Определение ширины запрещенной зоны полупроводника по температурной зависимости обратного тока диода

Размещено на http:www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Факультет дистанционного образования (ФДО)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физики

Лабораторная работа по курсу "Общая физика"

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ

ПОЛУПРОВОДНИКА ПО ТЕМПЕРАТУРНОЙ

ЗАВИСИМОСТИ ОБРАТНОГО ТОКА ДИОДА

Студент группы з-362-а

Илларионов П. М.

2014

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является исследование температурной зависимости обратного тока диода и определение ширины запрещенной зоны полупроводника.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная установка состоит из нагревателя, в котором находится германиевый диод, термометра для измерения температуры и электрической схемы. Электрическая схема включения диода представлена на рис. 2.1. Она состоит из понижающего трансформатора Т, выпрямителя

V1-V4 и микроамперметра P1 для измерения тока через исследуемый диод V5.

Рисунок 2.1 - Электрическая схема экспериментальной установки.

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Экспериментальное значение ширины запрещенной зоны (в Дж)

Е = a k, (3.1)

где k - постоянная Больцмана;

a - угловой коэффициент линеаризованного графика lnI_обр = f(1/T), который находится по формуле диод полупроводник погрешность

(3.2)

Формула для расчета абсолютной погрешности косвенного измерения величины

(3.3)

где (3.4)

где - единица в наименьшем разряде данного показания прибора.

Погрешность косвенного измерения величины :

(3.5)

где у(T) является погрешностью прямого измерения показаний температуры, в данном случае равна половине цены деления прибора, т. е. 0,5 K.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ

В таблице 4.1 приведены результаты прямых и косвенных измерений, а также значения соответствующих погрешностей.

Таблица 4.1 - Результаты прямых и косвенных измерений

Расчеты проведены в `Microsoft Excel'

На рисунке 4.1 приведена зависимость .

Рисунок 4.1 - Зависимость

5. ВЫВОДЫ

В результате проделанной работы мы исследовали температурную зависимость обратного тока стандартного диода и определили ширину запрещённой зоны полупроводника, из которого изготовлен диод (германия).

По ф. (2.4) на стр. 7 руководства [2] вычисляется ширина запрещённой зоны диода ?E: 0,7181 эВ

Абсолютная погрешность ?(?E) оценивается по формуле из таблицы 7.1 на стр. 7 п. [1]: 0,00043 эВ

?E = (718,1 ± 0,4)?10^?3 эВ;

6. ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков смысл понятий “валентная зона”, “зона проводимости”, “запрещённая зона”?

Валентная зона-зона, образованная расщеплением уровней валентных электронов и является верхней из заполненных электронами зон.

Зона проводимости - зона наибольших энергий, расположена выше валентной зоны.

Запрещённая зона- области значений энергии, которыми не может обладать электрон идеального кристалла.

2. Что такое “дырка” с точки зрения зонной теории?

В процессе генерации пары носителей заряда, образуется не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне- “дырка проводимости” или “дырка”.

3. Каков физический смысл уровня Ферми?

Уровень Ферми - это энергетический уровень, соответствующий энергии Ферми, физический смысл которой - распределения электронов по состояниям: т.е энергия Ферми - это максимально допустимая энергия, ниже которой при нулевой абсолютной температуре все энергетические уровни заняты [f(E) = 1], а выше которой все уровни пусты [f(E) = 0]. Для полупроводников, у которых при абсолютном нуле валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости совершенно свободна, функция распределения имеет разрыв. Следовательно, уровень Ферми в полупроводнике должен лежать при абсолютном нуле в запрещенной зоне.

4. Каким образом в полупроводниках создается проводимость р- или n- типа?

Проводимость р- или n- типа в полупроводниках создаётся добавлением в кристалл примесей (атомов постороннего вещества) т.е. легированием.

Примеси делятся на доноры и акцепторы.

Доноры, или донорные примеси - это примеси, поставляющие электроны в объём полупроводника, т.е. увеличивающие электронную проводимость. Такие полупроводники, с преобладанием электронной проводимости над дырочной, называют полупроводниками n- типа.

Акцепторы, или акцепторные примеси - это примеси захватывающие валентные электроны вещества и создающие тем самым дырки. Такие полупроводники, с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p- типа.

5. Объясните механизм электропроводности собственных и примесных полупроводников?

Электропроводность, обусловленную генерацией пар носителей заряда электрон-дырка, называется собственной электропроводностью.

В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Одновременно с этим происходит обратный процесс - рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя нормальные ковалентные связи. При определённой температуре число свободных электронов и дырок в единице объёма полупроводника в среднем остаётся постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и дырок возрастает, и проводимость значительно увеличивается.

Примесная проводимость - это проводимость, обусловленная внесением в кристаллические решетки чистых полупроводников примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами. В примесном полупроводнике наряду с примесной электропроводностью существует собственная электропроводность.

6. Нарисуйте зонные диаграммы полупроводников р- типа и n- типа, зонную диаграмму p-n перехода. Объясните их.

На рис.1 изображена зонная диаграмма полупроводника n - типа. Уровень энергии , соответствующий донорной примеси, лежит в запрещённой зоне “ниже” на 0,01эВ для германия и на 0,05 эВ для кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все доноры будут ионизированы, т.е. “лишние” электроны атомов донорной примеси перейдут в зону проводимости. Концентрация электронов в зоне проводимости примерно равна концентрации атомов примеси, и уровень Ферми будет находиться при этом между и .

На рис.2 изображена зонная диаграмма полупроводника p - типа. Уровень энергии акцепторов находится тоже внутри запрещённой зоны, но вблизи потолка валентной зоны. Для большинства акцепторов в германии разность -равна 0,01 эВ и (0,05+0,1) эВ в кремнии. Вследствие малости этой энергии акцепторы при обычных температурах будут все ионизированы, что соответствует переходу электронов из валентной зоны на акцепторный уровень; уровень Ферми в этом случае будет расположен между и .

P - n - переход образуется при соединении полупроводников p- и n- типа(рис.3). На нём хорошо видно, что существует энергетический барьер для перехода основных носителей через p-n-переход.

Рис.1 Рис.2

Рис.3

7. Чем обусловлен обратный ток полупроводникового диода?

Обратный ток полупроводникового диода обусловлен приложенным к нему напряжением. Чем напряжение больше, тем меньше обратный ток.

8. Почему в данной работе исследуемый диод нужно включать в запорном направлении?

Целью данной работы является исследование температурной зависимости обратного тока стандартного диода и определение ширины запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен диод. Поэтому, включая в запорном направлении исследуемый диод, мы, исследуя температурную зависимость обратного тока этого диода, можем измерить ширину запрещённой зоны собственного полупроводника, из которого изготовлен данный диод.

Размещено на Allbest.ru