Вимірювальна установка і особливості практичної реалізації

Методу термозонда

 

При виконанні цієї лабораторної роботи використовується вимірювальна установка, котра схематично зображена на рисунку 1.1. На рисунку 1.2 наведено різні варіанти створення температурного градієнту вздовж досліджуваних напівпровідникових зразків в залежності від їхніх геометричних і конструкційних особливостей.

Згідно до рисунків 1.1 і 1.2 при дослідженні типу основних носіїв заряду методом термозонду місцеве нагрівання напівпровідникового зразка, необхідне для виникнення у ньому термо-ЕРС, здійснюють торкаючись гарячим металевим зондом наміченої ділянки на поверхні цього зразка, заздалегідь закріпленого у пристрої для його фіксації. У виконуваній лабораторній роботі термозондом є молібденовий стрижень завдовжки 20 см і діаметром 4 мм робочий торець якого в залежності від природи і геометричних розмірів напівпровідника має форму півсфери радіусом 2 мм з полірованою дзеркальною поверхнею або вістря. Для забезпечення необхідної температури термозонда використовується невеличкий резистивний електронагрівач, змонтований на його віддаленій від робочого торця стрижневій частині таким чином, щоб уникнути гальванічного зв’язку з нею.

 

Рисунок 1.1 – Схематичне зображення вимірювальної установки:

1 – пристрій для фіксації досліджуваного зразка; 2 – досліджуваний напівпровідник;

3 – гарячий молібденовий термозонд; 4 – гальванічно розв’язаний з термозондом датчик його температури; 5 - електронний терморегулятор; 6 – гальванічно розв’язаний з термозондом його резистивний нагрівач; 7 – кероване джерело електричного живлення нагрівача термозонда; 8 – електронний індикатор полярності термо-ЕРС; 9 – холодний молібденовий зонд

 

 

 

Рисунок 1.2 - Варіанти створення температурного градієнту Т ₁ > Т ₂

вздовж досліджуваних напівпровідникових зразків:

а – масивний напівпровідник; б – плівковий напівпровідниковий шар на діелектрику;

в – плівковий напівпровідниковий шар на металі;

1 – гарячий молібденовий термозонд; 2 – холодний молібденовий зонд;

3 – масивний напівпровідник; 4 – плівковий напівпровідниковий шар;

5 – діелектрична підкладка; 6 – металева підкладка

 

Температура термозонда встановлюється і підтримується у межах 50-70 ^оС за допомогою сервісного електричного кола, яке складається з активного резистивного елемента нагрівача, джерела живлення нагрівача змінним електричним струмом та електронного терморегулятора з датчиком температури поблизу робочого торця термозонда, керуючого ввімкненням і вимкненням електричного струму у резистивному елементі нагрівача. Холодний зонд, котрий відрізняється від гарячого лише значно меншою довжиною, у випадках, що відповідають зображенням а і б на рисунку 1.2, згідно до рекомендації, наведеної у [1], має знаходитися на відстані не менше 1 см від місця торкання напівпровідника гарячим термозондом. У випадку, коли плівковий напівпровідниковий шар нанесено на металеву підкладку (рисунок 1.2, в), холодний зонд має торкатися саме цієї підкладки. При цьому реєстрація знаку термо-ЕРС повинна здійснюватись протягом декількох секунд після торкання термозондом поверхні досліджуваного плівкового напівпровідникового шару (особливо коли металева підкладка досить тонка, оскільки із-за малої товщини напівпровідникового шару початкове значення DТ = Т ₁- Т ₂ може швидко зменшуватись завдяки підвищенню Т ₂ зі сторони підкладки під місцем розташування термозоду. Це, згідно до формули (1.1), має приводити до відповідного зменшення абсолютної величини термо-ЕРС, що в решті унеможливить реєстрацію знаку термо-ЕРС реальним індикатором, до якого гнучкими проводами приєднані обидва зонди. У якості такого індикатора може бути використано електронний вольтметр з якомога більшим внутрішнім опором R_В, наприклад, типу В7-37 (R_В = 10⁷ Ом) при опорі зразка R у міжзондовому проміжку значно менше 10⁷ Ом або типу В7Э-42 при значеннях R аж до 10¹² Ом. Заздалегідь для такого індикатора слід ідентифікувати відповідність знаку термо-ЕРС (що висвічується на його дисплеї) входу індикатора, до якого має підключатися холодний зонд. Це можна зробити шляхом використання у якості порівняльного джерела ЕРС будь-якого непошкодженого гальванічного елемента, наприклад, пальчикового типу для живлення відповідних вимірювальних приладів або побутових виробів.

 

Порядок виконання роботи

 

Завдання для виконання роботи

 

Методом термозонду визначити тип основних носіїв заряду в монокристалічній пластині легованого напівпровідника, в плівковому шарі напівпровідникової сполуки на діелектричній підкладці і в плівковому шарі напівпровідникової сполуки на металевій підкладці.

Порядок дій

1. За допомогою наданої інструкції, котра знаходиться на робочому місці біля відповідної вимірювальної установки, ознайомитись з особливостями її використання для визначення типу основних носіїв заряду у напівпровідниках згідно до схеми, наведеної на рис. 1.1, а також з особливостями конструкції зондової групи, до складу якої входять термозонд і холодний зонд.

2. Після перевірки викладачем засвоєння правил використання вказаного вимірювального обладнання підключити установку до живлючої електромережі для попереднього прогріву.

3. Отримати у викладача для досліджень зазначені у завданні зразки, дізнатися про їхню конкретну природу і занести відповідні дані у таблицю 1.1.

 

Таблиця 1.1 – Вихідні дані про досліджувані зразки

 

Номер зразка	Напівпровідник	Підкладка
Матеріал	Структура	Товщина, мкм	Матеріал	Товщина, мкм

 

4. Закріпити леговану напівпровідникову пластину (зразок № 1) у фіксуючому пристрої вимірювальної установки і за допомогою маніпулятора з силою до 2 Н для проколу тонкого шару природного оксиду напівпровідника підтиснути до поверхні пластини загострений кінець холодного зонду.

5. Нагріти загострений кінець термозонду до температури 60 ^оС і з зазначеною вище силою за допомогою другого маніпулятора підтиснути термозонд до тієї ж поверхні на відстані 2 см від місця торкання пластини холодним зондом.

6. Виміряти стаціонарне значення термо-ЕРС і занести його з урахуванням знаку термо-ЕРС у таблицю 1.2. У цю таблицю занести також значення температур термозонду і холодного зонду, яке приблизно дорівнює температурі в лабораторії за даними розміщеного поблизу установки термометра.

 

Таблиця 1.2 – Результати експериментального дослідження термо-ЕРС напівпровідникових зразків

Номер зразка	Температура, ^оС	Термо-ЕРС, мВ	Тип основних носіїв заряду
Холодний зонд	Термо- зонд

 

7. Закріпити діелектричну підкладку з плівковим шаром напівпровідникової сполуки (зразок № 2) у фіксуючому пристрої вимірювальної установки і за допомогою маніпулятора з силою 0,3-0,5 Н підтиснути до поверхні плівкового шару півсферичний кінець холодного зонду.

8. Нагріти півсферичний кінець термозонду до температури 60 ^оС і з зазначеною вище силою за допомогою другого маніпулятора підтиснути термозонд до тієї ж поверхні на відстані 2 см від місця торкання плівкового шару холодним зондом.

9. Повторити дії, зазначені у п. 6.

10. Закріпити металеву підкладку з плівковим шаром напівпровідникової сполуки (зразок № 3) у фіксуючому пристрої вимірювальної установки і за допомогою маніпулятора підтиснути півсферичний кінець холодного зонду до вільної поверхні металевої підкладки зі сторони, на якій знаходиться плівковий шар напівпровідникової сполуки.

11. Нагріти півсферичний кінець термозонду до температури 60 ^оС і з силою 0,3-0,5 Н за допомогою другого маніпулятора підтиснути термозонд до центральної ділянки поверхні плівкового шару зразка № 3

12. Протягом перших двох секунд виміряти значення термо-ЕРС і занести усереднену величину U з урахуванням знаку термо-ЕРС у таблицю 1.2. Після цього виконати другу вказівку п. 6.

13. За знаками термо-ЕРС, отриманими експериментально, визначити тип основних носіїв заряду для кожного з трьох досліджених напівпровідникових зразків і занести ці результати до відповідних клітинок таблиці 1.2.

14. Приступити до оформлення звіту.

 

Зміст звіту

 

У звіті повинні бути наведеними вказані нижче відомості:

1. Мета роботи.

2. Фізична сутність методу термозонда і особливості його реалізації у виконуваній роботі.

3. Спрощена схема вимірювальної установки.

4. Креслення досліджуваних зразків з їхніми геометричними розмірами.

5. Заповнені таблиці 1.1 і 1.2.

6. Висновки.

 

Запитання та завдання для самоперевірки

 

1. Написати формулу, що пов’язує величину і знак термо-ЕРС з коефіцієнтом Зеєбека й градієнтом температури напівпровідника та пояснити, виходячи із неї і з особливостей електронної енергетичної структури домішкових напівпровідників, чому за знаком термо-ЕРС можна визначати тип основних носіїв заряду у таких матеріалах.

2. До яких спрощених виглядів можна звести формулу (1.2) у випадках n >> р та р >> n?

3. Яким може бути внесок холодного і гарячого металевих зондів у сукупну термо-ЕРС вимірювального кола при умовах виконання лабораторної роботи, якщо згідно до довідкових даних коефіцієнт Зеєбека для молібдену становить 7,6 мкВ/К?

4. Чому в залежності від природи напівпровідникового матеріалу і конструкційних особливостей досліджуваних зразків мають застосовуватись металеві зонди з робочими торцями у вигляді полірованої півсфери або вістря?

5. Навіщо при торканні холодним і гарячим зондами однієї поверхні напівпровідника відстань між ними має бути більше 1 см?

6. За якої причини при дослідженні методом термозонду плівкового напівпровідникового шару на металевій підкладці вимір термо-ЕРС має відбуватися протягом декількох секунд?

7. Користуючись отриманими експериментальними результатами виконати кількісну оцінку коефіцієнту Зеєбека для досліджуваних напівпровідникових матеріалів.

8. Проаналізувати можливість впливу зовнішнього середовища і товщини досліджуваних напівпровідникових матеріалів на отримані експериментальні результати.

 

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 2

 

ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ