Wyznaczanie stosunku e/kB oraz przerwy energii wzbronionej w półprzewodnikach

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z fizycznymi podstawami działania złącza p-n, podstawowego elementu wielu urządzeń półprzewodnikowych. Ćwiczenie polega na wykonaniu pomiarów zależności natężenia prądu płynącego przez złącze od przyłożonego napięcia (charakterystyk I(V)) dla różnych temperatur. Analiza otrzymanych charakterystyk pozwala na wyznaczenie stosunku e/kB i przerwy energii wzbronionych krzemu.

Zagadnienia teoretyczne:

  1. Podstawy teorii półprzewodników. Teoria pasmowa, przerwa energii wzbronionych.
  2. Półprzewodniki samoistne, półprzewodniki typu n i p. Przewodnictwo elektronowe i dziurowe. Donory i akceptory, prosta teoria energii wiązania elektronu na donorze i dziury na akceptorze. Złącze p-n, prądy nośników większościowych i mniejszościowych bez napięcia zewnętrznego. Zależność prądów płynących przez złącze p-n od przyłożonego do niego napięcia, charakterystyka prądowo-napięciowa, równanie diody. Zależność prądu nośników mniejszościowych od przerwy energii wzbronionych i temperatury.
  3. Wyznaczanie stosunku e/kB z charakterystyki tranzystora mocy.
  4. Wyznaczanie szerokości przerwy energii wzbronionych Si z charakterystyki tranzystora mocy.
  5. Graficzne przedstawienie wyników pomiarów z użyciem jednego z dostępnych komputerowych programów graficznych, dopasowanie krzywych teoretycznych do punktów doświadczalnych, dyskusja błędów.

Literatura

  1. Peter J. Collings, Simple measurement of the band gap in silicon and germanium, Am. J. Phys. 48, 197 (1980). (odbitka ksero)
  2. Fred W. Inman and Carl E. Miller, The Measurement of e/k in the Introductory Physics Laboratory, Am. J. Phys. 41, 349 (1973). (odbitka ksero)
  3. Ch. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN Warszawa 1976, lub nowe wydanie (biblioteka IF UMK).
  4. H. Ibach, H. Lüth, Fizyka ciała stałego, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa 1996, nowy podręcznik, są egzemplarze w bibilotece IF UMK i w biblioteczce II Pracowni Fizycznej.
  5. Kiriejew - Fizyka półprzewodników.
  6. Azaroff - Struktura i własności ciał stałych.
  7. W.A. Harrison - Teoria ciała stałego.
  8. Cydlikowski - Elektrony i dziury w półprzewodnikach.
  9. G. I. Jepifanow - Fizyczne podstawy mikroelektroniki.
  10. J. M. Ziman - Wstęp do teorii ciała stalego.

Układ pomiarowy:

[Układ pomiarowy]

W skład układu pomiarowego pokazanego na rysunku wchodzą zasilacz, dzielnik napięcia, woltomierz i amperomierz. Tranzystor mocy umieszczamy w kalorymetrze z termometrem.


Wykonanie ćwiczenia:

  1. Mierzymy charakterystykę prądowo-napięciową I(U) w kierunku przewodzenia w temperaturze pokojowej (sprawdzamy i notujemy dokładną temperaturę).
  2. Sprawdzamy poprawność wyników wykreślając charakterystykę I(U) (log naturalny z natężenia prądu w funkcji przyłożonego napięcia). Dobra liniowość charakterystyki, brak skoków, punktów silnie odstających od prostej, świadczą o poprawności pomiaru.
  3. Powtarzamy pomiar dla kilku innych temperatur stosując odpowiednie mieszaniny. Niskie temperatury otrzymujemy używając mieszaniny lodu z solą i wody z lodem. Dla osiągnięcia wyższych temperatur stosujemy gorącą wodę (zachować ostrożność!!!). Wybieramy kilka temperatur z zakresu 30-70°C, po osiągnięciu danej temperatury (możemy obniżać temperaturę np. dodając zimnej wody), opóźniamy dalsze obniżanie temperatury wskutek stygnięcia do czasu wykonania pomiaru charakterystyki podgrzewając naczynie z wodą na piecyku elektrycznym.

Opracowanie wyników:

  1. 1. Wprowadzamy otrzymane wyniki pomiarów do pliku (Excel, Grapher,Origin lub SigmaPlot) i wykreślamy je, odpowiednio dobierając osie (log naturalny z natężenia prądu na osi Y, napięcie na osi Y)
  2. Wykonujemy dopasowanie prostą (y = ax + b) i odczytujemy wartości a i b (z błędami).
  3. Wykonujemy wykres współczynnika a w funkcji odwrotności temperatury i dopasowujemy prostą (y = ax, bez współczynnika b). Odczytujemy nachylenie prostej (będzie to szukany stosunek e/kB)
  4. Wykonujemy wykres współczynnika b w funkcji odwrotności temperatury i dopasowujemy prostą (y = ax + b). Współczynnik kierunkowy prostej, po przeliczeniu, wyznaczy przerwę energii wzbronionej materiału półprzewodnikowego, z którego wykonano badany tranzystor mocy.

Stara wersja tej strony