Әдістемелік нұСҚаулар ақпарат алудың физикалық негіздері

Жұмысты орындау тәртібі

1. 
   Өлшеуіштік құрылғының сымын желіге қосыңыз жәәне өлшеуіштік құрылғының артқы панелінде орналасқан СЕТЬ деген сөзі бр батырманы қосыңыз (осы кезде В, мА, пФ индикаторлар нольді көрсетіп тұру керек және ВАС және ТҮЗУ индикаторлары жанып тұру керек (индикация төменгі екінші разрядты мәнге дейін жүргізілуі керек )).
   
2. 
   5мин қыздырылсын.
   
3. 
   ФПК06М.01.00.00.00. өлшеуіштік құрылғыны пайдаланған кезде үлгі қосқыштары арқылы сипаттамалары зерттелетін диодтың (p-n ауысу) үлгісін таңдап алыңыз.
   
4. 
   «+» және «-» басқыштары арқылы p-n ауысудағы кернеудің мүмкін болатын мәндерін орнатыңызы және осымен қатар ауысу арқылы өтетін тура токтың мәндерін В, мА, пФ индикаторларынан алу керек, ВАС тура тармағын салуға керек болатын мәндерді дайындаңыз. Өлшеулердің соңында СБРОС батырмасын басыңыз. Алынған мәндерді 1 кестеге енгізіңіз. Ескерту: токтың мәні 50мА-ге жеткенде өлшеулерді жүргізуді тоқтаңыз, өйткені осы мәнде p-n ауысудың қорек көзі шектеулі токтың режиміне көшеді.
   
5. 
   ВАС кері тармағын салу үшін қажет болатын мәндерді дайындау режимі қосылуы үшін ПРЯМАЯ-ОБРАТНАЯ батырмасын басыңыз. Осы кезде ПРЯМАЯ индикаторы сөніп, ОБРАТНАЯ индикаторы жануы керек.
   
6. 
   «+» және «-» басқыштары арқылы p-n ауысудағы кернеудің мүмкін болатын мәндерін орнатыңыз және осымен қатар ауысу арқылы өтетін кері токтың мәндерін В, мА, пФ индикаторларынан алу керек, ВАС кері тармағын салуға керек болатын мәндерді дайындаңыз. Өлшеулердің соңында СБРОС батырмасын басыңыз. Алынған мәндерді 2 кестеге енгізіңіз. Ескерту: кернеудің мәні 30В-қа жеткенде өлшеулерді жүргізуді тоқтаңыз, өйткені осы мәнде p-n ауысудың қорек көзі шектеулі кернеудің режиміне көшеді.
   
7. 
   ВФС салуға қажет болатын мәндерін дайындау режимін қосу үшін ВАС-ВФС батырмасын басыңыз.
   
8. 
   «+» және «-» басқыштары арқылы p-n ауысудағы кернеудің мүмкін болатын мәндерін орнатыңыз және осымен қатар ауысудың сыйымдылық мәндерін мА, мкА, пФ индикаторларынан алу керек, ВФС салуға керек болатын мәндерді дайындаңыз. Өлшеулердің соңында СБРОС батырмасын басыңыз. Алынған мәндерді 3 кестеге енгізіңіз.
   
9. 
   ВАС тура тармағын салуға қажет болатын мәндерді дайындау режимі үшін ВАС-ВФС батырмасын басыңыз. Осы кезде ВАХ және ПРЯМАЯ индикаторлары жану керек.
   
10. 
    Екінші зерттеу объектісін өлшеуіштік құрылғыға қосыңыз (ФПК06М.01.00.00.00. зерттеу объектісі қолданылатын болса, оның алдыңғы қабырғасында орналасқан үлгіні қосатын қосқыш арқылы сипаттамасы зерттелетін диодтың келесі үлгісін таңдаңыз).
    
11. 
    4-9 пунктерін екінші үлгінің сипаттамасын салуға қажет болатын мәндерді алу үшін қайталау.
    
12. 
    Үшінші зерттеу объектісін өлшеуіштік құрылғыға қосыңыз (ФПК06М.01.00.00.00. зерттеу объектісі қолданылатын болса, оның алдыңғы қабырғасында орналасқан үлгіні қосатын қосқыш арқылы сипаттамасы зерттелетін диодтың келесі үлгісін таңдаңыз).
    
13. 
    4-9 пунктерін үшінші үлгінің сипаттамасын салуға қажет болатын мәндерді алу үшін қайталау.
    
14. 
    Диодтың тура және кері жұмыс істеу режимдері үшін ВАС және ВФС I,C(U) бір координаттық жүйеде, өлшем бірліктерін көрсете отырып салыңыз.
    
15. 
    Жұмысты аяқтаған соң СЕТЬ сөзі батырма арқылы қорек көзінен айырыңыз.
    
16. 
    Алынған мәндер бойынша зерттелетін p-n ауысудың сипаттамаларын салыңыз.
    

2-кесте

№

Үлгіі

Диодтың кері режиміндегі ВАС мәндері

1

U, B

I, мкА

2

U, B

I, мкА

3

U, B

I, мкА

3-кесте

№

Үлгі

ВФС мәндері

1

U, B

С,пФ

2

U, B

С,пФ

3

U, B

С,пФ

Бақылау сұрақтары

1. 
   Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником p-типа? Объясните механизм его образования.
   
2. 
   Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?
   
3. 
   Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
   
4. 
   Поясните физические процессы, происходящие в p – n переходе.
   

№ 4 Зертханалық жұмыс

Жартылай өткізгіштер туралы мәліметтер.

Меншікті кедергісі қалыпты температурада өткізгіштерге қарағанда жоғары, ал диэлектриктерге қарағанда аз электрондық электрөткізгіштті заттар жартылай өткізгіштерге жатады.

Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі сыртқы энергетикалық әсерлерге, сонымен қатар әртүрлі қоспаларға, кейде дененің өзінде аз да болса да, кездесетін меншікті жартылай өткізгіштің болуына байланысты.

Жартылай өткізгіштерде электрондық (п) және кемтіктік (р) екі типтің болуы р-п ауысуы бар жартылай өткізгішті заттарды алуға үмкіндік береді.

Көптеген жартылай өткізгішті аспаптар үшін қоспалы жартылай өткізгіштер пайдаланылады. Сондықтан тәжірибеде мүмкін болатын жоғары температурада меншікті заряд тасымалдаушылардың концентрациясын байқауға болатын жартылай өткізгішті материалдар, тыйым салу аймағы жеткілікті кең болатын жартылай өткізгіштердің мәні зор. Температураның жұмыстық режимінде еркін заряд тасымалдаушылар қоспалар болып табылады. Қарапайым жартылай өткізгіштерде қоспа ретінде бейтаныс атомдар болады. Сонымен бірге қоспа қызметін кристалдық торлардың мүмкін болатын дефектілері; бос түйіндер, атомдар немесе иондар, дислокациялар немесе ығысулар атқара алады. Егер қоспа атомдары кристалдық тордың түйінінде орналасқан болса, алмастыру қоспалары, егер түйіндердің арасында орналасқан болса – енгізу қоспалары деп аталады.

Жартылай өткізгіштің валенттік зонасынан электронды қармап алатын қоспалар акцепторлар деп аталады.

Холл эффектісі.

Затқа бір уақытта электрлік және магниттік өрістердің әсер етуі кезінде пайда болатын физикалық құбылыс гальваномагниттік деп аталады. Гальваномагниттік құбылыс электрондық өткізгіштігі бар электрондық жартылай өткізгіштерде, металдарда, жартылай өткізгіштерде, диэектриктерде байқалады. Ионды жартылай өткізгіштерде гальваномагниттік құбылыс пайда болмайды.

Гальваномагниттік құбылыстарды бір түрі – Холл эффектісі. Оның мағынасы мынада: токтың бағытына перпендикуляр магнит өрісінің әсерінен үлгіге көлденең ток пен магнит өрісіне перпендикуляр бағытта қандай да бір потенциалдар айырымы пайда болады, яғни Холл ЭҚК. Жпртылай өткізгіштердің электр өткізгіштігінің екі типі де нақты физикалық құбылыс болып табылады, бұған тәжірибелердің көмегімен көз жеткізуге болады. Көлденең Холл ЭҚК таңбасының өзгеруіне байланысты зерттелетін жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігінің типін (p немесе n) анықтау әдісінің мағынасы 1а-суретте түсіндіріледі. Егер жартылай өткізгіштен жасалынған пластинаны Н сыртқы магнит өрісіне орналастырып, оның ұзындығының бағытында Е электр өрісін тудыратын потенциалдар айырымын беретін болсақ, онда қозғалатын заряд тасушылардың пластинканың бір жақ бетіне ығысуы нәтижесінде көлденең ЭҚК пайда болады. Оны вольтметрдің өмегімен өлшейді. Зарядтардың ығысу бағыты токтың техникалық бағытына жататын «сол қол» ережесі бойынша анықтауға болады. 1а-суретінен электр өткізгіштіктің типі өзгерген кезде вольтметрдің тілшесінің бағыты да өзгеретіндігі көрінеді. Басқа әдіс: 1-суретте көрсетілгендей зерттелетін жартылай өткізгіштің бір ұшының қыздырылуы. Осы кезде егер p-типті жартылай өткізгіш зерттелетін болса, қыздырылған ұшында жылулық энергияның шығындалуына байланысты электрондардың көп бөлігі толтырылған зонадан қоспаның акцепторлық деңгейлеріне лақтырылады. Ыстық ұшынан суық ұшына қарай кемтіктердің диффузиясы басталады, және ол суық ұшымен салыстырғанда теріс зарядталған болады.

n-типті жартылай өткізгішті зерттеген кезде қыздырылған ұшында жылулық энергияның шығындалуына байланысты электрондар суық ұшына қарағанда көбірек босай бастайды да, олардың еркін күйде аз болатын суық ұшына қарай диффузиясы басталады.Электрондардың кетуіне байланысты ыстық ұшы оң, ал суық жағы – теріс зарядталады.

Заряд тасушылардың бір ғана (п немесе р) типті жартылай өткізгіштер үшін келесі теңдік дұрыс болады

(1)

Заряд тасушылардың концентрациясы мен олардың қозғалғыштығы жартылай өткізгіштің сипаттамалық параметрлері болып табылады. Жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігін өлшеу осы параметрлердің көбейтіндісін ғана анықтауға мүмкіндік береді. Оларды бөлу үшін Холл эфектісін пайдалануға болады. Заряд тасымалдаушылардың көлденең бағытта ығысуы Лоренц күші ығысқан зарядтардың көлденең электр өрісінің пайда болған күшімен теңгерілгенде тоқтатылады:

(2) өрнекті пайдалана отырып, мынаны аламыз:

_х көлденең ЭҚК, B магнит индукциясы, I ток және жартылай өткізгішті пластинаның d қалыңдығын өлшеуге болады, бұл Холл коэффициентінің мәнін есептеуге мүмкіндік береді.

БХЖ жүйесінде Холл коэффициенті өлшенеді. Формула арқылы алынатын коэфициенттің мәні белсенділік энергиясы нөлге тең болатын, қоспаның концентрациясы ең жоғары болатын таза (вырожденный) жартылай өткізгішке тән. Қоспаның әртүрлі концентрациясындағы жартылай өткізгіштің Холл коэффициентінің анағұрлым нақтырақ мәні формула бойынша алынатын мәннен А көбейткішіне ерекше болады. Әр түрлі жартылай өткізгіштер (атомдық, иондық торлармен) үшін А сандық мән бірден екіге дейін әр түрлі температурада тасушылардың механизміне байланысты өзгереді (мысалы, германий үшін А ≈ 1,18). n-типті жартылай өткізгіштер үшін

(4)

Кемтіктік жартылай өткізгіштер үшін таңбасымен ерекшеленетін және р тасушылардың концентрациясынан тұратын осындай өрнекті алу жеңіл. (1) мен (4) теңдеулерді қолдана отырып, концентрацияның және заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығын сандық мәнін табуға болады.

Жоғарыда келтірілген формулалар ашық көрінген n- немесе р-типті жартылай өткізгіштерге қатысты, осы жартылай өткізгіштердің негізгі емес тасымалдаушылар негізгі тасымалдаушылардың концентрациясына қарағанда аз. Егер негізгі емес тасымалдаушылар магнит өрісінде орналасқан жартылай өткізгіштегі бөлшектердің қозғалысына әсер ете бастағаса, тасымалдаушылардың екі типін де ескеру қажет. Тасымалдаушылардың екі типін ескергендегі Холл коэффициентін есептеу күрделі болады.

(5)

Германий мен кремнийде электрондардың қоғалғыштығы кемтіктердікінен асып түседі. Қоспа концентрациясы көп болатын осы екі материалдан жасалынған р-типті үлгіде төмен температурада Холл коэффициенті оң болады (n₀ ≈ 0 болғанда). Алмастыру күйіне (p₀u_p² = n₀u_n²) дейін температураны жоғарылатқан сайын, Холл коэффициенті де электрондардың қоғалғыштығының жоғары болуына байланысты теріс болады, бірақ кемтіктердің концентрациясы электрондардың концентрациясынан әлі де асып түсуде.

Холл эффектісі жартылай өткізгішті материалдардың сипаттамаларын анықтау әдісінің негізі ретінде ғана қызықты емес, сонымен қатар мысалы магнит өрісінің кернеулігін өлшеу үшін, екі шаманы бір-біріне көбейту үшін және басқа да мақсаттар үшін қолданылатын жартылай өткізгішті аспаптардың жұмыс істеу принципі ретінде де қызықты.

Осы құбылысты пайдаланатын кең көлемді аспаптарды жасауда қолданылады. Осындай аспаптар ретінде тұрақты және магниттік өрістерді өлшегіштер, қуатты өлшегіштер, көбейткіштер алынады.

Қондырғының сұлбасы

РА1

1. Желіге түзеткіштерді, қоректенетін электромагнитті, үлгінің ток тізбегін және милливольтметрді жарықтандырғышты (бір штепсельді вилка) қосу керек.

2. I_кері тогының кейбір мәнін ток тізбегінде үлгі арқылы орнату керек. I_кері мәнін кестеге енгізіңіз. Кезекті эксперименттік мәндерді және есептеу нәтижелерін кестеге енгізіңіз.

3. Электромагнит тізбегінде I_эм тогының қандай да бір мәнін (0,1-0,3)А интервалында орнатыңыз.

4. Милливольтметрдің көрсеткіші бойынша ₁ ЭҚК мәнін өлшеу.

5. SA кілті арқылы магнит өрісінің бағытын өзгертіңіз.

6. ₂ ЭҚК өлшеңіз.

7. Екі рет I_кері немесе I_эм өзгертіңіз және ₁ мен ₂ сәйкес мәндерін өлшеңіз.

8. I_кері мен I_эм реостаттардың көмегімен минимумға дейін төмендетіп, түзеткіш пен милливольтметрді жарықтандырғышты желіден айырыңыз.

9. I_эм мәндері арқылы градуирленген график көмегімен В индукцияның сәйке келетін мәндерін анықтаңыз.

10. Әр үш өлшеу үшін Холл ЭҚК _х есептеңіз:

11. Холл тұрақтысының сәйкес келетін мәндерін анықтаңыз:

мұнда d – үлгінің қалыңдығы, 2,710^-3 м тең.

12. x>, R_x және  салыстырмалы қателікті анықтаңыз:

13. Үлгідегі еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясын анықтаңыз

мұнда е=1,610^-19 Кл

және заряд тасымалдаушылардың концентрациясын анықтаудағы абсолют қателікті анықтаңыз:

Кесте

№ өлш.

, А

Iэм, А

В, Тл

1, мВ

2, мВ

х, мВ

, м3/Кл

<>, м3/Кл

 %

n, м-3

n, м-3

, м3/Кл

Бақылау сұрақтары.

1. 
   Қандай құбылыстар гальваномагниттік деп аталады?
   
2. 
   Холл эффектісінің физикалық мағынасы неде?
   
3. 
   Әр түрлі қосуларда электрондық және кемтіктік жартылай өткізгіштер үшін Холл ЭҚК таңбасын қалай анықтауға болады?
   
4. 
   Заряд тасымалдаушылардың бір немесе екі типті жартылай өткізгіштердің айырмашалығы қандай?
   
5. 
   Холл эффектісі арқылы жартылай өткізгіштерді заряд тасымалдаушылардың концентрациясы мен қозғалғыштығы қалайша анқыталынады?
   

Терморезистор суық суы бар ыдысқа салынған. Суды қыздырғыш арқылы жылытады. Температура термометрмен өлшенеді. Жұмыста бөлмелік температурадан бастап жуықтап 100 ⁰С температура дейінгі интервалда өлшеулерді жүргізу қарастырылған.

ТР кедергісі МО-62 тұрақты ток көпірі арқылы анықталынады. Көпірдің принциптік сұлбасы 1-суретте келтірілген.

-
R_СР бесдекадты кедергілер жиынтығынан тұрады және салыстыру иығы ретінде қолданылады. R₂ мен R₃ - көпірдің қатынас иықтарыа, осы қатынасты кілт арқылы өзгертуге болады. Терморезистор П1 және П2 қосқыштарына қосылады (R_x). Көпідің тепе-теңдігіқатынастары теңескенде жетеді. Осы теңдіктен алынады.

Көпір тепе-теңдік қалыпта болған РС гальванометрдің тілшесі нөлді көрсетеді.

1. 
   Қондырғымен танысу.
   
2. 
   Ыдысқа суық суды кұйып, оның температурасын өлшеңіз де кестеге енгізіңіз.
   

№	t0,C	T, К	103/T, K-1	R,Oм	ln R
1
2
3
:
8

3. 
   ТР кедрегісін көпірді алдымен «ГРУБО» жағдайында, кейін «ТОЧНО» жағдайында тепе-теңдікке (I_g=0) келтіре отырып, өлшеңіз. Кестеге енгізіңіз.
   
4. 
   ТР мысалы 10⁰С температурға дейін қыздырып, кедергісін өлшеңіз.
   
5. 
   Осылайша жуықтап 90-100 ⁰С температураға дейін кедергінің бірнеше мәндерін өлшеп алыңыз.
   
6. 
   Алынған мәліметтерді өңдеп, кесете жазыңыз.
   
7. 
   lnR=f тәуелділік графигін салыңыз.
   

Графикті (2-сурет) пайдалана отырып, ТР тыйым салынған зонасының енін төмендегі форомула бойынша есептеңіз:

осыдан

∆Е анықтауда қателікті төмендету мақсатында lnR₁, lnR₂ және оларға сәйкес келетін мәндерді эксперименттік түзудің ұштарының маңайында алған жөн .

1. 
   Электрлік қасиеттеріне байланысты металдар мен жартылай өткізгіштердің арасындағы айырмашылық қандай?
   
2. 
   Жартылай өткізгіштердің технологиялық қолданысын атап өтіңіз.
   
3. 
   Терморезистр деген не және терморезистордың материалы ретінде неліктен жартылай өткізгішті алынады?
   
4. 
   Меншікті және қоспалы жартылай өткізгіштердегі заряд тасымалдаушылардың температуралық тәуелділігін түсііндіріп беріңіз.
   
5. 
   Электр өткізгіштік пен кедергінің меншікті және қоспалы жартылай өткізгіштердің температураларынан тәуелділігін түсіндіріңіз.
   
6. 
   Терморезисторлардың ВАС түрі қандай? U(I)тәуелділігін түсіндіріңіз.
   

№ 5 Зертханалық жұмыс

«Металлдар мен жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігінің температурадан тәуелділігін зерттеу»
Жұмыстың мақсаты: Металлдар мен жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігінің температураның өзгреуіне байланысты өзгерісін эертханалық пеште үлгіні (металл, балқыма, жартылай өткізгіш) қыздырғанда оның электрлік кедергісін тікелей өлшеу арқылы зерттеу; үлгілердің кедергісінің оларды қыздыру кезіндегі температурадан және кейінгі суыту температурасынан тәуелділігін алу.

Құрал-жабды: өлшеуіштік қондырғы, зерттеу объектісі.