15

Уральский Государственный Технический Университет

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И P‑N ПЕРЕХОДА

Екатеринбург, 2000 г.

Лабораторная работа № 1. Исследование температурной зависимости электро сопротивления, определение ширины запрещенной зоны и измерение вольт-ампермерных характеристик p-n перехода полупроводников.

1. Цель работы.

1.1. Ознакомиться с методами изучения электрических свойств кристаллических полупроводников.

1.2. Изучить свойства p-n перехода и принцип действия полупроводникового диода.

1.3. Выработать практические навыки эксплуатации электронно-измерительных приборов.

1.4. Освоить методы обработки экспериментальных данных.

2. Описание лабораторной установки.

Схема экспериментальной установки для исследования полупроводников представлена на рис.1. Она содержит схему измерения сопротивления, схему для измерения температуры, состоящую из термопары и вольтметра для измерения термо-ЭДС ( _ТЭДС) и схему для нагрева образца по заданной температуре, состоящую из печи и автотрансформатора ЛАТР для плавного изменения тока в печи

.

Схема экспериментальной установки для исследования электро сопротивления металлов и полупроводников.

Рисунок 1.

И спользуемый в работе метод определения температуры образца основан на измерении термо-ЭДС, возникающей между двумя спаями разнородных металлов (А и В), которые находятся при различных температурах. Термо-ЭДС цепи, составленной из нескольких однородных различных проводников, является функцией только температуры спаев и не зависит от градиентов температуры вдоль проводников. С законом однородной цепи связано применение наиболее распространенной схемы измерения температуры термопары, при которой один из спаев (“свободные концы”) поддерживается при постоянной температуре, а другой спай находится при измеряемой температуре (рис.2).

Принципиальная схема термопары, используемой в работе для измерения температуры образца.

Рисунок 2.

Зависимость термо-ЭДС от температуры в общем случае является нелинейной и зависящей от материалов проводов спая. Поэтому для каждого типа термопарных спаев предварительно производится градуировка завимсимости термо-ЭДС от температуры. Обычно градуировочный график для данной термопары приводится при условии, что температура холодных концов равна нулю по Цельсию. Поэтому при измерениях необходимо учитывать истинную температуру холодных спаев равную комнатной температуре. Для правильного вычисления истинной температуры образца (Т_обр) необходимо по графику (или по таблице ) (рис.3) определить значение ЭДС , соответствующее данной комнатной температуре, прибавить к нему измеренную термо-ЭДС ? и тогда полученное значение с помощью графика или таблицы дает возможность определить истинную температуру образца.

Схематическое изображение зависимости термо-ЭДС, возникающей в термопаре, от температуры.

. Рисунок 3

А вольтамперная характеристика p-n-перехода измеряется в данной работе с использованием испытателя маломощных транзисторов и диодов Л2-54, принципиальная электрическая схема которого показана на рис.4.

Принципиальная электрическая схема экспереминтальной установки для исследования вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов.

Рисунок 4.

С помощью переключателя К на полупроводниковый диод Д подается напряжение от источника питания в прямом и обратном направлениях (в зависимости от положения клемм ключа К). Подаваемое на диод напряжение изменяется потенциометром R и измеряется вольтметром V. Ток через диод измеряется амперметром А.

3. Программа работы.

3.1. Экспериментальная часть.

3.1.1. Измерить электро сопротивление полупроводника и металла в зависимости от температуры.

3.1.2. Снять вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого полупроводниковых диодов при комнатной температуре и зависимость обратного тока диодов от температуры при постоянном значении обратного напряжения V_обр.

3.2. Расчетная часть.

3.2.1. Определить значение ширины запрещенной зоны полупроводника.

4. Методические указания.

4.1. Измерение термосопротивления полупроводника и металла.

4.1.1. Соберите схему (рис.1) и включите ЛАТР в сеть, установив напряжение нагрузки ~ 50V. Для определения значения термо-ЭДС установите переключатель рода измерений (П1) в положение “ “, переключатель диапазонов (П2) – в положение “10 mV”.

4.1.2. Используя градуировочный график для термопары ,установите значение , соответствующие С и проведите измерение электросопротивления образца, установив “П1” в положение “P”, а “П2” – 1000

4.1.3. В процессе нагревания печи проведите последовательное измерение электро сопротивления при десяти значениях термо-ЭДС , соответствующий диапазону С.

4.1.4. Перевести ручку переключателя трансформатора в положение 0 и отключить трансформатор от сети.

4.1.5. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Rп/п, кОм
Rме, кОм

4.2. Измерение вольтамперных характеристик p-n перехода.

4.2.1. Подготовка к проведению измерений.

После включения прибора Л2-77 убедиться в его нормальном функционировании путем проверки действия основных органов управления и индикации в последовательности, приведенной ниже:

А). Нажать кнопки ДИОД, ТРАНЗ “К, ,” прибора и нажать кнопку “10” переключателя ‘ I_f, mA, U_т, U_cb,V “ прибора.

В). Закрыть крышку адаптера, нажать кнопку “ПУСК” прибора, и при этом индикатор прибора должен показать от 9.2 до 10.2 В.

С). Отпустить кнопку “ПУСК”, нажать кнопку “ 10” переключателя, ‘ I_f, mA, U_т, U_cb,V “ нажать кнопку “ПУСК” прибора, и при этом индикатор прибора должен показывать от 92 до 102 В.

D). Поставить все кнопки переключателей прибора в нажатые положения.

Е). Прибор готов к проведению измерений через 5 минут.

F). При проведении измерений отчет параметра необходимо проводить после 5 секунд с момента нажатия кнопки “ПУСК”. После отсчета необходимо кнопку “ПУСК” отпустить. В случае несоблюдения этого требования нарушается тепловой режим исследуемого полупроводникового прибора и не обеспечивается точность измерения параметра.

G). Диод подключается к контактной группе “2” адаметра с соблюдением полярности.

4.2.2. Измерение прямого напряжения диода.

1. Установить прямой ток, протекающий через диод при измерении прямого напряжения диода, нажатием кнопок “5”, “10”, “20”, “ 10” переключателя “ I_f, mA, U_т, U_cb,V “ прибора. При этом кнопка “40” незадействована, а нажатие двух или нескольких кнопок означает установку прямого тока диода, равного сумме значений нажатых кнопок. Диапазон прямого тока I_пр для Д9 0-80 мА, для Д503 0-20мА.

2. Нажать кнопки ДИОД, ТРАНЗ и “ U_f,I_r “ прибора.

3. Нажать кнопку ПУСК прибора и отсчитать показания индикатора прибора и единицу измерения прямого напряжения диода.

4. Поставить все кнопки переключателей прибора в не нажатые положения.

5.

4.2.3. Измерение обратного тока диода.

1. Установить режим измерения обратного тока диода нажатием кнопок “5”, “10”, “20”, “40”, “ 10 “, переключателя “ I_f, mA, U_т, U_cb,V “ прибора. При этом нажатие двух или нескольких кнопок этого переключателя означает установку обратного напряжения диода, равного сумме нажатых кнопок. Диапазон обратного напряжения V_обр для Д9 0-20В, для Д503 0-70В.

2. Нажать кнопку ДИОД, ТРАНЗ прибора, закрыть крышку адаптера, нажать кнопку ПУСК прибора и отсчитать показания индикатора прибора и единицу измерения обратного тока диода.

3. Поставить все кнопки переключателей прибора в не нажатые положения.

Таблица 2

Диод	№	Iпр	Vпр	Iобр	Vобр
Д9	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9
	10
Д503	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9
	10

4.Результаты измерений занести в таблицу 2.

4.2.4. Измерение температурной зависимости обратного тока диода с постоянным обратным напряжением.

1. Задать значение V_обр равное 40В.

2. Включить трансформатор в сеть и установить значение равное 50В.

3. Начиная с напряжения 0.2 mV (значение термо-ЭДС) по шкале вольтметра В7-35 провести измерения обратного тока (см.п.4.2.3.) до значения термо-ЭДС 1mV для Д13 и 20mV для Д220Б.

4. Результаты измерений занеси в таблицу 3.

Таблица 3

Диод	№	Vобр			Iобр
Д13	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9
	10
Д220Б	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9
	10

4.3 Окончание измерений.

4.3.1. Перевести ручку переключателя трансформатора в положение 0 и отключить трансформатор от сети.

4.3.2. Выключить вольтметр В7-35 и отключить от сети.

3. Выключить прибор Л2-77 и отключить от сети.

5. Содержание отчета.

5.1. Отчет по работе оформляется в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТП УПИ 1-85.

5.2. Структура отчета.

НАЗВАНИЕ И ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

А). Описание экспериментальной установки.

Б). Методика проведения измерений.

В). Таблица результатов измерений (ГОСТ 2.105-81).

Г). Экспериментально снятые зависимости, представленные графически (ГОСТ 2.319-81):вольтамперные характеристики диодов, температурная зависимость обратного тока диодов, температурная зависимость проводимости полупроводника и металла в полулогарифмических координатах.

Д). Расчет запрещенной зоны полупроводника.

Е). Анализ результатов измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.

6. Контрольные вопросы.

6.1. В чем состоит принципиальное различие между металлами и полупроводниками?

6.2. Основные положения классической теории электропроводности металлов.

6.3. Физический смысл энергии активации проводимости полупроводников.

6.4. Модельные представления о проводимости полупроводников. Понятие дырки.

6.5. Дайте определение p-n перехода.

6.6. Чем обусловлен диффузионный ток через p-n переход?

6.7. Изобразите вольтамперную характеристику полупроводникового диода и объясните, что с ней произойдет при увеличении температуры p-n перехода (уменьшении температуры).

6.8. Как изменяется обратный ток при возрастании температуры?

6.9. Объясните принцип использования термопар для измерения температуры.

7. Пояснение к работе.

7.1. Представления о проводимости полупроводников. Понятие дырки.

Основные модельные представления о полупроводниках сводятся к следующему:

1. К полупроводникам относятся вещества, проводимость которых в сильной степени зависит от состава, структуры кристалла и внешних условий. Проводимость полупроводников возрастает при сообщении им Энергии нагревом, освещением, облучением, она зависит от давления, внешних электрических и магнитных полей. В обычных условиях удельная электрическая проводимость полупроводников лежит в интервале от до сим .

2. В полупроводниках существует два типа проводимости: носителями зарядов являются электроны или свободные дырки. Дырочная проводимость есть проводимость, создаваемая движением связанных электронов по связям.

3. В чистом полупроводнике число дырок равно числу электронов, такой полупроводник называется собственным. Примесь, поставляющую свободные электроны, называют донорной; примесь поставляющую свободные дырки, называют акцепторной.

7.2. Температурная зависимость электро сопротивления полупроводника и определение Е.

В теории твердого тела связь концентраций электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне задается выражением

,

где ,

Удельная электропроводность связана с концентрацией и подвижностью носителей следующим образом:

Подставляя в (2) из (1) получим:

Измеряя удельную проводимость как функцию температуры и, изобразив ее в виде

можно увидеть, что график должен иметь вид прямой линии с наклоном . Наклон прямой (4) позволяет, таким образом, определить ширину запрещенной зоны .

3. p-n переход в равновесном состоянии.

Для создания p-n перехода в пластину полупроводника вводят донорную и акцепторную примеси таким образом, чтобы возникающие при этом области с разным типом проводимости граничили друг с другом. Характер границы между этими областями определяет физические свойства p-n перехода. Для упрощения рассмотрения процессов, происходящих в такой системе, допустим, что эти части полупроводника только что приведены в соприкосновение. Тогда сразу начнется переход электронов из полупроводника n-типа, где их избыток, в полупроводник p-типа, где их недостаток. Перемещение дырок будет происходить в обратном направлении. Процесс диффузии дырок и электронов происходил до полного выравнивания их концентраций, если бы они не переносили зарядов. Однако, электроны, переходящие из n-области в p-область переносят отрицательный заряд и заряжают n-область положительно. Диффузия дырок в противоположном направлении также заряжает p-область отрицательно, а n-область положительно. В результате этого между p- и n-областями возникает контактная разность потенциалов (порядка одного вольта). Напряженность (Е), существующего ей электрического поля направлена от n-области к p-области. Толщина контактного слоя обычно имеет порядок м.

Возникающее электрическое поле препятствует диффузии основных носителей зарядов из одной области в другую. Поэтому по мере увеличения плотности зарядов в контактном слое диффузионный ток основных носителей уменьшается, а затем почти совсем прекращается. Для основных носителей контактный слой является запрещенным. В переходной области подвижные носители зарядов удержаться не могут. Обедненный подвижными зарядами переходный слой обладает очень большим удельным сопротивлением, в то время как сопротивление остальных частей кристалла мало.

Для не основных же носителей зарядов (электронов в p-области и дырок в n-области) контактное поле является ускоряющим. Те не основные носители, которые оказываются в зоне перехода, под действием поля свободного перехода через границу, образуют, ток не основных носителей (рис.5)

Схематическое изображение p-n перехода полупроводника в статическом состоянии.

Рисунок5.

Однако некоторые основные носители заряда в обеих областях обладают энергией, достаточной для определения потенциального барьера. Эти носители диффундируют через границу полупроводников; образуя ток основных носителей . направленный на встречу току не основных носителей. В результате устанавливается динамическое равновесие, при котором I_н=I₀ .