Обработка результатов измерений
1. Измерить углы рассеяния q и j и записать в таблицу 29.1. 2. Определить пробеги частиц после соударения в миллиметрах и, пользуясь масштабом, указанном на фотографии, выразить их в микрометрах, результаты внести в таблицу. 3. Определить энергии частиц после взаимодействия (в МэВ)с помощью кривых «пробег - энергия» (см. рис. 29.2, 29.3 и 29.4, 29.5). 4. По справочникам определить массы взаимодействующих частиц. 5. Вычислить значения импульсов α – частиц и протонов, результаты занести в таблицу. 6. Перенести на кальку следы частиц и в определённом масштабе (4 мм – 10-20 кг м с) построить векторы импульсов частиц. По правилу параллелограмма найти результирующий импульс. 7. Проверить закон сохранения импульса в рассматриваемом взаимодействии. Для этого необходимо:а) вычислить модуль вектора р, измерив (в мм) длину равнодействующего вектора и, пользуясь выбранным масштабом, найти значение импульса; б) если продолжение трека налетающей a-частицы совпадает по направлению с вектором результирующего импульса после взаимодействия частиц после взаимодействия, можно утверждать, что закон сохранения импульса в этом случае выполняется. 8. Установить характер взаимодействия частиц. Для этого необходимо: а) найти кинетическую энергию a-частицы перед соударением; б) определить сумму энергий частиц после взаимодействия и сравнить с найденным значением кинетической энергии a-частицы перед соударением; в) по результатам измерений сделать заключение о характере взаимодействия частиц. 9. Все полученные результаты занести в таблицу, написать в лабораторный журнал выводы по проделанной работе. Таблица 29.1 – Результаты измерений
Контрольные вопросы
1. Что называется треком элементарной частицы? Как образуется трек в пузырьковой камере, камере Вильсона, в фотоэмульсии? 2. Как по треку частицы определить её импульс и энергию? Можно ли по треку определить заряд, массу, время жизни частицы? 3. Чем отличаются упругие взаимодействия от неупругих? Чему равны кинетические энергии частиц до и после соударения в каждом из этих случаев? 4. Для чего изучают ядерные реакции? Приведите практические примеры использования ядерных реакций. 5. Выведите связь импульса Р с кинетической энергией К релятивистской частицы? 6. Что называется термоядерной реакцией? Приведите примеры. 7. Как устроены и работают ускорители элементарных частиц? Приведите примеры. 8. Какая доля кинетической энергии передаётся при столкновении движущейся α – частицы и неподвижного протона при неупругих и при упругих взаимодействиях? 9. Объясните строение ядра с современной точки зрения. Какие теории Вы знаете? 10. Определите, поглощается или выделяется энергия при ядерной реакции Лабораторная работа №30: Изучение физических основ работы полупроводникового диода Цель работы: изучение примесной проводимости в полупроводниках, электрических свойств структур с неоднородным распределением примесей, физических основ работы полупроводникового диода. Оборудование: специальная экспериментальная установка, вольтметр, миллиамперметр. Краткая теория В полупроводниках различают собственную и примесную проводимость. Собственная проводимость возникает за счет перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. Концентрации свободных электронов и дырок в полупроводнике одинаковы, уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны.
Примесная проводимость возникает в том случае, когда в полупроводник (например, Ge) вводятся атомы, у которых количество валентных электронов отличается на единицу (например, As). Атомы As в кристалле Ge замещают атомы основного вещества, т.е. располагаются не в промежутках между атомами Ge, а в место них. При этом из пяти валентных электронов As четыре задействуются для образования связей с соседними атомами Ge. Пятытй (при низких температурах, когда энергия теплового движения мала) связан с атомом примеси и образует с ним систему, напоминающую атом водорода. Поэтому модель легированного такой примесью полупроводника можно представлять в виде идеального кристалла, в котором хаотическираспределены притягивающие центры с зарядами + е и такое же число электронов, связанных с этими центрами. Если бы примесь находилась в вакууме, то энергия связи электронов с положительными центрами равнялась бы просто энергии ионизации, равной для мышьяка 9,81 эВ. Однако, благодаря тому, что примесь находится в полупроводнике, энергия связи электрона очень сильно уменьшается. Это происходит по следующим причинам. Движение электрона в поле заряда, примесного атома, происходит в кристалле, и напряженность электрического поля уменьшается в e раз (e – диэлектрическая проницаемость полупроводника). Обычные значения e полупроводников заключены в интервале от 10 до 20, но могут быть и значительно большими у полупроводников с малой запрещенной зоной. Электрон, движущийся под действием электрического поля в кристаллической решетке, характеризуется эффективной массой
Таким образом, атомы примеси образуют дополнительные электронные уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости, соответствующего свободным электронам. Причем энергетический зазор При повышении температуры связанные электроны на примесном уровне получают энергию, достаточную для перехода на свободные уровни зоны проводимости, т.е. разрывают связь с атомом примеси, становятся свободными и могут осуществлять перенос заряда в полупроводнике, создавая электрический ток. Примесные атомы становятся положительно заряженными ионами, суммарный заряд которых равен заряду ставших свободными электронов, и полупроводник в целом остается электрически нейтральным. Атомы примеси, отдающие электроны в зону проводимости называют донорами, а полупроводник донорным или n -типа (в соответствии со знаком свободных носителей заряда). Уровень Ферми Введение в полупроводник атомов примеси с количеством валентных электронов на единицу меньше отражается на энергетической диаграмме полупроводника похожим образом – рис. 30.2. Вблизи потолка валентной зоны появляется примесный уровень, к которому смещается
Электроны, перешедшие на примесный уровень, участвуют в образовании ковалентных связей и перемещаться по кристаллу не могут. В окрестности примесного атома, захватившего электрон валентной зоны, образуется избыточный отрицательный заряд. Атомы примеси в этом случае называют акцепторами, а легированный ими полупроводник акцепторным или р -типа (по знаку положительных носителей заряда). Концентрация свободных носителей заряда n в примесных полупроводниках складывается из концентрации
Температурная зависимость этих концентраций в соответствии с распределением Больцмана, описывается соотношениями:
При температурах соответствующих kT порядка Большинство технических применений полупроводников основано на использовании свойств кристаллов, в которых специально создается неоднородное распределение концентраций донорных и акцепторных примесей. Простейшим примером структуры с неоднородным распределением примесей является p-n -переход, представляющий собой область полупроводникового кристалла, в окрестности некоторой поверхности, по разные стороны которой преобладают донорные и акцепторные примеси. Предположим, для простоты, что p-n -переход образуется в результате приведения в контакт идеально отполированных плоских поверхностей полупроводниковых кристаллов с различным типом проводимости. При этом вдоль оси ох, перпендикулярной плоскости контакта, в окрестности точки х =0 (рис. 30.3, а) происходит скачкообразное изменение концентрации примесей. В начальный момент распределение концентраций основных носителей соответствует распределению концентраций примесей. Такое состояние является неравновесным и, вследствие наличия градиентов концентраций электронов и дырок, возникает их встречная диффузия, сопровождающаяся переносом заряда через поверхность контакта и образованием областей пространственного заряда шириной
В результате диффузии электронов и дырок потенциал р -области понижается, n- области – возрастает, т.е. между ними возникает разность потенциалов Типичное значение суммарной ширины областей пространственного заряда имеет величину 10– 6–10– 8 м. Изменение энергии электрона при переходе между областями Таким образом, в области p – n- перехода существует слой шириной 10– 6 – 10– 8 м, в котором концентрация носителей намного меньше, чем в однородных областях, расположенных вдали от перехода в обоих направлениях. Соответственно этот слой обладает большим сопротивлением, и всю систему можно рассматривать как электрическую цепь с последовательными тремя сопротивлениями, в которой большое сопротивление помещено между двумя малыми. Поэтому внешнее напряжение
Напряжение С энергетической точки зрения процессы, происходящие в области p – n- перехода могут быть описаны следующим образом. Условием равновесия системы является вытекающее из термодинамических соображений требование постоянства уровня Ферми во всем объеме полупроводника. В исходном состоянии (рис. 30.5, а) уровни Ферми в р и n областях не совпадают: Приложение к p – n- переходу положительного (прямого, отпирающего) напряжения приводит к уменьшению потенциального барьера для перехода свободных носителей в смежную область: снимается запрет на встречную диффузию электронов и дырок, через переход протекает большой ток, его сопротивление мало – рисунок 30.5, в. Отрицательное (обратное, запирающее) напряжение повышает потенциальный барьер для носителей заряда, вероятность прохождения через переход основных носителей заряда оказывается малой, сопротивление перехода очень велико – рисунок 30.5, г. В отсутствие внешнего напряжения ток через переход равен нулю. Но это означает только то, что отсутствует перенос заряда через переход. При этом в каждом из направлений могут двигаться равные количества электронов и дырок. Рассмотрим электронную составляющую тока через переход (имея в виду, что для дырочной составляющей справедливы совершенно аналогичные рассуждения). Она включает в себя две компоненты: электронный ток генерации Ток
В отсутствии внешнего напряжения (U = 0), т.е. в равновесном состоянии, устанавливается такая высота потенциального барьера
Поэтому зависимость тока рекомбинации от внешнего напряжения можно представить в виде:
Полный электронный ток из n -области в р -область равен разнице токов генерации и рекомбинации:
Ток дырочной составляющей
Поэтому полный ток через p – n- переход:
Выражение (9) аналитически описывает вольт-амперную характеристику p – n- перехода, т.е. ВАХ полупроводникового диода. Примерный вид графика этой зависимости показан на рисунке 30.6. Методика проведения измерений и описание экспериментальной установки Схема установки для снятия вольтамперных характеристик представлена на рис. 30.7. При исследовании прямых токов через диод используется миллиамперметр и милливольтметр. Напряжение регулируется реостатом R1.
Читайте также: I. Показатели, характеризующие состояние факторов среды обитания и достижение конечных общественно значимых результатов Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|