. (9.4)

Прологарифмировав уравнение (9.4), получим:

.

Полученная зависимость lnR от 1/Т является линейной, и график зависимости lnR от обратной температуры T^–1 будет представлять собой некоторую прямую, угловой коэффициент которой пропорционален энергии активации соответствующего участка температурной зависимости. Следовательно, найдя из графика угловой коэффициент, можно вычислить энергию активации.

. (9.5)

9.4. Используемое оборудование

«Модуль питания», модуль «Магнитомягкие материалы и тепловой коэффициент сопротивления / емкости», модуль «Мультиметры», «Из­меритель RLC», минимодуль «ТКС полупроводников», соединительные провод­ники.

9.5. Задание на выполнение лабораторной работы

1. На основании экспериментальных данных построить графики зависимости lnR(1/T) для исследуемых образцов.

2. По графикам определить темпе­ратурные коэффициенты сопротивления ТК_R.

3. Вычислить энергию активации полупроводников для исследуемых образцов.

9.6. Программа работы

1. Прочитать методические указания по подготовке и проведению лабораторной работы.

2. Получить у преподавателя вариант задания исходных данных к работе.

3. При ознакомлении с рабочим местом проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводников (в случае отсутствия какого-либо ком­плектующего элемента типового комплекта необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю или техническому персоналу);

4. Перед сборкой цепи проверить, чтобы все приборы на рабочем столе бы­ли выключены;

5. Изучить теоретический материал достаточный для выполнения лабора­торной работы. Ответить на контрольные вопросы и получить у преподавателя допуск к проведению лабораторной работы.

6. Согласно рис. 9.2 выполнить электрические соединения модулей. Монтаж схемы производить при отключенном питании.

В качестве источника питания для нагрева использовать нерегулируемый выход модуля питания «15В».

Установить минимодуль «Полупроводники» в соответствующие гнезда мо­дуля «Магнитомягкие материалы и тепловой коэффициент сопротивления / емко­сти» (минимодуль выделен пунктирной линией), располагать его так, как указано на рис. 9.2.

В качестве омметра PR использовать RLC-метр, выбрать режим измерения сопротивления, нажимая кнопку L/C/R; диапазон измерения выбирается автома­тически при измерении.

В качестве термометра Р1 использовать мультиметр 1 (далее мультиметр Р1). Установить режим измерения температуры «°С».

После проверки правильности соединений схемы преподавателем или лабо­рантом, подать напряжение питания на комплект включением автоматического выключателя и УЗО «Модуля питания». Включить мультиметры. Если термопара не соединена с гнездами мультиметра Р1 на его индикаторе будет отображена комнатная температура. Подключить термопару к входу «ТЕМР» мультиметра и, если показания температуры ниже комнатной, изменить полярность подключения (перевернуть вилку термопары).

---

Рисунок 9.2. Схема электрическая соединений типового комплекта для измерения ТКС полупроводников

7. Для измерения сопротивления первого полупроводника переключить тумблер SA1 в верхнее положение, для измерения сопротивления второго полу­проводника - в нижнее. Полученные значения заносить в табл. 9.1.

Таблица 9.1

№ п.п.	Температура. °С	Сопротивление полупроводников R, Ом
		Нагревание		Охлаждение			Среднее сопротив­ление <R>
		1	2	1	2		1	2
	20
	25
	…
	100°

8. Наблюдать за показаниями термометра и омметра, и через каждые 5 °С одновременно заносить значения сопротивлений полупроводников и температу­ры в табл. 9.1. Для переключения между проводниками использовать тумблер SAL Измерения проводить до 100°С. НЕ ДОПУСКАЕТСЯ НАГРЕВАТЬ ОБ­РАЗЦЫ ВЫШЕ 100°С.

9. Отключить питание и провести измерения в тех же температурных точ­ках при охлаждении образцов. Полученные значения заносить в табл. 9.1. Так как охлаждение ниже 40 °С происходит медленно, допускается не охлаждать ни­же 30 – 40 °С (по указанию преподавателя).

10. После оформления отчета и проверки результатов преподавателем необ­ходимо разобрать схему, предоставить комплекс в полной комплектности и ис­правности преподавателю или лаборанту.

11. По данным опыта (табл. 9.1.) построить графики зависимостей <R_l>(t), <R₄>(t). Точку пересечения осей графика выбирать таким образом, чтобы кривая графика занимала максимальную область построения.

12. По результатам измерения (табл. 9.1.) вычислить абсолютную темпе­ратуру Т, обратную температуру T^–1 и ln(R) для каждого образца, заносить полу­ченные значения в табл. 9.2.

Т = t + 273,

где t - температура в °С.

Таблица 9.2

№ опыта	Т, К	T1, K-1	ln(R1)	ln(R2)
1
2
…

13. Построить графики зависимости lnR₁(T^–1), lnR₂(T^–1) и найти ко-эффициент ₂, как тангенс угла наклона графика. Вычислить энергию активации полупроводников в джоулях по (9.5).

14. Сделать обобщающий вывод о характере температурной зависимости сопротивления полупроводников. Сопоставить полученные результаты с теоре­тическими.

15. После оформления отчета и проверки результатов преподавателем не­обходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправно­сти преподавателю или лаборанту.

9.7. Содержание отчета

1. Название работы. Цель работы.

2. Используемое оборудование и схемы электрических соединений.

3. Результаты измерений.

4. Результаты расчётов и построенные опытные зависимости (графики).

---

5. Краткие выводы по каждой работе, анализ полученных результатов:

– сравнение опытных зависимостей (графиков) с теоретическими;

– сравнение полученных экспериментальных значений с табличными, с обязательными ссылками на источники информации;

– сопоставление их расхождений с точностью измерений.

6. Обобщающий вывод по всей лабораторной работе. Вывод включает в себя:

а) основные численные результаты работы;

б) погрешность измерений, в случае относительной погрешности более 15% обязательны анализ и указание причин, приведших к снижению точности эксперимента.

9.8. Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие полупроводников и проводников?

2. Приведите определение терморезистора?

3. Какие материалы используются для изготовления терморезисторов?

4. Как зависит ТКС терморезистора от температуры?

5. Описать метод определения температурного коэффициента сопротивле­ния используемый в данной лабораторной работе.

Лабораторная работа № 10

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ

10.1. Цель работы

Изучить явление фотопроводимости полупроводников.

10.2. Задачи работы

1. Определить параметры полупроводника, применяемого для изготовления фоторезистора.

2. По осциллограмме тока определить значение времени жизни носителей заряда в полупроводнике.

10.3. Краткие теоретические сведения

10.4. Используемое оборудование

10.5. Задание на выполнение лабораторной работы

1. На основании экспериментальных данных натурального логарифма изменения тока через полупроводник ln(i) от натурального логарифма светового потока ln(E).

2. Вычислить параметры полупроводника (коэффициент  и показатель степени x), применяемого для изготовления фоторезистора.

3. По осциллограмме тока определить значение времени жизни носителей заряда в полупроводнике.

10.6. Программа работы

1. Прочитать методические указания по подготовке и проведению лабораторной работы.

2. Получить у преподавателя вариант задания исходных данных к работе.

3. При ознакомлении с рабочим местом проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводников (в случае отсутствия какого-либо ком­плектующего элемента типового комплекта необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю или техническому персоналу);

4. Перед сборкой цепи проверить, чтобы все приборы на рабочем столе бы­ли выключены;

10.7. Содержание отчета

1. Название работы. Цель работы.

2. Используемое оборудование и схемы электрических соединений.

3. Результаты измерений.

4. Результаты расчётов и построенные опытные зависимости (графики).

5. Краткие выводы по каждой работе, анализ полученных результатов:

– сравнение опытных зависимостей (графиков) с теоретическими;

– сравнение полученных экспериментальных значений с табличными, с обязательными ссылками на источники информации;

– сопоставление их расхождений с точностью измерений.

---

6. Обобщающий вывод по всей лабораторной работе. Вывод включает в себя:

а) основные численные результаты работы;

б) погрешность измерений, в случае относительной погрешности более 15% обязательны анализ и указание причин, приведших к снижению точности эксперимента.

10.8. Контрольные вопросы

Лабораторная работа № 11

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
И БАРЬЕРНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ

11.1. Цель работы

Изучить явления, возникающие при контакте полупроводни­ков, измерить фотоэдс и фототок при различной освещенности и определить па­раметры полупроводника примененного для изготовления фотодиода.

11.2. Задачи работы

1. Построить график зависимости тока насыщения светодиода i_c от светового потока E, облучаемого фотодиод.

2. Построить график зависимости фотоэдс U_BL от светового потока E.

11.3. Краткие теоретические сведения

Контакты полупроводника с металлом или с другим полупроводником об­ладают иногда выпрямляющими свойствами, т. е. значительно эффективнее про­пускают ток в одном направлении, чем в обратном. Это происходит потому, что в приконтактной области изменяется концентрация или даже тип носителей заряда, т. е. образуется пространственный заряд, обеспечивающий контактную разность потенциалов, необходимую для выравнивания (в состоянии равновесия) уровней Ферми по обе стороны контакта.

В отличие от металлов, в полупроводниках эта область оказывается доста­точно широкой, чтобы при малой концентрации носителей обеспечить нужный перепад потенциала. Если знак контактной разности потенциалов таков, что кон­центрация носителей в приконтактной области становится меньшей, чем в объёме полупроводника, то приконтактный слой определяет сопротивление всей систе­мы. Внешняя разность потенциалов дополнительно уменьшает число носителей в приконтактной области, если она добавляется к контактной разности потенциа­лов или, наоборот, увеличивает их концентрацию, если знак её противоположен. Таким образом, сопротивление контакта для токов в прямом и обратном направ­лениях существенно различаются, что и обеспечивает выпрямляющие свойства контакта.

Такие контакты явились первыми полупроводниковыми приборами (вы­прямители, детекторы), однако развитие полупроводниковой электроники началось лишь после того, как были созданы р-п переходы - контакты областей полу­проводника с разным типом проводимости внутри единого полупроводникового кристалла. Контактная разность потенциалов в этом случае близка к ширине за­прещенной зоны, так как уровень Ферми (уровень W_F на рис. 11.1) в п- области лежит вблизи дна зоны проводимости W_С (рис. 11.1), а в р-области - вблизи валентной зоны W_V (рис. 11.1). Уменьшающая её внешняя разность потенциалов вызывает диффузионные потоки электронов в р-область и дырок в n-область (инжекцию неосновных носителей тока). В обратном направлении р-п переход практически не пропускает ток, т.к. оба типа носителей оттягиваются от области перехода. В полупроводниках с большой длиной диффузии, таких, как Gе и Si, инжектированные одним р-п -переходом неравновесные носители могут достигать другого, близко расположенного р-п перехода, и существенно опреде­лять ток через него. Возможно изменение тока через р-п переход, при создании вблизи него неравновесных носителей каким-либо другим способом, например освещением. Первая из этих возможностей управления током р-п перехода (инжекция) является физической основой действия транзистора, а вторая (фотоэдс) - фотодиода и солнечных батарей.

---

На рис. 11.1 приведены зонные диаграммы, иллюстрирующие этапы формирования электронно-дырочного перехода.

Рис. 11.1. Зонные диаграммы

Границу, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны, назы­вают физическим р-п переходом.

Вольтамперная характеристика р-п перехода (диода) с приложенным внеш­ним напряжением U будет иметь следующий вид:

,

где β – коэффициент, характеризующий свойства р-п перехода; i_C – плотность тока насыщения.

На рис. 11.2 изображена вольтамперная характеристика р-п перехода:

Рис. 11.2. Вольтамперная характеристика р-п перехода

На рис. 11.2 U_пр – максимальное падение напряжения на диоде, при пропускании через него тока в прямом направлении; i_C – ток насыщения, максимальный ток проходящий через диод, при пропускании через него обратного тока.

Фотоэлектрические полупроводниковые приборы с генерацией ЭДС при воздействии излучения на область р-п перехода, называются фотоэлементами. Фотоэлементы служат преобразователями световой энергии в электрическую. Некоторой разновидностью фотоэлементов являются солнечные элементы, пред­назначенные для преобразования солнечных лучей в электрическую энергию. Совокупность электрически соединенных фотоэлементов называется солнечной батареей.

В фотодиодах на основе р-п - переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. На рис. 11.3 схематически изображен фотодиод и схема его включения.

Вольтамперная характеристика для активного режима работы (приложено внешнее напряжение) имеет вид:

(11.1)

Рассмотрим два частных случая уравнения (1.38).

1. Режим холостого хода (разомкнутая цепь). Ток во внешней цепи отсутст­вует (i = 0), а напряжение на выводах фотоэлемента будет максимальным и рав­ным ЭДС фотоэлемента. Он определяется, по непосредственно подключенному вольтметру к выходам фотодиода.

2. Режим короткого замыкания. При этом напряжение на выводах фотодио­да отсутствует, а сила тока равна силе фототока.

Основными характеристиками фотодиодов является зависимость фототока и фотоэдс от светового потока, падающего на элемент.

Рис. 11.3. Схема функциональная включения фотодиода

Световая характеристика представляет собой зависимость величины фото­тока i_Ф от светового потока Е, падающего на фотоэлемент. Количество электронно-дырочных пар, образующихся в фотоэлементе при освещении, пропорцио­нально количеству фотонов, падающих на фотоэлемент. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока:

, (11.2)

где K – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фото­элемента.

Подставив выражение (11.1) в (1.40) получим зависимость силы тока в цепи фотодиода от светового потока Е и напряжения на фотодиоде U.

. (11.3)

---

Смотрите также файлы

• Макро 2 семестр.docx

• Компьютерный английский Met_196.doc

• Информатика.docx

• Задачи по физике.docx

• дневник ПГС.doc