Вычисление энергии активации полупроводника

1. Используя данные табл. 3.1, постройте на миллиметровой бумаге график .

2. Определите энергию активации  с помощью формулы (3.15).

Примечание: Для построения графика удобно использовать табличные процессоры OpenOffice.org Calc, Microsoft Excel или программу научной графики MicroCal Origin 3.0.

Обработку данных с помощью программы научной графики MicroCal Origin 3.0 можно выполнить в следующем порядке.

1. Запустите программу щелчком по ярлыку на рабочем столе.

2. Внесите значения  и  в столбцы А и В рабочей области (рис. 3.5). После набора очередного числа нажимайте клавиши Tab или Enter.

3. Выделите столбец А щелчком по его заголовку и выполните команду вставки столбца: Column-Add New Columns…(Колонка-Добавить новую колонку, рис. 3.6).

Рис. 3.5. Ввод данных в таблицу в программе MicroCal Origin 3.0

Рис. 3.6. Вставка столбца в таблицу в программе MicroCal Origin 3.0

4. При выделенном столбце С выполните команду Data-Set Column Values(Данные-Установить значения в столбце, рис. 3.7). В диалоговом окне введите формулу для вычисления  (рис. 3.8), укажите число строк (row number) и щелкните по кнопке Do it (Сделать это). Результат показан на рис. 3.9.

Рис. 3.7. Команда установки значений столбца таблицы в программе MicroCal Origin 3.0

Рис. 3.8. Ввод формулы для вычисления значений столбца таблицы в программе MicroCal Origin 3.0

Рис. 3.9. Вычисление  в программе MicroCal Origin 3.0

5. Аналогично вставьте столбцы и формулы для вычисления  и .

6. Выделите столбец со значениями  и выполните команду Column-Set as X(Колонка-Установить как Х). Выделите столбец со значениями  и выполните команду Column-Set as Y(Колонка-Установить как Y). Выполните команду построения графика Plot-Scatter.

7. Проведите через точки графика сглаживающую прямую (пример на рис. 3.3). В программе MicroCal Origin 3.0 для проведения сглаживающей прямой при выделенном графике выполните команду Fit-Linear Regression (Сглаживание-Линейная регрессия). Уравнение прямой и его коэффициенты будут выведены в окне Script Window.

6. Изучение электропроводности твердых тел с помощью пакета программ “Открытая физика”

Запустите компьютерную программу Открытая физика (версия 2.6) часть 2 и откройте в Содержании разделы “Постоянный электрический ток, 1.12. Электрический ток в металлах и 1.13. Электрический ток в полупроводниках”. Ознакомьтесь с теоретическим материалом.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение тока, силы и плотности тока. Какие из этих величин являются векторными?

2. Дайте определение подвижности носителей заряда, электрического сопротивления, удельного сопротивления и удельной электрической проводимости. В каких единицах они измеряются?

3. Дайте определение проводника и полупроводника. Что такое энергия активации полупроводника. Как ее можно определить?

4. Поясните механизм зависимости сопротивления от температуры для проводников и чистых полупроводников.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.4
РЕЛАКСАЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ТИРАТРОНА

Цель работы: Изучение самостоятельного газового разряда и ознакомление с принципом работы газоразрядных приборов.

Приборы и принадлежности: источник питания, реостат, тиратрон, резисторы различных сопротивлений, конденсаторы различных ёмкостей, вольтметр, электронный осциллограф АСК-1011, секундомер, соединительные провода.

Литература: [1-5]

План работы:

1. Изучение тлеющего разряда.

2. Изучение принципа работы газоразрядных приборов.

3. Изучение устройства и принципа работы релаксационного генератора на основе тиратрона.

4. Изучение экспериментальной установки.

5. Измерение потенциалов зажигания и гашения тиратрона.

6. Измерение периода релаксационных колебаний секундомером.

7. Измерение периода релаксационных колебаний с помощью осциллографа.

8. Измерение емкости батареи конденсаторов.

9. Изучение квазистационарных процессов в RC-цепях с помощью пакета программ “Открытая физика”

Тлеющий разряд в газах

Прохождение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе или газовым разрядом.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались носители тока. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если электропроводность газа создается и поддерживается за счет действия внешнего источника ионизации, то происходящий при этом электрический разряд в газе называется несамостоятельным газовым разрядом. Несамостоятельный газовый разряд прекращается, как только прекращается действие внешнего ионизатора.

Существует несколько различных видов самостоятельного разряда в газах, которые отличаются друг от друга как по внешнему виду, так и по характеру физических процессов, обусловливающих их возникновение и протекание. К ним относятся тлеющий, коронный, искровой, дуговой и другие разряды.

Тлеющий разряд представляет собой один из видов стационарного самостоятельного разряда в газах, обычно наблюдающегося при низких давлениях газа порядка нескольких кПа и меньше. Он происходит в разрядных трубках с холодным катодом и отличается малой плотностью тока на катоде и большим падением потенциала (порядка сотен вольт) в области разряда около катода. На рис.4.1 изображена трубка с тлеющим разрядом и показано распределение потенциала вдоль ее оси.

Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Резкое падение потенциала вблизи катода связано с большой концентрацией положительных ионов на границе областей Ι и ΙΙ, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов к катоду. В катодном темном пространстве происходит ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией электронов и ионов. Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода.

В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает высокую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участи – страты, разделенные темными промежутками. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда. Поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем.

Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизить на столько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратиться. Опыты показали, что при прочих равных условиях длина катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя катодные лучи.

Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков.

Газоразрядные приборы

Принцип действия газоразрядных приборов (ГРП) основан на электрических явлениях, происходящих в газовой среде. Баллоны ГРП наполняются инертными газами (неоном, аргоном, гелием и др.), их смесями, водородом или парами ртути. В обычных условиях большинство атомов и молекул газа являются электрически нейтральными и газ является хорошим диэлектриком. Повышение температуры, воздействие сильных электрических полей или частиц с высокими энергиями вызывает ионизацию газа. Возникающая в газе ударная ионизация сопровождается появлением свободных электронов и положительных ионов, что приводит к значительному увеличению электропроводности газа. Сильно ионизированный газ называют электронно-ионной плазмой или просто плазмой. Наряду с процессом ионизации газа происходит и обратный ему процесс – рекомбинация. Так как энергия электрона и положительного иона в сумме больше, чем энергия нейтрального атома, то при рекомбинации происходит выделение части энергии, которое сопровождается свечением газа. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость тока разряда от приложенного напряжения для газоразрядного промежутка приведена на рис. 4.2.

При напряжении U₃, называемом напряжением зажигания, ионизация газа приобретает лавинообразный характер. Сопротивление газоразрядного промежутка анод — катод резко уменьшается, и в ГРП возникает тлеющий разряд (участок CD). Напряжение горения U_г, поддерживающее тлеющий разряд, несколько меньше, чем напряжение зажигания. При тлеющем разряде положительные ионы движутся к катоду и, ударяясь о его поверхность, увеличивают число вылетающих из него электронов за счет нагревания и вторичной электронной эмиссии. Поскольку внешний ионизатор при этом не требуется, тлеющий разряд является самостоятельным в отличие от разряда на участке АВ, который требует для своего появления внешнего ионизатора (космического излучения, термоэлектронной эмиссии и т. д.) и поэтому является несамостоятельным.

Рис. 4.2. ВАХ газоразрядного промежутка

При значительном увеличении тока в ГРП возникает дуговой разряд (участок EF). Если дуговой разряд поддерживается термоэлектронной эмиссией катода за счет его нагрева ударяющимися о поверхность положительными ионами, разряд называют самостоятельным. Если же термоэлектронная эмиссия катода создается его нагревом от внешнего источника напряжения, то дуговой разряд называют несамостоятельным.

Тиратроном (от греческого thyra- дверь) называется газоразрядный прибор с сеточным управлением момента зажигания дугового или тлеющего разряда. Тиратроны используются главным образом в мощных импульсных электрических цепях (в качестве коммутатора), в устройствах отображения информации (в качестве индикатора) и в других целях. Тиратрон содержит катод, анод и один или несколько управляющих электродов, называемых сетками. Тиратрон может находиться в двух устойчивых состояниях: непроводящем и проводящем. На рис. 4.3 показано устройство тиратрона с холодным катодом типа МТХ-90.