CATEDRA DE FIZICA
LABORATORUL DE
TERMODINaMICA SI FIZICA STATISTICA
DETERMINAREA CONSTANTEI BOLTZMANN PRIN MASURAREA CURENTULUI DE DIFUZIE INTR-UN TRANZISTOR
DETERMINAREA CONSTANTEI BOLTZMANN PRIN MASURAREA CURENTULUI DE DIFUZIE INTR-UN TRANZISTOR
1. Scopul lucrarii
Scopul acestei lucrari este determinarea marimii constantei Boltzmann. Pentru determinare, se foloseste dependena caracteristicii curent-tensiune din circuitul de colector al unui tranzistor, de anumii parametri (printre care si constanta Boltzmann).
2. Teoria lucrarii
Pentru a intelege funcionarea unui tranzistor, vom examina iniial jonciunea p-n. O jonciune semiconductoare p-n, este un ansamblu format din alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n (vezi figura 1):
Fig. 1
ntre cele doua regiuni n si p, exista o diferena de concentraii de electroni respectiv de goluri; corespunzator acestui gradient de concentraii va apare tendina de egalare a concentraiilor prin difuzie de electroni catre regiunea Sp, respectiv de goluri catre regiunea Sn (vezi figura 1). Simultan cu acest proces, au loc fenomene de recombinare, adica de anihilare a perechilor electron-gol. n acest fel, la contactul celor doua regiuni semiconductoare, apare pe o lungime l 10-4 cm, un camp electric de baraj care impiedica difuzia ulterioara de purtatori. Zona de lungime l se numeste strat (sau zona) de baraj. Electronii difuzai din Sn catre Sp, vor fi minoritari in noua regiune faa de goluri; corepunzator, in regiunea Sp, golurile vor reprezenta purtatorii majoritari iar electronii, purtatorii minoritari. Invers, in regiunea Sn, electronii vor fi purtatori majoritari iar golurile, purtatori minoritari.
O jonciune poate fi polarizata in sens direct (polul pozitiv al sursei este aplicat pe regiunea Sp iar cel negativ pe regiunea Sn) sau in sens invers daca polaritatea sursei este schimbata (vezi figura 2). n primul caz apare un camp electric exterior opus campului Eb; corespunzator, campul electric total va scadea usurand deplasarea purtatorilor. Similar, la polarizarea inversa campul electric total (de acelasi sens cu cel de baraj) va creste, impiedicand deplasarea purtatorilor.
Se poate arata ca in anumite condiii indeplinite la majoritatea semiconducto rilor, intensitatea curentului prin jonciune va creste exponenial cu tensiunea directa aplicata. La polarizarea inversa curentul va scadea in prima faza exponenial, atingand o valoare de saturaie extrem de redusa.
Fig. 2 Fig. 3
Prin montarea a doua jonciuni semiconductoare in opoziie, se obine un tranzistor (figura 3). Daca cele trei regiuni semiconductoare sunt succesiv de tip n-p-n, tranzistorul este de tip npn (secvena p-n-p genereaza un tranzistor de tip pnp). Cele trei regiuni se numesc corespunzator emitor,baza, colector. Prima jonciune (realizata la contactul baza-emitor) este polarizata in sens direct si se numeste jonciune baza-emitor. a doua jonciune (la contactul baza-colector) este polarizata invers si se numeste jonciune baza-colector.
n urma polarizarii directe a emitorului, in circuit apare un curent proporional cu tensiunea U aplicata. Purtatorii generai vor trece prin baza, din emitor in colector (fara pierderi substaniale, deoarece baza este foarte subire si deci recombinarea in ea este neglijabila). Electronii injectai din emitor, vor genera deci in colector un curent de difuzie dat de:
(1)
unde e0 = 1,610-19 C este sarcina electronului, I0 valoarea curentului de saturaie la polarizare inversa, T temperatura absoluta(in Kelvin) iar k este constanta Boltzmann. Logaritmand relaia de mai sus, obinem:
(2)
Se observa ca dependena dintre lnI si U este o dreapta de panta . Rezulta ca determinand panta m, putem calcula imediat constanta Boltzmann pe baza relaiei:
(3)
3. Descrierea instalaiei experimentale
Dispozitivul experimental cuprinde un tranzistor de tip npn (model BC171) introdus intr-un cuptor electric C (figura 4). Cuptorul este alimentat de la sursa de tensiune continua S1 prin intermediul poteniometrului P1.
Fig. 4 Fig. 5
Temperatura este inregistrata de un termometru Tm, introdus in cuptorul C.
Sursa de curent continuu S2, polarizeaza direct jonciunea emitor-baza a tranzistorului T prin intermediul rezistenei R = 1,1kW (figura 5). Tensiunea U dintre emitor si baza, este masurata de un voltmetru V de curent continuu (UNIMET) iar curentul de colector este masurat de un miliampermetru ma de curent continuu (MaVO-35) .
4.Modul de lucru
a) Pentru inceput se fac determinari la temperatura camerei (sursa S1 deconectata). Cu poteniometrul P1 fixat la minim, se alimenteaza sursa S2 de la reeaua de 220V c.a.Pornirea sursei se face prin rotirea comutatorului notat cu
c) Se variaza tensiunea U cu ajutorul poteniometrului sursei (notat cu U), in trepte de cate 0,02V, incepand cu tensiunea de deschidere a jonciunii (aproximativ 0,5V), pana la 0,66V. (Citirea tensiunii U se va face pe voltmetrul UNIMET si nu pe voltmetrul sursei S2).
d) Simultan cu valorile tensiunii se citesc valorile corespunzatoare ale curentului de colector; datele obinute se trec in tabelul de mai jos:
U(V)
I(a)
lnI
e) Se pune in funciune redresorul S1 si se fixeaza poteniometrul P1 pe o poziie oarecare. Se asteapta stabilizarea temperaturii un interval de cateva minute. Se repeta determinarile de la punctele c) si d) pentru inca doua valori diferite ale temperaturii T1 si T2, citite la termometrul Tm.
5. Indicaii pentru prelucrarea datelor experimentale
a) Se traseaza printre puncte, dreptele lnI = f(U); dreptele vor fi trasate cu simboluri diferite, pentru cele trei temperaturi T0, T1,si T2, pe acelasi grafic.
b) Se calculeaza pantele celor trei drepte.
c) Din relaia (3) se determina valorile constantei Boltzmann pentru cele trei temperaturi; se face media valorilor obinute.
