Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

Температурную зависимость

(

)

TfR

удобно представлять в координа-

тах

TR 1,ln

. Для этого прологарифмируем выражение (1):

lnln

+= . (2)

График зависимости

(

)

TfR 1ln

, представленный на рис. 2, имеет вид

прямой, наклон которой определяется шириной запрещенной зоны ΔЕ полупро-

водника.

Измеряя экспериментально значения R при различных значениях Т, мож-

но, используя соотношение (2), определить ширину запрещенной зоны:

lnln

−

=Δ . (3)

Изменение сопротивления резистора с изменением температуры характе-

ризуют температурным коэффициентом сопротивления. Температурный коэф-

фициент сопротивления – это величина, численно равная относительному из-

менению сопротивления проводника при изменении его температуры на 1 K:

⋅=α

. (4)

Для собственных полупроводников из (1) и (4) следует:

−=α

. (5)

Из (5) следует, что для собственных полупроводников и убывает

по модулю с возрастанием температуры.

0<α

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры положена

в основу работы многих технических устройств. Полупроводниковый прибор, в

котором используется зависимость электрического сопротивления от темпера-

туры, называется термистором (терморезистором, термосопротивлением).

Главные параметры термисторов – диапазон рабочих температур и температур-

ный коэффициент сопротивления. Различают термисторы с отрицательным

температурным коэффициентом сопротивления и с положительным коэффици-

ентом сопротивления (позисторы). Диапазон рабочих температур большинства

термисторов лежит в пределах 200÷400 K.

Для изготовления термисторов используют смеси окислов металлов, гер-

маний, кремний, карбид кремния, синтетический алмаз, твердые растворы на

основе титаната бария (легированные лантаном, церием, висмутом), органиче-

ские полупроводники и т. д. Термисторы выпускают в виде стержней, трубок,

дисков, шайб, бусинок. Размеры их варьируют от нескольких микрометров до

нескольких сантиметров. Термисторы применяются для регистрации изменения

температуры в системах дистанционного измерения и регулирования темпера-

311

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

туры, противопожарной сигнализации и теплового контроля, температурной

компенсации различных элементов электрической цепи, измерения скорости

движения жидкостей и газов, измерения вакуума, мощности и др.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из нагревателя, внутрь которого

помещены исследуемые полупроводники; термометра для измерения темпера-

туры и прибора для измерения сопротивления (моста сопротивлений).

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Каким прибором Вы будете измерять сопротивление?

Какие графики нужно построить по результатам работы? Схематично нари-

суйте вид этих графиков (по теории).

Запишите формулы, по которым рассчитываются ширина запрещенной зоны

и температурный коэффициент сопротивления. Поясните смысл обозначе-

ний.

Выполнение работы

1. Ознакомиться с правилами измерения сопротивлений мостом (инструкция

на рабочем месте).

Записать показание термометра, соответствующее начальной температуре

измерений.

Измерить мостом сопротивления первого и второго термисторов при этой

температуре.

Включить нагреватель, установив на ЛАТРе напряжение 170-180 В.

Через каждые 5-7°С поочередно измерять сопротивления термисторов, пере-

кидывая двухполюсный переключатель. Нагрев производить до 80°С.

Оформление отчета

1. Расчеты

Для каждого значения температуры t рассчитать 273

и найти

Построить графики зависимости R = f(t) для исследуемых полупроводников

на одной координатной плоскости.

Построить графики зависимости

(

)

TfR 1ln

для исследуемых полупровод-

ников.

По формуле (3) рассчитать ширину запрещенной зоны ΔЕ для каждого по-

лупроводника. Значения и , а также соответствующие им величи-

ны

ln R

1 T

определить из графиков

(

)

TfR 1ln

(образец см. на рис. 2).

312

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

Значение ширины запрещенной зоны выразить в электронвольтах (эВ).

(1 эВ=1,6⋅10

−19

Дж).

По формуле (5) рассчитать для каждого полупроводника температурные ко-

эффициенты сопротивления

для начальной и конечной температур.

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Какие вещества относятся к полупроводникам?

Как зависит электрическое сопротивление полупроводников от температу-

ры? Запишите формулу. Поясните смысл обозначений.

Сравните полученные экспериментально графики с теоретическими зависи-

мостями. Сделайте вывод.

Сравните зависимость сопротивления от температуры полупроводников и

металлов.

313

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 105

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Термистор 1

t, °C

R, Ом

T, K

, K

−1

Термистор 2

t, °C

R, Ом

T, K

, K

−1

Дата________ Подпись преподавателя___________________

314

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

Лабораторная работа № 106

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы − снять вольтамперные характеристики германиевого и се-

ленового диодов, рассчитать коэффициенты выпрямления диодов.

Приборы и принадлежности: селеновый и германиевый диоды, миллиам-

перметр, микроамперметр, вольтметр, потенциометр, переключатель, источник

тока.

Общие положения

В полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводни-

ки. Примесные полупроводники делятся на электронные и дырочные. В элек-

тронном полупроводнике (или полупроводнике n-типа) основными носителями

тока являются электроны. Они появляются при ионизации атомов примеси. Та-

кие примеси называются донорными. Кроме того, в таком полупроводнике

имеется небольшое число неосновных носителей – дырок.

В дырочном полупроводнике (или полупроводнике р-типа) основными

носителями заряда являются дырки. Дырка – это квазичастица, которой припи-

сывают единичный положительный заряд. Она возникает при нарушении кова-

лентных связей в атоме кристалла полупроводника, когда какой-либо валент-

ный электрон одного из атомов покидает свое место. Также она может образо-

ваться, если у атома примеси не хватает одного электрона для образования ко-

валентной связи с атомом основного вещества. Такие примеси носят названия

акцепторных. В таком полупроводнике также имеется небольшое число неос-

новных носителей – электронов.

Для изготовления p-n-перехода используют монокристалл чистого полу-

проводника (германия или кремния). Одну часть объема легируют донорной

примесью, при этом она приобретает электронный тип проводимости. Другая

часть объема легируется акцепторной примесью, эта часть объема приобретает

дырочный тип проводимости. Процесс осуществляется в вакууме или в атмо-

сфере инертного газа. Область монокристаллического полупроводника, в кото-

рой происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наобо-

рот) называется электронно – дырочным переходом (или p-n-переходом). Эти

переходы являются основой работы многих полупроводниковых приборов.

Рассмотрим, какие явления наблюдаются на границе, разделяющей об-

ласти с разными типами проводимости. Электроны и дырки диффундируют че-

рез граничный слой во встречных направлениях Электроны, перешедшие в р-

область, будут рекомбинировать с дырками. В результате этого в приграничной

части р-области атомы акцепторной примеси превращаются в отрицательно за-

ряженные неподвижные ионы. В свою очередь, уход электронов из n-области

приводит к появлению в приграничной части n-области положительно заря-

женных неподвижных ионов донороной примеси. Число носителей заряда в

граничном слое уменьшается, а сопротивление слоя резко возрастает.

315

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

Возникший на границе между p и n областями двойной электрический

слой толщиной l

, (рис. 1) называется запирающим. Этот слой состоит из отри-

цательных ионов акцепторной примеси, заряд ко-

торых теперь не компенсируется дырками, и по-

ложительных ионов донорной примеси, заряд ко-

торой не компенсируется электронами. В запи-

рающем слое создается контактное электрическое

поле, препятствующее дальнейшему движению

основных носителей.

Подадим на p-n-переход внешнее напряже-

ние такого направления, чтобы плюс был подключен к p области, а минус – к n-

области (рис. 2). Такое

включение называется

прямым. Если поменять

полярность подключе-

ния, т.е. приложить к p-

n-переходу напряжение

такого направления, что-

бы плюс был подключен

к n-области, а минус – к

p-облас

ти (рис. 3), то та-

носители к границе между облас

рямой, т.е. омической (см. пра-

вую в

ла U

пр

, после чего наступает пробой, анало-

кое включение называется обратным.

На рис. 4 представлена вольт-амперная характеристика p-n-перехода.

Возникающее при прямом включении электрическое поле поджимает основные

тями, вследствие чего ширина запирающего

слоя уменьшается (l

). Соответственно

уменьшается и сопротивление перехода,

причем тем сильнее, чем больше напряже-

ние. Поэтому вольт-амперная характеристика

не является п

етвь рис. 4).

При обратном включении электриче-

ское поле оттягивает основные носители от

границы между областями (l

), что увели-

чивает сопротивления перехода. Небольшой

обратный ток

обусловлен неосновными

носителями (см. левую ветвь рис. 4). Заме-

тим, что p-n-переход может выдерживать об-

ратное напряжение до определенного преде-

гичный пробою диэлектрика.

Из сказанного выше следует, что p-n-переход обладает свойством одно-

сторонней проводимости. Способность p-n перехода пропускать ток в одном

направлении и не пропускать или почти не пропускать его в противоположном

Рисунок 4

Рисунок 3

Рисунок 2

+ + +

Рисунок 1

316

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

направлении используется в приборах, называемыми

диодами. Это свойство диода характеризует

полупроводниковыми

ся коэффициентом выпрямления

обр

пр

=α

(1)

т.е. отношением прямого

пр

I и обратного

обр

I токов, измеренных при одинако-

вых по величине прямом и об

ратном напряжении. Обычно коэффициент вы-

ный срок службы, высокая механическая прочность, высокий ко-

эффициент полезно их параметров от

темпе

й диод.

Переключателем

SA1 изменяют направление тока, текущего через диод. Пря-

мой

готовка к работе

)

2. едственно?

рии).

. Запишите формулу, по которой рассчитывается коэффициент выпрямления

диода. Поясните смысл обозначений.

прямления составляет величину в несколько сотен единиц, но может достигать

и больших значений (10

÷10

Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и

масса, длитель

го действия, а недостатком – зависимость

ратуры.

Описание экспериментальной установки.

Схема установки для снятия вольтамперных характеристик изображена

на рис. 5. Напряжение от источника постоянного тока через делители напряже-

ния

R1 и R2 поступает на исследуемый диод. В зависимости от положения пе-

реключателя

SA2 оно подастся либо на германиевый, либо на селеновы

ток измеряют миллиамперметром, обратный − микроамперметром.

Рисунок 5

Под

(ответы представить в письменном виде

В чем состоит цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непоср

Какие графики нужно построить по результатам работы? Схематично нари-

суйте ожидаемый вид графика (по тео

317

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

Выполнение работы

дключением источника

дены.

отсчетов напряжения и соответст-

6. ряжение". Аналогично

ь 8-10 отсче-

7. оставить в положение "селеновый диод".

. Снять данные для вольтамперной характеристики селенового диода в соот-

ветствии с пп 4, 5, 6.

Офо ета

апряжения.

2. Рассчитать для каждого диода коэффициенты выпрямления по формуле (1)

при двух различных напряж

редставить в письменном виде)

ами

n-типа, а какие по-

2. ?

д бу-

4. роводникового диода.

. Сравните экспериментально полученные вольт-амперные характеристики с

предполагаемым результатом. Сделайте вывод.

1. Ознакомиться со схемой установки (рис. 5). Перед по

постоянного тока оба потенциометра должны быть полностью вве

2. Определить цены деления измерительных приборов.

3. Переключатель

SA2 поставить в положение "германиевый диод".

Переключатель

SA1 поставить в положение "прямое напряжение".

Увеличивая напряжение с постоянным шагом снять зависимость силы пря-

мого тока от напряжения (сделать 8-10

вующих значений тока). Предельно допустимое значение напряжения указа-

о на установке. Его нельзя превышать!

Ключ

SA1 поставить в положение "обратное нап

снять зависимость силы обратного тока от напряжения (сделат

тов напряжения и соответствующих значений тока).

Переключатель

SA2 п

рмление отч

1. Расчеты

1. Построить вольтамперные характеристики селенового и германиевого дио-

дов, т.е. зависимость силы тока от н

ениях.

2. Защита работы

(

ответы п

1. Какие полупроводники называются полупроводник

лупроводниками

p-типа?

Что называется электронно-дырочным переходом

3. При какой полярности внешнего электрического поля через

p-n перехо

дет протекать прямой ток, при какой обратный?

Объясните одностороннюю проводимость полуп

318

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

Выполнил(а)_______

Опр

№

п/п

Прибор

Пред ния

с указанием единицы

измерения

ний на шка-

ле прибора

с указанием

единицы изме-

рения

измерений к лабораторной работе № 106

______________ Группа__________________

еделение цены деления

ел подключе

приборов

Число деле-

Цена деления

1 Вольтметр

2 Миллиамперметр

3 Микроамперметр

Германиевый иод Селеновый диод

№

/п

пр

, В I

пр

, мА U

обр

, В

обр

,μА

пр

, В I

пр

, мА U

обр

, В

обр

,μА

Дата________ Подпись преподавателя___________________

319

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

Лабораторная работа 107

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ ПОЛУПРОВОДНИКА

ПО ФОТОЭМИССИИ

Цель работы – получить с помощью дифракционного монохроматора

профиль эмиссионной линии излучения полупроводникового лазера и свето-

диода. Рассчитать ширину запрещенной зоны эмиссионного участка полупро-

водника и светодиода.

Приборы и принадлежности: дифракционный монохроматор МУМ-1, ин-

жекционный полупроводниковый лазер, светодиоды.

Общие положения

Светоизлучающий диод (светодиод) – полупроводниковый прибор, пре-

образующий электрическую энергию в энергию оптического диапазона. Его ра-

бота основана на явлении инжекционной электролюминесценции, происходя-

щей в полупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом. Из-

лучение светодиодов некогерентно.

Инжекцией носителей заряда называется введение носителей заряда через

пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в об-

ласть, где эти носители являются неосновными.

Принцип работы светодиодов заключается в следующем. Если концен-

трация электронов в n-области больше, чем концентрация дырок в p-области

т.е. , то при прямом напряжении происходит инжекция электронов из

области в

p-область. Инжектированные электроны

рекомбинируют с основными носителями, в данном

случае с дырками

p-области. Рекомбинирующие

электроны переходят с более высоких энергетиче-

ских уровней зоны проводимости, близких к ее

нижней границе, на более низкие уровни, располо-

женные вблизи верхней границы валентной зоны

(рис. 1). При этом выделяется фотон, энергия кото-

рого почти равна ширине запрещенной зоны

pn >

Рис. 1. Излучение

при рекомбинации

Δ , т.е.

Δ≈

=ν . (1)

где h – постоянная Планка, с – скорость света, λ

– длина волны, при которой

интенсивность излучения максимальна.

Германий и кремний не используются в светодиодах, так как у них шири-

на запрещенной зоны слишком мала. Для современных светодиодов применяют

главным образом фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC, а также некоторые

тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия,

алюминия и мышьяка (GaAlAs) или галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP) и дру-

320