Методические указания по выполнению лабораторных работ учеб метод пособие. Часть І. Севастополь снуяэиП, 2009
 Скачать 1.43 Mb.
|
30 Таким образом, между явлениями интерференции и дифракции нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении энергии световых волн в результате их суперпозиции наложения. Перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, исходящих из отдельных когерентных источников, принято называть дифракцией волн. Для расчета дифракционной картины Френелем был предложен оригинальный метод, называемый методом зон Френеля. Основанием этого метода является интерференция вторичных волн, исходящих от каждой точки фронта волны. Суть метода зон Френеля заключается в том, что фронт волны мысленно разбивается на зоны так, чтобы разность хода граничных лучей от двух соседних зон составляла половину длины волны 2 для данной точки наблюдения. Таким образом волны, исходящие от двух соседних зон приходят в выбранную точку наблюдения в противофазе и гасят друг друга. Рассмотрим явление дифракции в параллельных лучах. Дифракция от одной щели. Пусть на узкую щель шириной а падает плоский фронт монохроматической световой волны перпендикулярно плоскости щели рис. Все точки плоского фронта АВ, вырезаемого щелью, являются когерентными источниками вторичных световых волн, которые за щелью распространяются во всех направлениях и при наложении интерферируют. Дифракционная картина, то есть результат интерференции вторичных волн, наблюдают на экране Э, помещенном в фокальной плоскости линзы Л. Лучи, идущие перпендикулярно от плоскости щели имеют разность хода равную нулю ( 0 ). На экране они собираются в фокусе а в в А В Л Э М О Рис. 1 31 линзы в точке О и дадут в этой точке центральный максимум. Лучи, идущие под некоторым углом к первоначальному направлению, также соберутся в фокальной плоскости линзы, но уже в другой точке М на экране. Выведем условие интерференции для этой группы лучей. Для этого разобьем волновой фронт АВ на зоны Френеля в виде узких полосок одинаковой ширины в, параллельных краям щели. Разность хода между двумя крайними лучами по условию равна 2 . Следовательно, если в направлении уложится четное число зонтов точке М будет наблюдаться минимум интенсивности света (темная полоса, если нечетное число зон – максимум интенсивности (светлая полоса. В щели укладывается число зон в a z Из чертежа (рис. 1) sin 2 в и число зон sin 2a z (1) При четном числе зон, то есть при , 2m z где ,.... 3 , 2 , 1 m (2) имеем минимум интенсивности. Приравнивая выражения (1) и (2) получаем условие минимума m m a 2 2 sin (3) Целое число ,... 3 , 2 , 1 m определяет порядок минимума. Первый минимум имеет место при 1 m , то есть в том направлении, для которого в щели укладывается четыре зоны, и т.д. Максимум интенсивности наблюдается при нечетном числе зон, то есть при 1 2 m z , (4) где Из выражений (1) и (4) получим условие максимума 2 ) 1 2 ( sin m a , (5) 32 где ,... 3 , 2 , 1 m .- порядок дифракционного максимума. Первый максимум получим при 1 m , то есть когда в щели укладывается три зоны затем – при 2 m (пять зон) и т.д. На экране дифракционная картина имеет следующий вид. В центре экрана имеет место центральный максимум (точка О, в которой интерферируют лучи, идущие под углом 0 . Для этих лучей разность хода равна нулю, и они усиливают друг друга. По обе стороны от центрального максимума чередуются темные и светлые полосы соответствующего цвета падающей длины волны Если на щель падает белый свет, то центральный максимум представляет яркую белую полоску, так как в точке О условие максимума выполняется для всех длин волн. Боковые максимумы спектральные, обращенные фиолетовой полосой к центральному. Это следует из того, что по условию максимума (5) sin , то есть для меньшей длины волны угол меньше для наблюдения максимума любого порядка. Дифракционная решетка. Одномерная дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей одинаковой ширины а , лежащих водной плоскости и разделенных непрозрачными промежутками равной ширины b (рис. 2). Величина b a d называется постоянной, или периодом дифракционной решетки. Если на дифракционную решетку падает плоский фронт монохроматической волны перпендикулярно ее плоскости, то после прохождения решетки, согласно принципу Гюйгенса – Френеля, вторичные волны от щелей решетки распространяются по всем возможным направлениями при наложении интерферируют. Помещая на пути распространения волн, идущих за решеткой, собирающую линзу Л, на экране Э, находящемся в фокальной плоскости линзы, наблюдается дифракционная картина чередование светлых и темных полос. В случае дифракционной решетки условия максимума и минимума иные, чем при дифракции на одной щели, так как при прохождении света через систему щелей имеет место дополнительная интерференция волн. d d a b A Д 1 КЛ Э М О Рис. 2 33 Очевидно, что направление , в котором одна щель дает дифракционный минимум, будет направлением ослабления света и для всей системы щелей. Эти главные минимумы интенсивности света наблюдаются в направлениях, определяемых условием (3): Если в направлении одна щель дает усиление интенсивности света максимум, то вся система щелей в этом направлении может дать либо усиление, либо ослабление интенсивности света. В этом случае необходимо рассматривать условия интерференции соответственных лучей. Соответственными лучами называются параллельные лучи, идущие под углом к первоначальному направлению от соответствующих точек щелей, находящихся на расстоянии d друг о друга (лучи 1, 2, 3 и т.д. на рис. 2). Результат интерференции любой пары соответственных лучей определяется их разностью хода. Из чертежа (рис. 2) для лучей 2 и 3 разностью хода является отрезок | DK |, равный sin d DK . (6) Если в разности хода укладывается целое число длин волн ( m ), то эти соответственные лучи усиливают друг друга. Таким образом, это условие главных дифракционных максимумов определяется соотношением m d sin , ,... 3 , 2 , 1 , 0 m (7) Если в разности хода соответственных лучей укладывается нечетное число длин полуволн 2 ( 2 ) 1 2 ( m ), то эти лучи гасят друг друга, то есть в этом направлении возникают дополнительные минимумы. Их условием является соотношение 2 ) 1 2 ( sin m d , ,... 3 , 2 , 1 , 0 m (8) Целое число m называется порядком спектра дифракционного минимума или максимума. Из условия (7) при 0 , 0 m получаем положение центрального максимума, имеющего нулевой порядок. При 1 m условие (7) определяет угол , в направлении которого наблюдаются максимумы первого порядка, расположенные вправо и влево от центрального максимума, и т.д. Таким образом, в фокальной плоскости линзы Л на экране Э наблюдается следующая дифракционная картина центральная 34 наиболее яркая и узкая полоса и ряд постепенно убывающих по яркости полос, симметрично расположенных относительно центральной. При освещении дифракционной решетки белым светом, как ив случае одной щели, на экране наблюдаются дифракционные спектры. Центральный максимум нулевого порядка представляет яркую белую полосу, так как из формулы (7) видно, что 0 m соответствует максимуму при 0 для всех длин волн . Поскольку sin , то все остальные максимумы расположены в спектральной полосе влево и вправо от центрального и обращены фиолетовой частью (наименьшая длина волны) к центру (рис. 3). Зная период дифракционной решетки d и измеряя экспериментально угол и порядок спектра m , из формулы (7) можно вычислить длину волны : m d sin . (9) Таким образом, задача определения длины волны с помощью дифракционной решетки сводится к измерению углов m , в направлении которых наблюдаются максимумы m -го порядка для выбранной длины волны. Описание установки В данной работе измерения производятся с помощью гониометра рис, который позволяет наблюдать дифракционную картину от одномерной решетки и измерять углы m 35 Прибор состоит из зрительной трубы 7, коллиматора 10, основания 2 с осевой системой и столиком 9. Зрительная трубка и коллиматор 10 имеют аналогичную конструкцию. Окулярные устройства крепятся к трубам с помощью колец 6 и 12. Коллиматор 10 показан с раздвижной щелью 11. Лимб гониометра и сетки окуляров освещаются лампой в подсветке 3. Прибор включается в сеть переменного тока общим выключателем. Зрительная труба 7 со стойкой крепится к алидаде 8. Коллиматор 10 установлен настойке, которая закреплена неподвижно на основании 2. Для получения и исследования явления дифракции перед щелью 11 ставится осветитель, а на столике 9 гониометра устанавливается дифракционная решетка так, чтобы ее плоскость была перпендикулярна оси коллиматора 10. Зрительная труба 7 при помощи системы линз собирает в фокальной плоскости объектива параллельные пучки света, идущие от дифракционной решетки. В окуляре зрительной трубы наблюдается дифракционная картина. В центре поля зрения окуляра в зрительной трубе на том месте, где лежит действительное изображение щели коллиматора, находится тонкая нить. При отсчете углов m изображение дифракционной полосы и нити совмещается. Рассмотрим, как производится отсчет углов в данной установке. Гониометр имеет угловое отчетное устройство. Окуляр 5 отчетного устройства расположен под окуляром зрительной трубы 7. С помощью окуляра 5 мы видим изображение двух диаметрально противоположных участков стеклянного лимба. Изображения штрихов двух диаметрально противоположных участков лимба через систему призм и объективов передаются в оптический микрометр, причем одно изображение прямое, другое - обратное. На поверхности лимба нанесена шкала с делениями. Лимб разделен на 1080 делений. Цена деления 20′. Оцифровка делений произведена через 1 0 . При перемещении шкалы на 600 делений верхнее изображение штрихов лимба смещается относительно нижнего на 10′. Каждое деление шкалы соответствует 1/600 от угла 10′, те. углу, равному 1′′. Поле зрения отсчетного микроскопа приведено на рис. 5. В левом окне наблюдается изображение диаметрально 36 противоположных участков лимба и вертикальный индекс для отсчета градусов, а в правом окне делений шкалы – деления шкалы оптического микрометра и горизонтальный индекс для отсчета минут и секунд. Чтобы снять отсчет по лимбу, необходимо повернуть маховичок 4 оптического микрометра настолько, чтобы верхние и нижние изображения штрихов лимба в левом окне точно совместились. Число градусов будет равно видимой ближайшей левой от вертикального индекса цифре 0. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов, и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 180 0 . На рис. 5 число десятков минут равно единице. Число единиц минут отсчитывается по шкале микрометра в правом окне полевому ряду чисел. На рис. оно равно 5. Число десятков секунд – в том же окне по первому ряду чисел. Число единиц секунд равно числу делений между штрихами, соответствующими отсчету десятков секунд, и неподвижным горизонтальным индексом. Положение, показанное на рис. 5, соответствует отсчету 0 0 15′57′′. Порядок выполнения работы Поместить перед щелью коллиматора источник света, совместить нить в зрительной трубе с изображением щели. Установить дифракционную решетку в центре столика гониометра так, чтобы штрихи решетки были параллельны щели, а плоскость решетки перпендикулярна оптической оси коллиматора. Изучить дифракционную картину, полученную от дифракционной решетки. Для этого зрительную трубу нужно вращать рукой ив окуляр трубы наблюдать картину. Подсчитать, сколько порядков спектров наблюдается. Повернуть зрительную трубу влево, навести нить трубы на первый дифракционный максимум ( 1 m ) определенной длины волны и замерить показания лимба 5. Проделать такие измерения для трех длин волн (фиолетовой, зеленой, красной) для максимумов первого и второго порядков. Вычислить значение длины волны по формуле m d sin , где d - период дифракционной решетки m - порядок спектра. Данные измерений и вычислений занести в таблицу. Сравнить полученные значения с табличными данными. Таблица измерений и вычислений 37 Линия m sin м , м , Фиолетовая 1 2 Зеленая 1 2 Красная 1 2 Контрольные вопросы Что называется явлением дифракции. Сформулировать принцип Гюйгенса-Френеля. В чем суть метода зон Френеля. Вывести условия максимумов и минимумов для дифракции на одной щели. Вывести условие главных дифракционных максимумов для дифракционной решетки. 6. Чем отличается дифракционная картина при освещении дифракционной решетки монохроматическими белым светом Почему Какой вид имеет центральная дифракционная полоса и почему Какие измерения нужно сделать в данной работе. Вывести расчетную формулу длины волны. Лабораторная работа № 5 Определение ширины запрещенной зоны полупроводников Цель работы. Экспериментально исследовать зависимость сопротивления полупроводника от температуры, определить ширину запрещенной зоны (энергию активации) и температурный коэффициент сопротивления полупроводника. Приборы и принадлежности Терморезистор. 2. Электронагреватель. Термометр. Мост сопротивлений. Источник тока. 6. ЛАТР. Соединительные провода. Краткая теория 38 Электрон изолированного атома имеет некоторые определенные значения энергии, которые изображают в виде энергетических уровней. На рис. 1 представлены энергетические уровни изолированного атома. Для образования кристалла будем мысленно сближать N изолированных атомов. Взаимодействие электрона со всеми N атомами кристалла приводит к изменению энергии электрона. Каждый энергетический уровень атома расщепляется на N уровней, и образуются энергетические зоны (см. рис. 2). В кристалле все энергетические уровни можно разделить натри энергетические зоны. Энергетические уровни валентных электронов атомов образуют валентную зону (см. рис. 3). Свободные электроны могут иметь в кристалле нелюбые, а дискретные (некоторые определѐнные) значения энергии. Энергетические уровни свободных электронов образуют свободную зону или зону проводимости. 39 Свободная зона отделена от валентной зоны запрещенной зоной - полосой энергии, запрещенной для электронов. Величина Å называется шириной запрещенной зоны. При температуре Ê 0 Ò электроны кристалла заполняют нижние энергетические уровни. По принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами. У полупроводников при температуре 0 К полностью заполнена электронами валентная зона. В свободной зоне электронов нет. Ширина запрещенной зоны полупроводников небольшая Е порядка 1 эВ. С ростом температуры электроны, получая энергию, могут переходить на вышележащие энергетические уровни. Энергии теплового движения электронов и энергии электрического поля тока достаточно для перехода электронов из валентной зоны полупроводника в зону проводимости. При подключении полупроводника к источнику тока вцепи появляется электрическое поле. Свободные электроны в зоне проводимости под действием этого поля движутся противоположно полю (вектору напряженности электрического поля) и образуют электронную проводимость полупроводника. В валентной зоне на месте ушедшего электрона остается некомпенсированный положительный электрический заряд – дырка. Под действием электрического поля электрон с соседнего уровня может перейти на место дырки, а там, откуда электрон ушел, образуется новая дырка. Можно сказать, что дырки движутся по полю. Дырки в валентной зоне образуют дырочную проводимость полупроводника. Электронная и дырочная проводимости химически чистого полупроводника составляют собственную проводимость полупроводника. Электрическая проводимость в кристалле пропорциональна концентрации носителей тока (электронов и дырок. Распределение электронов по энергетическим уровням характеризуется функцией Ферми- Дирака 0,5 1 Δ Ε E F E f (E) 0 зона проводимости запрещенная зона валентная зона Рис. 3 40 1 1 ) ( kT E E F e E f , (1) где Е – энергия электрона, Е – энергия Ферми k = 1,38∙10 -23 Дж/К эВ/К 10 62 , 8 5 – постоянная Больцмана Т – абсолютная температура кристалла E f – функция Ферми-Дирака, которая определяет вероятность нахождения электрона на энергетическом уровне с энергией Е. В металле энергией Ферми называют максимальную кинетическую энергию, которую могут иметь электроны проводимости при температуре 0 К. Энергетический уровень, соответствующий энергии Ферми, называется уровнем Ферми. Таким образом, уровень Ферми – это верхний заполненный электронами энергетический уровень в металле при температуре 0 К. Значение уровня Ферми в химически чистом полупроводнике, отсчитанное от потолка валентной зоны, приблизительно равно половине ширины запрещенной зоны E E F 2 1 . (2) Отсюда следует, что уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны. Если энергия электрона, находящегося в зоне проводимости, равна Е, тогда по рис. 3 видно, что 2 E E E F .(3) При невысоких температурах в формуле (1) единицей в знаменателе можно пренебречь. Учитывая выражение (3), из формулы (1) получают kT E e E f 2 ) ( . (4) Удельная проводимость полупроводника пропорциональна концентрации носителей тока, поэтому она пропорциональна функции Ферми-Дирака (формула (4)), тогда можно записать kT Å å 2 0 , где 0 – постоянная величина, зависящая отданного полупроводника. Сопротивление обратно пропорционально проводимости, поэтому его можно представить в виде kT E Ae R 2 , (5) здесь А – коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника. 41 Из формулы (5) видно, что с ростом температуры сопротивление полупроводника R уменьшается. По зонной теории эта закономерность объясняется следующим образом при увеличении температуры растет число электронов в свободной зоне и число дырок в валентной зоне, поэтому проводимость полупроводника увеличивается, а сопротивление уменьшается. У металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается. Для определения ширины запрещенной зоны E необходимо прологарифмировать формулу (5) kT E A R 2 ln ln . (6) Коэффициент А неизвестен, поэтому сначала записывают формулу (6) для двух разных температур Т 1 и Т 1 1 2 ln ln kT E A R , (7) 2 2 2 ln ln kT E A R . (8) Вычитают из формулы (7) выражение (8) 2 1 2 1 1 1 2 ln ln T T k E R R . (9) Из формулы (9) для ширины запрещенной зоны получают расчетную формулу 1 2 1 1 2 1 ln ln 2 T T R R k E . (10) График зависимости lnR от для полупроводника с собственной проводимостью представляет собой прямую линию (рис. 4), тангенс угла наклона которой коси абсцисс равен 1 2 1 1 2 1 ln ln T T R R tg . (11) Сравнивая формулы (10) и (11), можно получить Температурный коэффициент сопротивления показывает относительное изменение сопротивления при нагревании вещества на 1 К 42 dT dR R 1 . (12) Единица измерения в СИ Взяв производную сопротивления по температуре в формуле (5), можно записать 2 2 / 2 2 2 kT E e A kT E e A dT dR kT E kT E . (13) Формулу (13) подставляют в формулу (12) и, учитывая формулу сопротивления R (5), получают kT E kT E Ae kT E Ae 2 2 2 Расчетная формула для температурного коэффициента сопротивления полупроводника равна 2 2kT E . (14) Температурный коэффициент сопротивления полупроводников зависит от температуры и химической природы вещества. Знак минус в формуле (14) учитывает, что с ростом температуры сопротивление полупроводника уменьшается. У металлов температурный коэффициент сопротивления является положительной величиной. Описание установки На рис. 5 представлена схема лабораторной установки. Терморезистор 1, термометр 5 и нагреватель 4 помещены в закрытый сосуд. Напряжение на нагреватель подается от трансформатора (ЛАТР), подключенного к сети 3. Терморезистор – это полупроводник, сопротивление которого зависит от температуры. Измерение сопротивления осуществляется мостом 2 типа Р 333. 43 Для исследований применяют терморезистор ОСММТ– 4 (рис. 6), состоящий из смеси окислов меди и марганца. Терморезистор 1 в виде стержня находится в замкнутом металлическом корпусе 2. Герметизация выводов 3 обеспечивается слоем олова и стеклянным изолятором 4. Терморезисторы применяют для измерения температуры. Выполнение работы 1. Сопротивление терморезистора при комнатной температуре измерить при помощи моста 2. 2. Включить нагреватель. 3. Измерять сопротивление терморезистора через каждые 10 С. Провести 4-5 измерений, не допуская повышения температуры более 70 С. 4. Результаты измерений занести в таблицу. 5. Построить график зависимости сопротивления от температуры в координатах lnR и Т. Рассчитать значение энергии активации ширины запрещенной зоны) по формуле (10). 7. Вычислить температурный коэффициент сопротивления полупроводника по формуле (14). 8. Результаты вычислений занести в таблицу и сделать вывод. 44 Таблица № п/п R Ом t С T К T -1 К lnR α К 1 2 3 4 5 6 Контрольные вопросы 1. Каким образом происходит расщепление энергетических уровней на зоны в кристаллическом твердом теле 2. Как образуется валентная зона 3. Как образуется зона проводимости (свободная зона 4. Как возникает собственная проводимость полупроводников 5. Какому закону подчиняется распределение электронов по энергетическим уровням 6. Каков физический смысл функции Ферми-Дирака? 7. Как изменяется сопротивление полупроводника с ростом температуры (Построить график этой функции. Сравнить с металлами. 8. Что такое температурный коэффициент сопротивления Какова его зависимость от температуры Сравнить температурный коэффициент сопротивления полупроводников и металлов. 45 Лабораторная работа № 6 Изучение свойств перехода и снятие статических характеристик транзистора Цель работы Изучить работу полупроводникового диода и транзистора. Проследить изменение тока через p-n- переход в зависимости от изменения напряжения в прямом и запорном направлениях. Снять статические характеристики транзистора. Приборы и принадлежности 1. Диод. 2. Транзистор. 3. Миллиамперметр с многопредельной шкалой. 4. Вольтметры. 5. Потенциометры. 6. Двухполюсный переключатель. 7. Соединительные провода. 8. Источники напряжения. Краткая теория Свойства и проводимость примесных полупроводников определяются имеющимися в них искусственно вводимыми примесями. Как известно, атомы германия или кремния, являющиеся полупроводниками, в узлах кристаллической решетки связаны четырьмя ковалентными связями с соседними атомами. Если часть атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки заменить атомами другого вещества, имеющими иную валентность, то полупроводник приобретет примесную проводимость. Например, если при выращивании кристалла германия в расплав добавить небольшое количество пятивалентного мышьяка (или фосфора, то последний внедрится в решетку кристалла, и четыре из его пятивалентных электронов образуют четыре ковалентные связи с атомами германия. Пятый электрон оказывается лишним, легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения и может участвовать в переносе заряда, те. создании тока в полупроводнике. Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, лишний электрон является электроном проводимости. Число таких электронов будет равно числу атомов примеси. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником типа (от слова negative - 46 отрицательный. Атомы примеси, поставляющие свободные электроны, называются донорами. Пятый электрон примеси занимает состояние чуть ниже края зоны проводимости, те. находится в запрещенной зоне (риса. Этот энергетический уровень называется донорным. Его положение вблизи зоны проводимости обусловливает легкость перехода электрона с донорного уровняв зону проводимости за счет тепловых колебаний решетки. Обычно в полупроводнике типа число электронов проводимости превышает число атомов примеси, так как в зону проводимости дополнительно попадают электроны за счет разрыва ковалентных связей благодаря тепловым колебаниям решетки. Одновременно в полупроводнике образуется небольшое количество дырок. Поэтому в полупроводнике типа наряду с основными носителями заряда - электронами проводимости - имеется небольшое количество неосновных носителей заряда - дырок. Германий или кремний можно легировать трехвалентными атомами, например, галлием, бором или индием. Три валентных электрона атома бора не могут образовать ковалентные связи со всеми четырьмя соседними атомами германия. Поэтому одна из связей оказывается неукомплектованной и представляет собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями заряда являются дырки. Число дырок определяется в основном числом атомов примеси. Проводимость такого полупроводника называется дырочной, а полупроводники называются полупроводниками р-типа (от слова positive - положительный ). Примеси, вызывающие появление дырок, называются Зона проводимость Запрещенная зона Валентная зона донорные уровни Акцепторные уровни а) б) Рис. 1 47 акцепторными, а энергетические уровни, на которые переходят электроны для восполнения недостающей связи атома примеси, называются акцепторными уровнями. Акцепторные уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи валентной зоны (см. рис. б. Образованию дырки отвечает переход электронов из валентной зоны на один из акцепторных уровней. Количество дырок в полупроводнике р-типа обычно превосходит число атомов доноров. Некоторое количество дырок образуется за счет перехода электронов в зону проводимости. Благодаря этому полупроводник р-типа наряду с основными носителями тока – дырками - обладает некоторым количеством неосновных носителей тока- электронами проводимости. Если в пластину из монокристалла германия, например, с электронным механизмом проводимости (п-типа ) вплавить кусочек индия, то атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину и получается пластина германия, в различных частях которой проводимость разная. Тонкий слой на границе между двумя областями одного итого же кристалла, отличающийся типом примесной проводимости, называют р- переходом. Во всех полупроводниковых приборах присутствуют р-п- переходы, которые обусловливают их работу. Свободные электроны в полупроводнике типа обладают большой энергией, чем дырки в валентной зоне полупроводника р-типа, поэтому электроны из полупроводника типа переходят в полупроводник р-типа. В результате этого перехода уровень Ферми у первого полупроводника понижается, ау второго- повышается. Переход заканчивается, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках уравниваются (рис. 2). Акцепторные уровни Донорные уровни Зона проводимости Уровень Ферми Запрещенная зона Валентная зона Рис. 2 48 Нижняя граница зоны проводимости определяет изменения потенциальной энергии электронов в направление, перпендикулярно кр- переходу. Заряд дырок противоположен заряду электрона, поэтому их потенциальная энергия больше там, где меньше потенциальная энергия электрона. Благодаря переходу электронов в р-полупроводник вблизи границы создается избыток отрицательных зарядов, а в полупроводнике, наоборот, избыток положительных зарядов. Поэтому на границе возникает электрическое поле, вектор напряженности которого направлен от полупроводника типа к полупроводнику р-типа (рис. 3). В результате этого возникает запорный слой, обедненный основными носителями заряда (количество основных носителей заряда вблизи контакта каждой области уменьшается. Одновременно возникает потенциальный барьер, препятствующий движению основных носителей заряда. Неосновные носители могут свободно диффундировать из одной области в другую под действием этого поля. Устройство, состоящее из двух материалов различной проводимости, называется полупроводниковым диодом. Если его подключить к источнику напряжения так, чтобы положительный потенциал был подан нар- область, а отрицательный на область, тов диоде появится электрическое поле E , созданное источником напряжения и направленное навстречу полю р-n-перехода 1 E (рис. 4). Оно ослабляет действие поля р- перехода и понижает потенциальный барьер. Область контакта обогащается основными носителями зарядов. Сопротивление контакта уменьшается. Под действием сторонних сил источника вцепи пойдет ток, направленный в диоде от р- к области. Такое включение источника называется прямым. р-n-переход при этом обладает сопротивлением |