація позитивних і негативних зарядів однакова, тобто

;

– заряди позитивних і негативних іонів по абсолютній величині рівні і дорівнюють заряду електрона |q|.

Повна густина струму при наявності дифузійних потоків буде визначатися виразом

, (1.1)

де

– відповідно швидкості напрямленого руху і коефіцієнти дифузії позитивних і негативних іонів. Якщо концентрація іонів у всьому об’ємі між електродами та сама, то дифузійних потоків іонів не буде. Тоді вираз (1.1) перепишемо так:

, (1.2)

де b₊, b_–– рухливості іонів газу;

– напруженість електричного поля. Формула (1.2) подібна до закону Ома для густини струму. Вона буде еквівалентна цьому закону, якщо множник

не залежить від

Запишемо рівняння балансу іонів у газі при наявності в ньому електричного струму і постійної дії зовнішнього іонізатора. Нехай під дією іонізатора щосекунди в одиниці об’єму утворюється

пар іонів. Внаслідок рекомбінації іонів щосекунди зникає в одиниці об’єму певна кількість пар іонів

, яка пропорційна як концентрації позитивних іонів n₊, так і концентрації негативних іонів n_–, тобто

(α – коефіцієнт рекомбінації, n₊=n_–=n). При наявності електричного струму також відбувається зменшення концентрації іонів газу. Якщо площа електрода S, а відстань між електродами l, то при силі струму І (густині струму j) зменшення кількості іонів в одиниці об’єму за одиницю часу визначається

Рівняння балансу матиме вигляд

, або

. (1.3)

умовою рівноваги при наявності струму є

, тобто

. (1.4).

Розглянемо такі випадки. Якщо густина струму незначна, тобто

, то

і вираз (1.2) матиме вигляд

. (1.5)

Цей випадок реалізується при досить малих напруженостях електричного поля

. Для таких полів виконується закон Ома в газових розрядах.

У другому випадку вважатимемо, що зменшенням концентрації іонів за рахунок їхньої рекомбінації можна нехтувати порівняно з зменшенням концентрації іонів за рахунок наявності електричного струму, тобто

. Тоді

. (1.6)

Звідси видно, що за такої умови густина струму не залежить від напруженості

. Формула (1.6) виражає густину струму насичення. Величина j залежить від Δn, тобто від іонізуючої здатності іонізатора.