200 07, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia


Nr ćw.

200

25.10.2001

MICHAŁ SIKORSKI

Wydział

Elektryczny

Semestr

III

Grupa nr 1

Poniedziałek

11.45

Dr DANUTA STEFAŃSKA

Przygotowanie

Wykonanie

Ocena ostateczna

„Wyznaczanie bariery potencjału na złączu p-n.

Wstęp teoretyczny:

0x01 graphic
0x01 graphic

Dioda p-n jest jednym z najpowszechniej stosowanych elementów elektronicznych . Ze względu na asymetryczną charakterystykę prądowo - napięciową najczęściej stosuje się ją jako diodę prostowniczą . Diodę stanowią dwa zetknięte ze sobą półprzewodniki , z których jeden jest typu p a drugi typu n . W wyniku ścisłego kontaktu półprzewodników następuje przepływ elektronów do części p oraz dziur do części n .Ta wymiana nośników ustaje po zrównaniu się poziomów Fermiego pomiędzy obu częściami diody i po wytworzeniu się różnicy potencjałów j . Schemat energetyczny diody przedstawia poniższy rysunek :

Np , Nn - koncentracje elektro-nów w częściach p i n ,

Pp , Pn - koncentracje dziur w częściach p i n ,

j - bariera potencjału .

Is - prąd nasycenia ,

Id - prąd dyfuzji ,

EF - energia Fermiego .

Przyłożenie do diody zewnętrznego napięcia powoduje zmianę bariery potencjału . Wynosi ona wtedy : 0x01 graphic
.

W diodzie p-n występują dwie przyczyny ukierunkowanego ruchu nośników :

a) dążenie do znalezienia się w obszarze o najniższej energii potencjalnej ,

Ten mechanizm powoduje ruch elektronów z obszaru p do obszaru n oraz ruch dziur z obszaru n do obszaru p .Suma strumieni tych nośników tworzy prąd nasycenia Is , który zależy jedynie od koncentracji Np i Pn , nie zależy natomiast od przyłożonego napięcia . Ponieważ koncentracja nośników określona jest wzorem : ,

a natężenie prądu nasycenia jest proporcjonalne do koncentracji nośników , zatem :

,

C jest stałą .

b) dążenie do wyrównania koncentracji , czyli dyfuzja nośników .

Prąd dyfuzyjny elektronów jest proporcjonalny do różnicy koncentracji elektronów i do prawdopodobieństwa pokonania bariery potencjału . Wyraża się on wzorem :

0x01 graphic
.

Wypadkowy prąd jest różnicą tych dwóch prądów i wynosi :

(*).

Zasada pomiaru:

Wykorzystując charakterystykę diody w kierunku przewodzenia , przy założeniu :

eV>5kT można zaniedbać jedynkę we wzorze (*) , który po zlogarytmowaniu przyjmie postać :

.

Ponieważ wartość EW - EF jest rzędu 10-2eV i jest o co najmniej rząd wielkości mniejsza niż wysokość bariery ej , więc można ją zaniedbać . Wysokość bariery można wyznaczyć ze wzoru :

.

Jeżeli nie znamy stałej C , to musimy wykonać kilka charakterystyk prądowo - napięciowych

w różnych temperaturach , dla każdej z nich znaleźć prąd nasycenia Is i następnie wykonać wykres : ln Is= f(1/T) . Wykresem jest linia prosta , której współczynnik nachylenia wynosi :

0x01 graphic

Obliczamy ten współczynnik metodą regresji liniowej i znajdujemy barierę potencjału z zależności : 0x01 graphic

Układ pomiarowy:

0x01 graphic

Obliczenia:

Wyznaczenie prądu nasycenia :

Ponieważ prąd nasycenia jest związany z napięciem i prądem następującą zależnością :

0x01 graphic
.

Jeśli wykreślimy to równanie we współrzędnych x= V i y = lnI otrzymamy linię prostą przecinającą oś y w punkcie , który ma wartość : lnIs . Punkt ten można zatem znaleźć za pomocą regresji liniowej . Postępując tak dla wszystkich temperatur otrzymujemy :

Lp

I [x10-19A]

ln I

T = 276 K

U [ V ]

T = 284 K

U [ V ]

T = 296K

U [ V ]

T = 320 K

U [ V ]

T=334 K

U[ V ]

T=345 K

U [ V ]

1

75

4.31

0,532

0,515

0,493

0,439

0,404

0,377

2

70

4.24

0,528

0,51

0,489

0,435

0,399

0,373

3

65

4.17

0,522

0,505

0,484

0,431

0,395

0,369

4

60

4.09

0,516

0,500

0,479

0,425

0,391

0,365

5

55

4.00

0,51

0,495

0,473

0,42

0,384

0,359

6

50

3.90

0,504

0,49

0,466

0,414

0,378

0,353

7

45

3.80

0,496

0,484

0,461

0,408

0,372

0,347

8

40

3.68

0,488

0,477

0,452

0,4

0,366

0,34

9

35

3.55

0,48

0,466

0,444

0,39

0,356

0,331

10

30

3.40

0,468

0,45

0,436

0,381

0,346

0,319

11

25

3.21

0,456

0,436

0,422

0,37

0,334

0,307

12

20

2.99

0,441

0,418

0,406

0,354

0,318

0,295

13

15

2.70

0,42

0,406

0,392

0,334

0,301

0,274

14

10

2.30

0,394

0,364

0,358

0,308

0,274

0247

15

5

1.60

0,343

0,3

0,316

0,264

0,234

0,198

T=276 K

T=284 K

T=296 K

T=320 K

T=334 K

T=345 K

b=lnIs

-7.127

-6.031

-6.072

-4.259

b

0.06182

0.03883

0.04372

0.03319

0x01 graphic
[A]

8.03125 x 10-4

24.03089 x 10-4

23.06555 x 10-4

141.36431 x 10-4

Is[A]

0.49649 x 10-4

0.93311 x 10-4

1.00842 x 10-4

4.69188 x 10-4

Prąd nasycenia jest równy :

0x01 graphic

Błędy pomiaru prądu nasycenia :

.

Wyznaczenie bariery potencjału:

Bariera potencjału została wyznaczona także przy pomocy regresji liniowej . Wyznaczamy współczynnik nachylenia prostej o równaniu :

0x01 graphic
,

gdzie y=1/T ,

x=lnIs .

Współczynnik nachylenia prostej wyznaczony metodą regresji wynosi :

a = - 6273

Błąd wyznaczenia tego współczynnika :

Δa = 813

Korzystając z równania :

0x01 graphic
, [ eV ]

wyznaczymy barierę potencjału :

ϕ = 0.5409 [ eV ]

Błąd wyznaczenia bariery potencjału :

Δϕ = 0.0700 [ eV ]

Wynik:

ϕ = ( 0.5409 ± 0.0701 ) [ eV ]

Wnioski:

Z uzyskanych w doświadczeniu wyników można wywnioskować , że badana dioda była diodą germanową. Wynik końcowy obarczony jest stosunkowo niewielkim błędem. Dużym błędem obarczone są natomiast bezpośrednie wyniki pomiaru .

3



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
200-04, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
320, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
WYZNAC~1, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
310, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
302A, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
LABOR309, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
FIZA301, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
FIZA209, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
222 POPRAWA, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
308 01, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
222, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
FIZA201KOWAL, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia
LABOR301, ZiIP Politechnika Poznańska, Fizyka II, Ćwiczenia

więcej podobnych podstron