Лабораторная работа №8 по дисциплине «Физика-1»
|
Скачать 102.27 Kb.
|
| Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Факультет дистанционного обучения Кафедра «Промышленная электроника» Лабораторная работа № 8 по дисциплине «Физика-1» выполнена по методике Козырева А.В. «Общая Физика» Выполнил: студент ФДО ТУСУР специальности _____ ________ ________ г. ______ 20__г 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является исследование температурной зависимости обратного тока диода и определение ширины запрещенной зоны полупроводника. 2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА Экспериментальная установка состоит из нагревателя, в котором находится германиевый диод, термометра для измерения температуры и электрической схемы. Электрическая схема включения диода представлена на рис. 2.1. Она состоит из понижающего трансформатора Т, выпрямителя V1-V4 и микроамперметра P1 для измерения тока через исследуемый диод V5. Рисунок 2.1 - Электрическая схема экспериментальной установки. 3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ T + - 2В 220В А V1-V4 V5 P1 Ширина запрещенной зоны (ΔЕ ) является важнейшей характеристикой полупроводника, во многом определяющей область его применения. На рисунке 3.1 представлена зонная диаграмма собственного (т.е. чистого беспримесного) полупроводника, где показаны некоторые основные параметры, которыми оперирует зонная теория полупроводников. Рисунок 3.1 - Зонная диаграмма собственного полупроводника. Ес – энергия, соответствующая дну зоны проводимости; Еv – потолок валентной зоны; EF – уровень Ферми; Электропроводность (γ) собственных полупроводников возникает при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Вероятность перехода для невырожденных полупроводников и ΔЕ>>kT равна (3.1) где k – постоянная Больцмана, k =1,38 ×10-23 Дж/К; Т – абсолютная температура. Учитывая формулу (3.1) и тот факт, что EF в собственных полупроводниках лежит вблизи середины ΔЕ, получим, что , (3.2) Прологарифмировав (3.2) и произведя простейшие преобразования, получим: , (3.3) Измерив, зависимость γ собственного полупроводника от температуры и построив зависимость , по наклону прямой, выражающей эту зависимость, можно определить ΔE . В этом суть одного из наиболее распространенных методов определения ΔE собственного полупроводника. В результате внедрения (легирования) в собственный полупроводник примеси получается легированный полупроводник. Ширину запрещенной зоны полупроводника достаточно точно можно измерить, исследуя температурную зависимость обратного тока стандартного диода, изготовленного из легированного полупроводника. Определение ΔE таким способом и является целью данной работы. Рисунок3.1.1 - Зонные диаграммы легированных полупроводников при 0 К. Основой любого полупроводникового диода является p-n переход, p-n переход образуется при введении, например, с одной стороны кристалла полупроводника n – типа акцепторной примеси. Электронная (n-типа) проводимость образуется при введении в собственный полупроводник донорной примеси. Донорами являются атомы пятой группы таблицы Менделеева (например, P, As, Sb). Уровень энергии, соответствующей донорной примеси (Ed), лежит в запрещенной зоне «ниже» Ес на 0,01 эВ для германия и на 0,05 эВ для кремния (рисунок 3.1.1а). Поэтому уже при комнатных температурах все доноры будут ионизированы, т.е. «лишние» электроны атомов донорной примеси перейдут в зону проводимости. Концентрация электронов (ne) в зоне проводимости примерно равна концентрации атомов примеси. Электроны для полупроводника n-типа – основные носители заряда. Ионизированные атомы – доноры становятся положительными ионами. Положение уровня Ферми определяется температурой (Т) и концентрацией атомов донорной примеси (N2) , (3.2.1) где GC – плотность разрешенных состояний в зоне проводимости. Качественно зависимость положения EF от температуры для полупроводника n – типа показана на рисунке 3.2.2а. При 50% ионизации примесных атомов EF совпадает с Ed, при 100% ионизации EF расположен «ниже» Ed примерно на величину, равную EC – Ed, т.е. на 0,02 эВ для германия. Это состояние и соответствует примерно комнатным температурам. При увеличении температуры выше 40-500 С (для Ge) начинается интенсивный переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом концентрация электронов в зоне проводимости резко возрастает, но настолько же возрастает и концентрация дырок в валентной зоне. Когда EF достигнет середины запрещенной зоны, происходит компенсация типа проводимости – примесный полупроводник становится похожим на собственный: ne=np. Для Ge это происходит при T=1500 С. Рисунок 3.2.2 - Положение уровня Ферми в легированных полупроводниках в зависимости от температуры. Дырочная или проводимость р-типа образуется при введении в полупроводник акцепторной примеси. Акцепторная примесь – атомы трехвалентных элементов (например, Al, Zn, Ga). На зонной диаграмме уровень энергии акцепторов (EА) находится тоже внутри запрещенной зоны, но вблизи потолка валентной зоны. Для большинства акцепторов в Ge разность ЕA-ЕV=0,01 эВ. Вследствие малости этой энергии акцепторы при комнатных температурах будут все ионизированы, что соответствует переходу электронов из валентной зоны на акцепторный уровень (акцепторы при этом превращаются в отрицательные ионы). В валентной зоне образуются дырки, концентрация их равна примерно концентрации акцепторов: np=NA. Дырки являются основными носителями заряда для полупроводника p-типа. При комнатных температурах в зоне проводимости имеется небольшое число электронов, попавших туда из валентной зоны. Электроны для полупроводника р-типа – неосновные носители. Положение EF в полупроводнике р-типа изменяется в зависимости от температуры совершенно так же, как и в полупроводнике n-типа (рис 3.2.2б). И все остальные рассуждения, связанные с изменением положения EF, аналогичны приведенным выше для n-типа. Итак, независимо от типа проводимости германиевого полупроводника, при комнатных температурах интервал энергий EC-EF (для р-типа) всего на 0,02 эВ меньше ширины запрещенной зоны полупроводника ΔE . p-n – переход образуется при соединении полупроводников р- и n- типа. Вблизи границы контакта на длине свободного пробега электроны и дырки, встречаясь друг с другом, рекомбинируют. Оставшиеся не скомпенсированными ионы примеси (положительные в n – типе и отрицательные в р – типе) образуют область пространственного заряда, которая своим электрическим полем препятствует диффузии основных носителей: дырок из р – области, электронов из n – области. Зонная диаграмма p-n – перехода представлена на рисунке 3.2.3. Из нее хорошо видно, что существует энергетический барьер для перехода основных носителей через p-n – переход. Если приложить разность потенциалов: к n – области «минус», а к p - области «плюс» (т.е. включить диод в прямом направлении), то внешнее электрическое, направленное против электрического поля пространственного заряда, будет способствовать переходу основных носителей через барьер, через диод течет прямой ток. При включении диода в запорном направлении («плюс» к n – области) в дополнение к барьеру собственно p-n – перехода движению основных носителей будет препятствовать еще и внешнее электрическое поле. Но ничего не будет препятствовать движению неосновных носителей: дырок из n-области и электронов из p – области. Обратный ток p-n – перехода – это ток не основных носителей. Неосновные носители в легированных полупроводниках появляются лишь при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Вероятность такого перехода пропорциональна для p – области; для n – области ~ . Рисунок 3.2.3 - Зонная диаграмма p-n – перехода. Поскольку величины (EC-EV) и (EF –EV) в соответствующих областях мало отличаются от ΔE (для германия не более чем на 0,02 эВ), обратный ток диода (3.2.2) где I0=const для данного диода. Выражение (3.2.2) справедливо при резких p-n переходов при небольшом запирающем напряжение, когда генерацией носителей заряда в области перехода можно пренебречь. Из формулы (3.2.2) получим, что (3.2.3) Угловой коэффициент прямой, выражающей эту зависимость, . Из формулы (3.2.3) , откуда (3.2.4) Полученное значение ΔЕ будет занижено для Ge примерно на 0,02 эВ. 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ. Определение ширины запрещённой зоны полупроводника по температурной зависимости обратного тока диода Таблица 4.1 Оценка погрешностей Так как измерения однократные, то случайные погрешности определить нельзя и абсолютные погрешности измерения температуры s(T) и тока s(Jобр) равны приборным погрешностям термометра и амперметра соответственно. Термометр относится к приборам третьего типа (см. §4 на стр. 4 пособия [1]). Цена деления термометра равна 2 К, поэтому приборная погрешность – 1 К. Так как класс точности амперметра в работе не указывается, то считаем, что прибор цифровой. В журнале измерений видим, что значения токов сильно отличаются, следовательно, цифровой амперметр с изменяемой шкалой. Тогда для каждой группы измеряемых токов (в нижеследующей таблице выделены цветом) будет своя приборная погрешность равная единице в младшем разряде измеренных значений (см. §4 на стр. 4 п. [1]). Таблица 4.2 *Абсолютные погрешности косвенных измерений вычисляются по формулам из таблицы 7.1 на стр. 7 п. [1]. , где Построение графика В соответствии с §8 на стр. 8 п. [1] погрешности округлены до первой значащей (отличной от нуля) цифры. Результаты измерений округляются с точностью своих погрешностей. Заключительные вычисления Таблица 4.3 В Excel параметры построенной по заданным точкам прямой можно получить с помощью функции ЛИНЕЙН(), в которой реализован метод наименьших квадратов (МНК). Литература 1. Рипп А.Г. Оценка погрешностей измерений. Методические указания к лабораторному практикуму по курсу физики для студентов всех специальностей. – Томск: ФДО, ТУСУР, 2006. – 13 с. 5. ВЫВОДЫ В результате проделанной работы измерена температурная зависимость обратного тока диода и было определено в наличии линейной зависимости, так как можно в пределах погрешностей построить линеаризованный график в координатах ln Ia и 1/T . А так же определена ширина запрещенной зоны полупроводника. E = (587,7 ± 0,9) 10-3 эВ. . 6. ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Каков смысл понятий «валентная зона», «зона проводимости», «запрещенная зона»? 6.2. Что такое «дырка» с точки зрения зонной теории? 6.3. Каков физический смысл уровня Ферми? 6.4. Каким образом создается в полупроводниках р- или n –типа проводимость? 6.5. Объясните механизм электропроводности собственных и примесных полупроводников. 6.6. Нарисуйте зонные диаграммы полупроводников р-типа и n-типа. Зонную диаграмму p-n – перехода. Объясните их. 6.7. Чем обусловлен обратный ток полупроводникового диода? 6.8. Почему в данной работе исследуемый диод нужно включать в запорном направлении? 7. ПРИЛОЖЕНИЕ К работе прилагается регистрационный файл (*.REG). |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 |
Лабораторная работа №2 по дисциплине «Физика-1» Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Факультет дистанционного обучения |
|
Лабораторная работа №7 по дисциплине «Физика-1» Целью работы является изучение спектра излучения атомов водорода и экспериментальное определение постоянной Ридберга |
|
Лабораторная работа №6 по дисциплине «Физика-1» Целью данной работы является изучение дифракции Фраунгофера на щели и определение размеров щели дифракционным методом |
 |
Лабораторная работа № применение модели rgb в медицинской диагностике... Лабораторная работа № представление и смешение цветов с помощью модели rgb |
|
Рабочая программа по дисциплине «Физика» Цель дисциплины «Физика», направление подготовки «Техносферная безопасность» состоит в формировании систематизированных знаний, полученных... |
|
Лабораторная работа №1 Создание и отладка консольных приложений в интегрированной среде ms visual Studio. Net 2005 |
|
Лабораторная работа №2 Тема : Многомерная безусловная оптимизация... Цель работа: знакомство с методами многомерной безусловной оптимизации первого и нулевого порядка и их освоение, сравнение эффективности... |
|
Контрольная работа по дисциплине «Финансы» Контрольная работа по дисциплине «Финансы» для групп заочного обучения направление подготовки: 080100. 62 «Экономика», профиль подготовки... |
|
Базы данных лабораторная работа №3 «Извлечение информации из таблиц» Изучить что такое реляционная целостность бд и как она обеспечивается в sql server, как модифицировать данные в таблицах, как использовать... |
|
Контрольная работа по дисциплине «Финансовая математика» для групп... Общие требования по оформлению и содержанию контрольной работы дисциплине «Финансовая математика» |