Измерение ширины запрещенной зоны полупроводника

 

Цель работы: изучить зависимость сопротивления полупроводникаот температуры и вычислить ширину запрещенной зоны полупроводника.

 

Приборы и принадлежности:термистор,термометр,электронагре-ватель, мост постоянного тока МО-62.

 

Описание установки и методики эксперимента

 

Для изучения температурной зависимости сопротивления полупро-водникового материала используется экспериментальная установка, схе-ма которой показана на рис. 15.1.

 

 

Рис. 15.1

 

Нагревательным элементом резистивного типа является керамический трубчатый проволочный резистор Rн. Терморезистор RK и термометр Т располагаются внутри трубчатого нагревателя Rн. Разогрев резистора Rн осуществляется протеканием электрического тока, который генерируется блоком питания нагревателя. Мост постоянного тока подключен к термо-резистору RK и позволяет измерять сопротивление полупроводника при различных температурах.

 

 

Сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры согласно закону

 

E

R R e ^2 ^kT	,	(15.1)

где R ₀ – сопротивление полупроводника при высоких температурах; E –

 

ширина запрещенной зоны проводника. Выполняя логарифмирование данного выражения, а также дополнительные преобразования, получают выражение

lg R lg R 2, 5 E	10^3		(15.2)
	T

Отсюда следует, что, измерив температурную зависимость сопро-

10³

тивления полупроводника и представив ее в координатах lg R f,

^T

можно графически определить ширину запрещенной зоны полупроводни-ка E. Указанная зависимость представляет собой линию (рис. 15.2), тан-генс угла наклона которой к оси абсцисс tg равен 2, 5 E.

 

 

Рис. 15.2

 

В связи с этим ширина запрещенной зоны, эВ, рассчитывается со-гласно выражению

 

E 0, 4 tg.

(15.3)

 

Порядок выполнения работы

 

1. Измерить сопротивление термистора при комнатной температуре

 

с помощью моста постоянного тока.

2. Включить электронагреватель и с ростом температуры измерять его сопротивление через каждые 10 ⁰С.

 

 

10³

3. Построить график lg R f.

^T

 

4. Определить tg как отношение lg R

 

 

10³

и (см. рис. 15.2):

^T

tg	lgR
10^3
	^T

5. Определить ширину запрещенной зоны полупроводника по фор-

муле (15.3).

6. Оценить порядок ширины запрещенной зоны полупроводникового материала.

 

7. Оценить погрешность полученных результатов.

8. Сделать выводы.

 

Контрольные вопросы

 

Вариант 1

1. Объясните механизм собственной проводимости полупроводника.

2. Как зависит проводимость чистых (беспримесных) полупроводни-ков от температуры?

 

3. Почему металл при температуре 0 К имеет максимальную прово-димость, а полупроводник – проводимость, равную нулю?

 

4. По какой причине полностью заполненная зона не дает вклада в прово-димость?

 

Вариант 2

 

1. Что такое энергетический спектр?

2. В чем отличие полупроводника от диэлектрика и металла с точки зрения зонной теории?

 

3. Запишите выражение зависимости сопротивления полупроводника от температуры.

 

4. Каково применение в технике температурной зависимости полу-проводников?

 

Лабораторная работа № 3-16

 

ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ВАХ) ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК

 

Цель работы: измерить ВАХ и определить коэффициент выпрямле-ния полупроводникового диода.

 

Приборы и принадлежности:полупроводниковый диод,источник по-стоянного напряжения, реостат, вольтметр, миллиамперметр многопре-дельный, двухполюсный переключатель.

 

Описание экспериментальной установки

 

Для определения коэффициента выпрямления полупроводникового диода используется экспериментальная установка, схема которой показа-на на рис. 16.1. Постоянное напряжение подается на реостат R, который позволяет регулировать разность потенциалов на полупроводниковом ди-оде VD. С помощью двухполюсного переключателя П можно менять по-лярность напряжения на диоде VD. Миллиамперметр и вольтметр необ-ходимы для измерения силы тока и напряжения в цепи полупроводниково-го диода.

 

 

Рис. 16.1

 

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться со схемой для измерения вольт-амперной характеристики полупроводникового диода (рис. 16.1).

2. Установить переключатель П в положение, соответствующее за-пирающему напряжению, когда положительный потенциал на катоде (К) полупроводникового диода. Переключатель пределов измерения милли-амперметра установить в положение, указанное на установке.

 

3. Измерить зависимость тока I от напряжения U. Для этого, изме-няя реостатом R напряжение от 0 до 7 В с интервалом 1 В, записать пока-зания миллиамперметра.

 

4. Уменьшить напряжение до 0 В. Переключатель П установить в по-ложение, соответствующее пропускному (прямому) напряжению, когда по-ложительный потенциал на аноде (А) диода. Переключатель пределов измерения миллиамперметра установить в положение, указанное на уста-новке.

 

5. Измерить зависимость тока I от напряжения U. Для этого, изме-няя напряжение от 0 до 2 В с интервалом 0,5 В, записать показания мил-лиамперметра.

 

6. По полученным данным построить вольт-амперную характеристику

 

I=f U для прямого и обратного направлений приложенного напряжения

 

на одном графике в одинаковом масштабе. Прямой ток и напряжение счи-тать положительными, обратный ток и напряжение – отрицательными.

7. Пользуясь законом Ома R=^U, вычислить значение сопротивления

I

полупроводникового диода для всех точек характеристик. Построить график

 

R=f U.

 

8. Определить коэффициент выпрямления k для нескольких значений напряжения, указанных преподавателем. Для этого требуется найти отно-шение прямого и обратного токов при одних и тех же значениях прямого и обратного напряжений:

_k= ^IПР _.

^IОБР

 

9. Оценить порядок сопротивления полупроводникового диода для прямого и обратного направлений включения.

 

10. Сделать выводы.

 

 

Контрольные вопросы

 

Вариант 1

 

1. Опишите механизм примесной электронной проводимости полу-проводников.

2. Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику полупро-водникового выпрямителя.

 

3. Что представляет собой германиевый диод

 

4. Каково применение полупроводниковых диодов в технике?

 

Вариант 2

 

1. Опишите механизм дырочной проводимости полупроводников.

 

2. Объясните возникновение потенциального барьера на контакте двух n полупроводников с разными типами проводимости.

 

3. Объясните выпрямляющее действие n - р- перехода.

4. Что называется коэффициентом выпрямления?

 

 

Лабораторная работа № 3-17
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЙ
Цель работы: исследовать вольт-амперные и спектральную харак-
теристики фотосопротивления.
Приборы и принадлежности:источник питания,вольтметр,
микроамперметр, реостат, фотосопротивление ФС-К1 (ФСК-Г1),
осветительная система, включающая в себя источник белого света и
монохроматор УМ-2.
Теоретическое введение
Фотосопротивлениями (ФС) называются полупроводниковые прибо-
ры, у которых величина электрического сопротивления уменьшается при
освещении их светом. Происходит это вследствие внутреннего фотоэф-
фекта: если энергия фотона, поглощенного электроном в полупроводнике,
превышает ширину запрещенной зоны, электрон переходит из валентной
зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара
свободных носителей заряда – электрон и дырка, что приводит к увеличе-
нию концентрации свободных носителей заряда и, как следствие, к
уменьшению электросопротивления материала. Количество образующих-
ся свободных носителей заряда пропорционально падающему световому
потоку. В отличие от внешнего фотоэффекта носители тока остаются в
объеме вещества.
Конструкция ФС представлена на рис. 17.1. На диэлектрическую
подложку 1 нанесен тонкий слой из полупроводникового материала 2, на
	поверхности которого	расположе-
	ны металлические контакты 3. Си-
	стема помещена в пластмассовый
	корпус 4.
	При постоянном напряжении,
	приложенном к ФС, сила тока
	через сопротивление	зависит от
	величины	падающего	светового
Рис. 17.1	потока. При возрастании светового
	потока увеличивается ток в цепи
ФС. Затемненные ФС также пропускают через себя небольшой ток,
который зависит от сопротивления в темноте, т.е. от темнового
сопротивления. Оно может быть от десятков килоом до десятков мегаом,
но значительно меньше, чем в вакуумных элементах. В некоторых
веществах при переходе от темноты к интенсивному освещению величина
сопротивления изменяется в десятки и сотни тысяч раз.

При падении светового потока на поверхность ФС его сопротивление уменьшается. Таким образом, при любой приложенной разности

 

потенциалов ток, проходящий через ФС, увеличивается при возрастании интенсивности падающего светового потока и может достигать 30…50 мА. Время работы ФС в нормальном режиме не ограничено. ФС совсем не боится «засветки», т.е. оно не имеет необратимой потери чувствительности при больших освещенностях. Вследствие высоких фотоэлектрических свойств, простоты обращения, низкой стоимости, а также небольшого внутреннего сопротивления и малой рабочей площади ФС широко используют при автоматизации (контроле и управлении) производственных процессов. Значительная температурная зависимость фототока в некоторых ФС является преградой для их применения при больших изменениях температуры.

 

Основными характеристиками ФС являются: вольт-амперные харак-теристики (ВАХ), удельная, интегральная и спектральная чувствительно-сти, рабочее напряжение, относительное изменение сопротивления, по-стоянная времени.

 

ВАХ –зависимость фототока от напряжения на сопротивлении.По-скольку, даже в отсутствии освещенности, ФС обладает сопротивлением, а значит проводит ток, то под фототоком подразумевают разность токов при данной освещенности и в темноте: I_фI E I_т.

 

Удельная чувствительность –отношение фототока к световомупотоку при данном напряжении:

I

K ^ф.

ФU

Интегральная чувствительность –отношение фототока ксветовому потоку, падающему на ФС (определяется произведением удельной чувствительности на приложенное напряжение):

 

I

KU ^ф.

Ф

Спектральная чувствительность	–	Iф	– характеризует
Ф
		Iф
изменение	фототока	при	изменении	длины	волны

 

монохроматического излучения в диапазоне от до + при постоянной величине светового потока Ф. Максимальная спектральная чувствительность для ФС, используемых в данной работе (ФС-К1 или ФСК-Г1), лежит в области видимой части спектра электромагнитного излучения.

 

Относительное изменение сопротивления определяетсяформулой

^{R R}m ^R ₁ ^Im _,

RR_m I

 

где Rm и Im – соответственно сопротивление и ток в темноте (для данного значения напряжения); R и I – сопротивление и ток при освещении фотосопротивления.

 

Постоянная времени,характеризующая инерционностьфотосопротивления, измеряется временем, в течение которого после прекращения освещения фототок уменьшается в e = 2,7 раз. Приближенно этот процесс можно описать экспоненциальным законом. При увеличении освещенности постоянная времени уменьшается. По сравнению с вакуумными фотоэлементами ФС имеют большую инерционность.

 

Наиболее важными характеристиками ФС являются вольт-амперные и световые. Вольт-амперные характеристики выражают зависимость фототока от приложенного напряжения при постоянной величине светового потока (E = const); обычно получают вольт-амперные характеристики I f U в темноте и при разных световых потоках.

 

Общий вид ВАХ фотосопротивлений представлен на рис. 17.2.

 

Iф

Е2

 

Е1

 

Е1 Е2

 

 

 

U

 

Рис. 17.2

 

Из вольт-амперных характеристик следует, что, во-первых, ФС является линейным сопротивлением, которое подчиняется закону Ома, во-вторых, относительное изменение сопротивления при данной освещенности не зависит от приложенной разности потенциалов. Но величина фототока и относительное изменение сопротивления зависят от освещенности.

 

Вольт-амперная характеристика показывает основное отличие ФС от фотоэлементов с внешним фотоэффектом, которое состоит в том, что фототок ФС не имеет насыщения и, следовательно, их чувствительность пропорциональна приложенному напряжению.

 

Световые характеристики, как и вольт-амперные, показывают другое отличие ФС от вакуумных фотоэлементов, которое состоит в отсутствии в ФС прямой пропорциональности между фототоком и освещенностью. При увеличении E фототок стремится к насыщению. Из световой характеристики можно определить интегральную чувствительность ФС.

 

Схема установки для исследования характеристик ФС показана на рис. 17.3. Постоянное напряжение от источника питания 1 подается на фотосопротивление 2. В данной работе в качестве фотосопротивления используется ФС-К1 или ФСК-Г1 с сульфид-кадмиевым (CdS) чувстви-тельным слоем. Величина напряжения на ФС регулируется реостатом 3. Величины напряжения и фототока на ФС измеряются с помощью вольт-метра 4 и микроамперметра 5. Облучение ФС осуществляется системой, состоящей из источника белого света 6 (лампы накаливания) и монохро-матора 7. Монохроматор из потока белого света вырезает излучение определенного диапазона длин волн, пучок которого фокусируется на поверхности светочувствительного слоя.

 

 

		A
	V
		Рис. 17.3

 

 

Порядок выполнения работы Задание 1. Измерение ВАХ фотосопротивления

1. Включить источник питания.

 

2. Не включая источник света, измерить зависимость силы тока I_m от

напряжения на фотосопротивлении. Напряжение изменять с помощью реостата в диапазоне 0…150 В с шагом 15 В для ФС-К1 либо в диапазоне 0…50 В с шагом 5 В для ФСК-Г1 (см. дополнительные указания на уста-новке).

 

3. Включить источник света. На барабане монохроматора установить число делений n = 2000. По градуировочному графику, прилагаемому к монохроматору, определить длину волны, соответствующую данному числу делений барабана.

 

4. Измерить зависимость силы тока I от напряжения на фотосопротив-лении аналогично п. 2.

 

5. Определить величину фототока I_фI I_т для каждой значения

 

напряжения.

 

6. Подобно пп. 3 – 5 измерить зависимость фототока I_фI I_т от напряжения на ФС для двух других длин волн (n = 2500, n = 3000).

 

7. На одной системе координат построить ВАХ для трех значений длин волн падающего света.

 

8. С помощью графиков определить относительное изменение сопро-

тивления ^R 1 ^Im при U = 50 В.

R I

9. Проанализировать полученные результаты, сделать выводы.

 

Задание 2. Измерение световой характеристики ФС

 

1. Установить на ФС напряжение 100 В для ФС-К1 либо 50 В для ФСК-Г1 (см. дополнительные указания на установке).

2. Измерить зависимость фототока (см. пп. 2 – 5 в задании 1) от длины

 

волны падающего света, меняя положение барабана монохроматора от 1500 до 3000 делений с шагом 100 делений.

 

3. Нарисовать график зависимости фототока от длины волны.

4. Проанализировать полученные результаты, сделать выводы.

 

 

Контрольные вопросы

 

Вариант 1

 

1. В чем заключается внутренний фотоэффект?

 

2. Назовите основные характеристики фотосопротивлений. Дайте их определения.

 

3. В чем отличие полупроводника от проводника с точки зрения зонной теории?

 

4. Приведите примеры использования фотосопротивлений в науке и технике.

 

Вариант 2

 

1. Какие виды фотоэффектов Вы знаете?

 

2. В чем отличие внутреннего фотоэффекта от внешнего фотоэффек-

 

та?

3. В чем состоит отличие вольт-амперных характеристик ФС и фото-элементов?

 

4. Почему ниже определенного значения частоты падающего света внутренний фотоэффект не наблюдается?