- •Министерство образования и науки российской федерации
- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика твёрдого тела, часть 4
- •К лабораторным работам по дисциплине «Физика»
- •Лабораторная работа № 7-9 исследование внутреннего фотоэффекта в полупроводниках
- •2. Постановка задачи
- •2.1 Устройство и основные характеристики фоторезистора
- •2.2. Явление фотопроводимости в полупроводниках
- •3. Описание установки.
- •5. Обработка результатов измерений.
- •5.1. Спектральная характеристика.
- •5.2. Оценка ширины запреЩеНной зоны.
- •1.2. Схемы включения транзистора
- •1.3. Физические процессы, протекающие при работе транзистора в активном режиме
- •1.4. Расчет тока через эмиттерный переход
- •1.4.1. Инжекционный ток (ток в идеальном транзисторе)
- •1.4.1. Рекомбинационный ток
- •1.4.2. Как определить преобладающий механизм тока?
- •1.5. Статические характеристики транзистора
- •2. Схема установки для исследования
- •3. Порядок выполнения работы
- •3.1. Снятие входных статистических характеристик и характеристик передачи тока
- •3.2. Снятие выходных характеристик
- •4. Обработка результатов измерений
- •5. Требования к отчету
- •6. Контрольные вопросы и задания
- •Лабораторная работа № 7-11 исследование эффекта холла в полупроводниках
- •1. Постановка задачи
- •1.1. Эффект Холла в полупроводниках.
- •1.2. Применение эффекта холла для исследования полупроводниковых материалов
- •1.3. Преобразователи холла
- •2. Описание установки
- •3. Порядок выполнения работы
- •4. Контрольные вопросы и задания
- •Литература
- •625036, Г.Тюмень, ул. Володарского, 38.
- •625039, Г.Тюмень, ул. Киевская, 52
1.4. Расчет тока через эмиттерный переход
1.4.1. Инжекционный ток (ток в идеальном транзисторе)
Будем считать, что вне области объемного заряда эмиттерного перехода электрическое поле отсутствует. Тогда ток инжектированных в базу дырок только процессом диффузии. Запишем первый закон Фика для диффузии дырок в базе:
, (1)
где Jp– плотность потока дырок,Dp– коэффициент диффузии дырок,p– их концентрация.
Умножив правую и левую части формулы (I) на величину заряда дыркиq(он равен элементарному заряду), получим выражение для дырочной составляющей плотности тока:
. (2)
Пренебрежем процессом рекомбинации дырок при их движении по базе транзистора и будем считать, что дырки движутся от эмиттера к коллектору по прямой вдоль оси х. Для данного одномерного идеализированного случая уравнение (2) примет вид:
. (3)
Причем gradpможно принять равным. (4)
Здесь L– толщина базы транзистора,p1– концентрация дырок в базе на границе с эмиттерным переходом,p2– концентрация дырок на границе с коллекторным переходом.
Коллекторный переход включен в обратном направлении и втягивает дырки. Поэтому концентрация дырок вблизи коллекторного перехода мала, и ей можно пренебречь: (5)
Эмиттерный переход включен в прямом направлении и концентрация дырок, преодолевших потенциальный барьер эмиттерного перехода, зависит от напряжения в этом переходе:
,6)
где pno – равновесное значение концентрации не основных носителей (дырок) в базе,k– постоянная Больцмана,Т– температура.
Подставим (4),(5),(6) в (3). Тогда для плотности дырочного тока получим:
(7)
Чтобы найти силу тока, умножим плотность тока на площадь эмиттерного перехода SЭ. Окончательно для эмиттерного тока, обусловленного только инжекцией дырок (тока идеального транзистора) получим:
(8)
Обозначим :
. (9)
Тогда
. (10)
Прологарифмируем (10)
(11)
Выражение (11) – это уравнение прямой линии в координатах
Угловой коэффициент этой прямой (тангенс угла наклона) равен единице.
1.4.1. Рекомбинационный ток
Рекомбинация встречных потоков дырок и электронов обычно происходит вблизи середины р-n-перехода на ловушках. Концентрация дырок вблизи серединыр-n-перехода определится выражением:
. (12)
Обозначим N– число пар носителей заряда, рекомбинирующих в эмиттерном переходе за единицу времени. Его можно оценить следующим образом:. (13)
Здесь SЭ– площадь эмиттерного перехода,- ширина области объемного заряда,0– среднее время жизни носителей заряда.
При рекомбинации одной пары носителей заряда во внешней цепи пройдет заряд, равный одному элементарному заряду. Следовательно, рекомбинационный ток будет равен:
. (14)
Подставим в (14) выражение для концентрации дырок (12), получим: (15)
Обозначим:
. (16)
Тогда рекомбинационная составляющая эмиттерного тока равна:
. (17)
Прологарифмируем (17), получим:
. (18)
Выражение (18) – это также уравнение прямой линии в координатах
.
Угловой коэффициент этой прямой равен ½, т.е. в два раза меньше, чем в случае инжекционного тока. Используя (18) и (10), можно найти отношение рекомбинационного тока к диффузному:
. (19)
Из формулы (19) видно, что с увеличением напряжения Uэбдоля рекомбинационной составляющей уменьшается.
Отношение I/Isразлично для разных типов полупроводников.
В кремниевых транзисторах и диодах при малых прямых напряжениях, как правило преобладает рекомбинационная составляющая, а в германиевых – инжекционная.