LABORATORUL DE TERMODINAMICÅ ªI FIZICÅ STATISTICÅ
DETERMINAREA CONSTANTEI BOLTZMANN PRIN MÅSURAREA
CURENTULUI DE DIFUZIE ÎNTR-UN TRANZISTOR
0
TRANZISTOR
1. Scopu uc!!## Scopul acestei lucråri este determinarea mårimii constantei
Boltzmann. Pentru determinare, se folose¿te dependen¡a caracteristicii curent-tensiune din circuitul de colector al unui tranzistor, de anumi¡i parametri (printre care ¿i constanta Boltzmann).
$. T%o!#& uc!!## Pentru a întelege func¡ionarea unui tranzistor, vom eamina
ini¡ial !onc¡iunea p-n. " !onc¡iune semiconductoare p-n, este un ansam#lu format din alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n$ (vezi %gura $)&
'ig. $
ntre cele douå regiuni n ¿i p, eistå o diferen¡å de concentra¡ii de electroni respectiv de goluri corespunzåtor acestui gradient de concentra¡ii va apare tendin¡a de egalare a concentra¡iilor prin difuzie de electroni cåtre regiunea Sp, respectiv de goluri cåtre regiunea Sn (vezi %gura $). Simultan cu acest proces, au loc fenomene de recom#inare, adicå de ani*ilare a perec*ilor electron-gol. n acest fel, la contactul celor douå regiuni semiconductoare, apare pe o lungime l ≈ $+- cm, un c'(p %%c)!#c *% +&!&, care împiedicå difuzia ulterioarå de purtåtori. ona de lungime l se nume¿te )!&) &u /o0 *% +&!&,. lectronii difuza¡i din Sn cåtre Sp, vor % minoritari în noua regiune fa¡å de goluri 1 Semiconductorii de tip n sau p reprezintå semiconductori dopa¡i cu impuritå¡i în mod controlat. n semiconductorii de tip n, impuritå¡ile sunt donoare iar conduc¡ia este mediatå de electroni în cei de tip p, impuritå¡ile sunt acceptoare iar conduc¡ia este mediatå de goluri.
1
corepunzåtor, în regiunea Sp, golurile vor reprezenta purtåtorii ma!oritari iar electronii, purtåtorii minoritari. /nvers, în regiunea Sn, electronii vor % purtåtori ma!oritari iar golurile, purtåtori minoritari.
" !onc¡iune poate % polarizatå în sens direct (polul pozitiv al sursei este aplicat pe regiunea Sp iar cel negativ pe regiunea Sn) sau în sens invers dacå polaritatea sursei este sc*im#atå (vezi %gura 0). n primul caz apare un c1mp electric eterior opus c1mpului # corespunzåtor, c1mpul electric total va scådea u¿ur1nd deplasarea purtåtorilor. Similar, la polarizarea inverså c1mpul electric total (de acela¿i sens cu cel de #ara!) va cre¿te,  împiedic1nd deplasarea purtåtorilor.
Se poate aråta cå în anumite condi¡ii indeplinite la ma!oritatea semiconducto rilor, intensitatea curentului prin  !onc¡iune va cre¿te eponen¡ial cu tensiunea directå aplicatå. 2a polarizarea inverså curentul va scådea în primå fazå eponen¡ial, ating1nd o valoare de satura¡ie etrem de reduså.
  'ig. 0 'ig. 3
Prin montarea a douå !onc¡iuni semiconductoare în opozi¡ie, se o#¡ine un )!&0/#)o!  (%gura 3). 4acå cele trei regiuni semiconductoare sunt succesiv de tip n-p-n, tranzistorul este de tip npn (secven¡a p-n-p genereazå un tranzistor de tip pnp). 5ele trei regiuni se numesc corespunzåtor %(#)o!2+&/2 co%c)o!. Prima  !onc¡iune (realizatå la contactul #azå-emitor) este polarizatå în sens direct ¿i se nume¿te ,o0c3#u0% +&/-%(#)o!. 6 doua !onc¡iune (la contactul #azå-colector) este polarizatå invers ¿i se nume¿te  ,o0c3#u0% +&/-co%c)o!.
n urma polarizårii directe a emitorului, în circuit apare un curent propor¡ional cu tensiunea 7 aplicatå. Purtåtorii genera¡i vor trece prin #azå, din emitor în colector (fårå pierderi su#stan¡iale, deoarece #aza este foarte su#¡ire ¿i deci recom#inarea în ea este negli!a#ilå). lectronii in!ecta¡i din emitor, vor genera deci în colector un curent de difuzie dat de&
I I e
($)
unde e+ 8 $,9×$+-$: 5 este sarcina electronului, /+ valoarea curentului de satura¡ie la polarizare inverså, ; temperatura a#solutå(în <elvin) iar = este constanta Boltzmann. 2ogaritm1nd rela¡ia de mai sus, o#¡inem&
2
k T = +
0 (0)
Se o#servå cå dependen¡a dintre ln/ ¿i 7 este o dreaptå de pantå
m   e
k T =
constanta Boltzmann pe #aza rela¡iei&
k    e
m T =
0 (3)
4. D%c!#%!%& #0)&&3#%# %5p%!#(%0)&% 4ispozitivul eperimental cuprinde un tranzistor de tip npn
 
'ig. 'ig. @
 ;emperatura este înregistratå de un termometru ;m, introdus în cuptorul 5.
Sursa de curent continuu S0, polarizeazå direct !onc¡iunea emitor-#azå a tranzistorului ; prin intermediul rezisten¡ei > 8 $,$=
(%gura @). ;ensiunea 7 dintre emitor ¿i #azå, este måsuratå de un voltmetru A de curent continuu (7/C;) iar curentul de colector este måsurat de un miliampermetru m6 de curent continuu (C6A"- 3@) .
6.Mo*u *% uc!u a) Pentru început se fac determinåri la temperatura camerei
(sursa S$ deconectatå). 5u poten¡iometrul P$ %at la minim, se alimenteazå sursa S0 de la re¡eaua de 00+A c.a.Pornirea sursei se face prin rotirea comutatorului notat cu DE7pF.
#) Se %eazå domeniile de måsurare ale voltmetrului (scala de $A c.c.) ¿i ale miliampermetrului (scala @m6 c.c.).Se cite¿te temperatura camerei ;+ la termometrul ;m.
c) Se variazå tensiunea 7 cu a!utorul poten¡iometrului sursei (notat cu D7F), în trepte de c1te +,+0A, încep1nd cu tensiunea de desc*idere a !onc¡iunii (aproimativ +,@A), p1nå la +,99A. (5itirea tensiunii 7 se va face pe voltmetrul 7/C; ¿i nu pe voltmetrul sursei S0).
3
d) Simultan cu valorile tensiunii se citesc valorile corespunzåtoare ale curentului de colector datele o#¡inute se trec  în ta#elul de mai !os&
7(A) /(6) ln/
e) Se pune în func¡iune redresorul S$ ¿i se %eazå poten¡iometrul P$ pe o pozi¡ie oarecare. Se a¿teaptå sta#ilizarea temperaturii un interval de c1teva minute. Se repetå determinårile de la punctele c) ¿i d) pentru încå douå valori diferite ale temperaturii ;$ ¿i ;0, citite la termometrul ;m.
7. I0*#c&3## p%0)!u p!%uc!&!%& *&)%o! %5p%!#(%0)&% a) Se traseazå printre puncte, dreptele ln/ 8 f(7) dreptele vor
% trasate cu sim#oluri diferite, pentru cele trei temperaturi ;+, ;$,¿i  ;0, pe acela¿i gra%c.
#) Se calculeazå pantele celor trei drepte. c) 4in rela¡ia (3) se determinå valorile constantei Boltzmann
pentru cele trei temperaturi se face media valorilor o#¡inute.
4