background image

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Materiałoznawstwo Elektryczne

ĆWICZENIE 13

BADANIE  MATERIAŁÓW

I  ELEMENTÓW  PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

I. WIADOMOŚCI  TEORETYCZNE

1. Własności materiałów półprzewodnikowych

Półprzewodniki są to pierwiastki lub związki chemiczne o strukturze krystalicznej, których rezystywność w

temperaturze 20

°

C zawarta jest w przedziale 10

–4

 

÷

 10

8

 

cm.

Rys. 13.1. Zakresy rezystywności skrośnej ważniejszych grup materiałów w temperaturze 20

°

C

Zasadniczą  cechą  materiałów  półprzewodnikowych  jest  ich  wrażliwość  strukturalna,  to  znaczy  silna

zależność własności elektrycznych, np. rezystywności, od:

 

temperatury,

 

zawartości domieszek chemicznych,

 

niedokładności budowy sieci krystalicznej,

 

oświetlenia,

 

stanu powierzchni,

 

innych czynników.

Do  półprzewodników  zalicza  się  bardzo  dużą  liczbę  krystalicznych  ciał  stałych  występujących

w przyrodzie. W praktyce jednak znaczenie mają jedynie nieliczne pierwiastki i związki chemiczne.

Pierwiastki: krzem (Si), german (Ge), selen (Se).
Związki chemiczne: antymonek indu (InSb), tellurek bizmutu (Bi

2

Te

3

), tellurek rtęci (HgTe), tlenek

miedziawy (Cu

2

O), węglik krzemu (SiC) - karborund, selenek rtęci (HgSe), ar-

senek indu (InAs), arsenek galu (InGa).

Do charakterystycznych właściwości półprzewodników należą:

a) 

 

jednoczesne istnienie dwóch rodzajów nośników: elektronów i dziur,

b) 

 

ujemny współczynnik temperaturowy rezystywności.

Występowanie  powyższych  właściwości  daje  się  wyjaśnić  na  gruncie  pasmowego  modelu  energe-

tycznego ciała stałego (rys. 13.2).

10

–4

10

8

10

18

cm

materiały
przewodzące

półprzewodnki

materiały izolacyjne

powietrze

background image

Ć

wiczenie 13

2

a)

a)

pasmo
przewodnictwa

b)

pasmo
walen cyjne

pasmo
wzbronione

dziura

elektron

elektrony

Rys. 13.2.  Model pasmowy półprzewodnika samoistnego, np. germanu (a) oraz ilustracja pobu-

dzenia cieplnego elektronu (b) – jego przejście do pasma przewodnictwa

Dla półprzewodników szerokość pasma wzbronionego jest mniejsza od 2 eV. Jeżeli do kryształu zo-

stanie  doprowadzona  energia,  np.  cieplna,  to  elektrony  z  pasma  walencyjnego  mogą  przejść  do  pasma
przewodnictwa - mogą zatem brać udział w przewodzeniu prądu. Przeniesienie elektronu do pasma prze-
wodnictwa to ubytek elektronu w paśmie walencyjnym. Puste miejsce po elektronie nazywa się dziurą.

Dziura jest równoważna ładunkowi dodatniemu. Miejsce dziury może zająć sąsiedni elektron, zacho-

dzi wtedy ruch dziury w krysztale odpowiadający przepływowi prądu elektrycznego. Istnieją więc jedno-
cześnie dwa rodzaje nośników: elektrony i dziury.

Przejście elektronów z pasma walencyjnego (podstawowego) do pasma przewodnictwa może nastąpić

pod działaniem:

 

promieni świetlnych,

 

promieni rentgenowskich,

 

pola elektrycznego,

 

temperatury.

W  przypadku  wzrostu  temperatury  liczba  nośników  elektryczności  szybko  rośnie,  co  pociąga  za

sobą spadek rezystywności skrośnej. Zależność rezystywności od temperatury dla półprzewodników sa-
moistnych można przedstawić wzorem

ρ = ⋅

A e

E

kT

2

,

(13.1)

gdzie:  E  -  szerokość  pasma  wzbronionego,  T  -  temperatura  bezwzględna,  k  -  stała  Boltzmanna,  A  -

współczynnik proporcjonalności.

10

10

para

25°C

−6

10

1000

100

K

T

5000

ρ

cm

5

10

plazma

1

ciecz

Rys. 13.3. Charakterystyka temperaturowa rezystywności skrośnej germanu

background image

Badanie materiałów i elementów półprzewodnikowych

3

Przykład:

 

dla germanu E = 0,72 eV i przy 25

°

ρ

 

 60 

cm,

 

dla krzemu E = 1,12 eV i przy 25

°

ρ

 > 2

10

cm.

Rezystywność półprzewodników jest stała przy zmianach natężenia pola elektrycznego do około 1000

V/cm – półprzewodnik spełnia prawo Ohma.

Przy natężeniach rzędu 10.000 V/cm wzrasta liczba nośników elektryczności i wzrasta ich ruchliwość.

Dla natężeń pola rzędu 100

 

000 V/cm występuje poważne zmniejszenie rezystywności. Obserwuje się

wyraźne odstępstwo od prawa Ohma. Zależność rezystywności od natężenia pola opisywana jest wówczas
wzorem Poole’a

)

E

E

(

a

0

0

e

ρ

=

ρ

,

(13.2)

gdzie: 

ρ

0

, a - stałe, E - natężenie pola E > E

0

 = 1000 V/cm.

Dalszy wzrost natężenia pola elektrycznego powoduje nagrzewanie się półprzewodnika narastające w

sposób lawinowy. Skutkiem tego procesu jest przebicie i stopienie lub wyparowanie półprzewodnika w
obszarze gdzie występuje największa kumulacja ciepła.

Prawo Poole'a

E

J

Rys. 13.4. Typowa zależność gęstości prądu od natężenia pola w półprzewodniku

V/cm

100000

ρ

1000

E

Rys. 13.5. Zmiana rezystywności półprzewodników w  funkcji  natężenia  pola

elektrycznego

2. Półprzewodniki samoistne i niesamoistne

Półprzewodniki, w których elektrony występują tylko w paśmie walencyjnym lub w paśmie przewod-

nictwa,  nazywają  się  półprzewodnikami  samoistnymi.  Mają  one  równą  liczbę  ładunków:  elektronów  i
dziur. Liczbę elektronów lub dziur w 1 cm

3

 nazywamy koncentracją i oznaczamy  przez n (negative) dla

elektronów i p (positive) dla dziur. Przykładem półprzewodników samoistnych może być german – ciało

Różniczkowe prawo Ohma

              J = 

γ

 

 

E ,

stąd        E = 

ρ

 

 

J

background image

Ć

wiczenie 13

4

stałe, o doskonałej sieci  krystalicznej  z  naturalnymi  własnościami  półprzewodzącymi.  Dla  półprzewod-
nika samoistnego n = p.

Zasadnicze  jednak  znaczenie  w  technice  półprzewodników  mają  atomy  obcych  ciał,  nazywane  do-

mieszkami, a znajdujące się w sieci krystalicznej półprzewodnika (germanu lub krzemu).

Atomy  pierwiastków  stanowiących  domieszki  mające  pięć  elektronów  walencyjnych  nazywają  się

donorami. Należą do nich np.: fosfor (P) – dielektryk i arsen (As) - półprzewodnik.

Atomy  stanowiące  domieszki  i  mające  trzy  elektrony  walencyjne  nazywają  się 

akceptorami.  Są  to

np.: glin (Al), ind (In), gal (Ga).

W przypadku wprowadzenia fosforu do sieci krystalicznej germanu, cztery z pięciu elektronów fosfo-

ru  utworzą  wiązania  kowalentne  z  sąsiednimi  atomami  germanu,  podczas  gdy  piąty  elektron  jest  luźno
związany ze swym macierzystym atomem (rys. 13.6a).

dziura

b)

Ge

Ge

Ge

In

Ge

elektron
swobodny

a)

Ge

P

Ge

Ge

Ge

wiązanie
kowalentne

Rys. 13.6. Domieszki w germanie: fosfor (a) i ind (b)

Wystarcza niewielka energia aby piąty elektron został przeniesiony do pasma przewodnictwa i wziął

udział w przewodzeniu prądu. Takie atomy domieszek dają większą koncentrację elektronów niż dziur, a
więc warunkują przewodnictwo elektronowe. Półprzewodnik zawierający domieszki donorowe nazywa-
my półprzewodnikiem typu n.

Na pasmowym modelu energetycznym wprowadzenie atomu fosforu wytwarza nowy poziom energe-

tyczny  (donorowy)  leżący  w  górnej  części  pasma  zabronionego  i dla  przeniesienia  elektronów  z  pasma
donorowego do pasma przewodnictwa potrzebna jest stosunkowo niewielka energia z zewnątrz.

W przypadku wprowadzenia domieszek atomów z 3 elektronami walencyjnymi np. indu do sieci kry-

stalicznej germanu, w wiązaniach kowalentnych atomu indu z sąsiednimi atomami germanu będzie bra-
kowało jednego elektronu – jest to równoznaczne z istnieniem w tych wiązaniach dziur (rys. 13.6b).

Na  modelu  pasmowym  (rys.  13.7)  pojawia  się  nowy  poziom  energetyczny,  leżący  w  paśmie  wzbro-

nionym w pobliżu  pasma  podstawowego,  w  którym  powstają  dziury.  Domieszki  akceptorowe  wychwy-
tują  elektrony  z  pasma  walencyjnego,  w którym  powstaje  przewodnictwo  dziurowe.  Półprzewodnik  za-
wierający domieszki akceptorowe nazywamy półprzewodnikiem typu p.

W  półprzewodnikach  niesamoistnych  (domieszkowanych)  istnieją  więc  na  ogół  dwa  nośniki  ładun-

ków:  elektrony  i  dziury.  W  półprzewodniku  typu  n  podstawowymi  (większościowymi)  nośnikami  są
elektrony, a w półprzewodniku typu p –dziury.

Rezystywność półprzewodnika domieszkowanego można wyrazić wzorem

)

pu

nu

(

q

1

p

n

+

=

ρ

,

(13.3)

gdzie: q - ładunek elektronu, n - koncentracja elektronów, u

n

 - ruchliwość elektronów, p - koncentra-

cja dziur, u

p

 - ruchliwość dziur.

background image

Badanie materiałów i elementów półprzewodnikowych

5

poziom akceptorowy

pasmo
walen cyjne

poziom donorowy

pasmo
przewodnictwa

pasmo
wzbronione

Rys. 13.7. Pasmowy model energetyczny półprzewodnika domieszkowanego

Dla półprzewodnika typu n zachodzi nierówność n >> p zatem

n

n

u

n

q

1

=

ρ

.

(13.4)

Jak widać z wykresu na rysunku 13.8 przez odpowiednie dawkowanie domieszek tworzących pozio-

my donorowe (a także akceptorowe) można zmieniać ilość swobodnych nośników ładunku w danej tem-
peraturze, a przez to zmieniać w dużym zakresie rezystywność półprzewodnika.

Przez  połączenie  dwóch  obszarów  o  różnym  typie  przewodnictwa  powstaje  złącze  dziurowo-

elektronowe czyli złącze p-n. Istotną własnością złącza p-n jest asymetria rezystancji dla różnej polaryza-
cji przyłożonego napięcia. Stanowi ona podstawę działania: prostowników, tranzystorów, tyrystorów itp.

10

14

15

10

10

16

T

ρ

10

13

3

atomy/cm

cm

1

10

Rys. 13.8. Zależność rezystywności półprzewodnika germanowego typu n od zawartości domieszek

3. Otrzymywanie krzemu monokrystalicznego

Krzem jest obecnie podstawowym surowcem do wytwarzania elementów półprzewodnikowych. Jako

jeden z najobficiej występujących w skorupie ziemskiej pierwiastków – w postaci krzemówki (S

i

O

2

) oraz

krzemianów i glinokrzemianów - jest powszechnie dostępny. Droga do uzyskania krzemu o odpowiednio
wysokiej czystości i strukturze umożliwiającej zastosowanie go do produkcji elementów półprzewodni-
kowych, jest jednak długa i skomplikowana. Warto jednak zwrócić uwagę na fakt, że aby w procesie re-
dukcji (kolejny etap produkcji krzemu) nie nastąpiło zanieczyszczenie krzemu, pręty krzemowe polikrysta-
liczne są mocowane przy użyciu folii polietylenowej, gdyż dotknięcie dłonią spowodowało ich zanieczysz-
czenie.

background image

Ć

wiczenie 13

6

O zanieczyszczeniach mówimy wówczas, gdy w krzemie półprzewodnikowym znajdują się pierwiast-

ki pochodzące z surowca, którego nie dodano w trakcie procesu technologicznego. Ilość zanieczyszczeń
nie  może  przekraczać  jednego  atomu  pierwiastka  zanieczyszczającego  na  co  najmniej  milion  atomów
krzemu. Zawartość zanieczyszczeń oznacza się za pomocą analizy spektralnej. Domieszki to pierwiastki
celowo wprowadzane, aby uzyskać określony typ przewodnictwa.

Fakt,  że  krzem  polikrystaliczny  posiada  wysoką  czystość  (1atom  zanieczyszczeń  przypada  na  10

7

 

÷

10

10

  atomów  krzemu),  nie  zapewnia  jeszcze  całkowitej  kontroli  nad  własnościami  elektrycznymi  pół-

przewodnika. Przewodnictwo krzemu zależy także od budowy sieci krystalicznej.

Materiał polikrystaliczny składa się z wielu zrośniętych kryształów, przy czym wpływ na sposób ich

rozmieszczenia i na wewnętrzną strukturę jest niewielki. Taki materiał o dużych niejednorodnościach (z
defektami sieci krystalicznej) nie jest jeszcze dobrym surowcem na elementy półprzewodnikowe i dlate-
go prowadzi się monokrystalizację, która pozwala otrzymać półprzewodnik o możliwie idealnej krystali-
zacji. Podczas tego procesu wprowadza się także domieszki donorowe i akceptorowe, których ilość musi
być bardzo ściśle kontrolowana.

Monokrystalizację prowadzi się dwiema metodami: tyglową (Czochralskiego) oraz beztyglową.
Metoda  Czochralskiego  polega  na  ciągnięciu  monokryształu  przez  zanurzenie  zarodka  monokrysta-

licznego (tj. Małego monokryształu o właściwej strukturze) w tyglu kwarcowym zawierającym stopiony
polikryształ  krzemu  o  temperaturze  1400

°

C  (1673K)  i  powolne,  ciągłe  podnoszenie  go  przy  jednocze-

snym  obracaniu.  Wskutek  tego  monokryształ  –  mający  kształt  walca  –  narasta  od  strony  powierzchni
cieczy,  a  tuż  nad  jej  lustrem  następuje  krzepnięcie.  Powstają  w  ten  sposób  nowe  płaszczyzny  sieciowe
kryształu.

Część wyprodukowanych monokryształów tnie się za pomocą specjalnej piły na płytki, które są jesz-

cze  szlifowane  proszkiem  korundowym  (Al

2

O

3

).  Z  9  kg  krzemu  hutniczego  otrzymuje  się  1  kg  krzemu

polikrystalicznego.  Natomiast  z około  3,5  kg  krzemu  polikrystalicznego  można  uzyskać  1  kg  krzemu
monokrystalicznego. Jednakże 1 kg krzemu monokrystalicznego to tysiące tranzystorów.

4. Elementy półprzewodnikowe i ich zastosowanie

Zastosowanie  półprzewodników  wynika  ze  specyficznych  właściwości  tej  grupy  materiałów  np.  ich

wrażliwości  strukturalnej  a  także  z  szerokiego  wykorzystania  właściwości  złącza  p-n.  Charakterystyka
elementów półprzewodnikowych została przedstawiona poniżej.

a. Opornik  fotoelektryczny  (fotorezystor).  Wykorzystano  zmianę  rezystywności  materiału  pod

wpływem promieni świetlnych.
Materiały: krzem, german, selen, siarczki ołowiu i kadmu.
Zastosowanie:  układy  sygnalizacyjne  i  sterujące,  pirometry  radiacyjne,  w technice  filmowej  i
telewizyjnej.

b. Termistor.  Opornik  półprzewodnikowy  o  dużym  współczynniku  temperaturowym  rezystancji

(czuły na zmiany temperatury).
Materiały: tlenki cynku, manganu, tytanu, siarczek srebra.
Zastosowanie: dokładne i szybkie metody pomiaru temperatury, kompensacja zmian temperatu-
rowych w obwodach RLC, stabilizacja temperatury, automatyczna regulacja wzmocnienia.

c. Warystor. Rezystor półprzewodnikowy którego rezystancja jest zależna od wartości przyłożone-

go napięcia (albo też od wartości przepływającego prądu). Produkowane są jako rezystory pół-
przewodnikowe nieliniowe oraz tzw. płytki zmiennooporowe do wysokonapięciowych zaworo-
wych ograniczników przepięć.
Materiały: węglik krzemu (karborund SiC), tlenek cynku (ZnO).
Zastosowanie: stabilizacja napięć i prądów, ochrona przeciwprzepięciowa (odgromniki).

d. Hallotrony  i  gaussotrony.  Hallotron  to  element  półprzewodnikowy  oparty  na  wykorzystaniu

zjawiska Halla. W płytce półprzewodnikowej włączonej w obwód prądu i umieszczonej w polu
magnetycznym, prostopadłym do jej powierzchni i kierunku prądu, powstaje tzw. napięcie Hal-
la, Element półprzewodnikowy w którym wykorzystano zależność rezystywności półprzewodni-
ka od pola magnetycznego nazywa się gaussotronem.

background image

Badanie materiałów i elementów półprzewodnikowych

7

Materiały: german (Ge), arsenek indu (InAs), antymonek indu (InSb), tellurek rtęci (HgTe).
Zastosowanie: pomiar indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego, pośrednie pomia-
ry różnych wielkości fizycznych (np. prądu, energii elektrycznej, przesunięcia fazowego, drgań
mechanicznych, prędkości obrotowej i innych).

V

B

Α

N

I

S

H

U

Rys. 13.9. Zasada działania hallotronu: B - wektor indukcji magnetycznej, I - prąd sterujący, U

H

 - napięcie Halla

e. Ogniwo  fotoelektryczne.  Pod  wpływem  naświetlenia  powstaje  różnica  potencjałów  pomiędzy

elektrodami  przylegającymi  do  złącza  p-n.  Ogniwo  fotoelektryczne  jest  zatem  przetwornikiem
energii promieniowania w energię elektryczną.
Materiały: selen (Se), krzem (Si).
Zastosowanie: pomiary natężenia oświetlenia (luksomierze, światłomierze), ogniwa słoneczne.

f. Dioda. Diody półprzewodnikowe posiadają właściwość jednokierunkowego przewodzenia prądu

przez  złącze  p-n.  Ze  względu  na  technologię  wykonania  rozróżnia  się:  diody  ostrzowe,  war-
stwowe, tunelowe, fotodiody, diody elektroluminescencyjne (LED)  i inne.
Materiały: krzem, german, selen.
Zastosowanie: w elektronice i energoelektronice (np. w układach prostowniczych, powielaczach
napięcia, układach przekształtnikowych, układach detekcyjnych).

g. Tranzystor.  Tranzystor  to  trioda  półprzewodnikowa  (p-n-p  lub  n-p-n).  Ze  względu  na  budowę

rozróżnia się tranzystory: ostrzowe, ostrzowo-warstwowe, warstwowe, fototranzystory i inne.
Materiały: krzem (głównie), german, arsenek galu.
Zastosowanie: wzmacniacze, układy generacyjne, przetwornice itp.

h. Tyrystor.  Tyrystor  jest  półprzewodnikowym  zaworem  sterowanym  składającym  się  z  czterech

warstw p-n-p-n.
Materiał: krzem.
Zastosowanie: przetworniki napięcia (falowniki), układy prostownicze o regulowanym napięciu,
przekaźniki półprzewodnikowe i inne.

i. Układ scalony. Układ elektroniczny mający postać jednolitej miniaturowej płytki półprzewodni-

kowej  zamkniętej  w  obudowie.  Przy  zastosowaniu  odpowiednich  technologii  półprzewodniko-
wych  na  wspólnym  podłożu  krzemowym  wytwarza  się  wiele  elementów  układu  (tyrystorów,
diod,  kondensatorów,  rezystorów).  Osiągnięcia  technologii  wytwarzania  układów  scalonych
wpłynęły  na  rozwój  układów  o  zwiększonej  skali  integracji.  Postęp  ten  pozwolił  na  podjęcie
produkcji  złożonych  układów  elektronicznych  takich  jak:  pamięci  półprzewodnikowe  (RAM
i ROM), kalkulatory i mikroprocesory.

background image

Ć

wiczenie 13

8

5. Technologia produkcji płytek zmiennooporowych

Oporniki  półprzewodnikowe,  zwane  warystorami,  znalazły  największe  zastosowanie  w  zaworowych

ogranicznikach przepięć w postaci płytek zmiennooporowych tworzących słup zmiennooporowy.

Podstawowym surowcem do produkcji płytek jest węglik krzemu (SiC) tzw. karborund, który otrzy-

muje  się  z  koksu  i  piasku  kwarcowego  przez  spiekanie  w piecach  łukowych  w  temperaturze  około
2000

°

C.

Drugim  podstawowym  surowcem  jest  lepiszcze.  Może  to  być  szkło  wodne,  glinki  ceramiczne  bądź

syntetyczne żywice specjalne.

Mieszanina SiC + lepiszcze jest prasowana i formowana w płytki pod ciśnieniem 150 MPa, suszona i

wypiekana w temperaturze zależnej od rodzaju lepiszcza Powierzchnie boczne są lakierowane a czołowe
metalizowane. Metalizacja zapewnia równomierny rozkład prądu na powierzchni.

Zjawisko nieliniowości warystorów nie jest w pełni dotychczas rozeznane, niemniej jednak w każdej

teorii podstawę znaczenie przypisuje się istnieniu warstwy SiO

2

 otaczającej ziarna węglika krzemu. War-

stwa wpływa zarówno na półprzewodnikowe własności materiału, jak i decyduje o jego nieliniowej cha-
rakterystyce.

6. Pytania kontrolne

1. Omówić własności materiałów półprzewodnikowych
2. Pasmowy model energetyczny ciała stałego
3. Domieszkowanie półprzewodników
4. Technologia produkcji krzemu monokrystalicznego
5. Zastosowanie półprzewodników
6. Produkcja płytek zmiennooporowych

Literatura

1.

 

Glazer W., Antoniewicz J.: 

Wstęp do materiałoznawstwa elektrycznego. PWN, Warszawa 1971

2.

 

Kolbiński K., Słowikowski J.: 

Materiałoznawstwo elektrotechniczne. WNT, Warszawa 1978

3.

 

Tietze U., Schenk Ch.: 

Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 1996

II. BADANIA

1. Pomiar charakterystyk napięciowo-prądowych

płytek zmiennooporowych

Schemat układu przedstawia rysunek 13.10. W ćwiczeniu należy:

 

zdjąć charakterystyki U = f

 

(I) dwóch płytek zmiennooporowych korzystając ze źródła napięcia

stałego w zakresie 0 

÷

 300V (rys. 13.10),

 

obliczyć rezystancję płytek (R = U/I); wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 13.1,

Zasilacz 
napięcia 

stałego

Płytka

zmien nooporowa

V

mA

Rys. 13.10. Układ do zdejmowania charakterystyki napięciowo-prądowej

background image

Badanie materiałów i elementów półprzewodnikowych

9

Tab. 13.1. Wyniki pomiarów i obliczeń

temperatura otoczenia 

ϑ

 = .......... 

°

C

Próbka 1

Próbka 2

Lp.

U

I

R

U

I

R

V

mA

V

mA

1

2

 

wykreślić zależności U = f

 

(I) oraz R = f

 

(I),

 

zakładając zależność U = f

 

(I) w postaci

U

A I

= ⋅

α

(13.5)

obliczyć współczynniki A i 

α

,

gdzie:  A  -  stała  zależna  od  kształtu  i  wielkości  ziaren  SiC  oraz  zastosowanej  technologii, 

α

  -

współczynnik nieliniowości.

Przykład obliczenia

Logarytmując wyrażenia po obu stronach równania (13.5) otrzymamy

ln

ln

ln

U

A

I

=

+ ⋅

α

.

(13.6)

Podstawiając  y  =  lnU,  x  =  lnI  oraz  c  =  lnA  otrzymujemy  zależność  (13.6)  w  postaci  równania  linii

prostej

y

c

x

= + ⋅

α

(13.7)

 Równanie tej linii można wyznaczyć różnymi metodami, np. metodą najmniejszych kwadratów, me-

todą wybranych punktów, metodą średnich i innymi. Metoda najmniejszych kwadratów uważana za naj-
lepszą wynika z założenia, że wartości eksperymentalne są najlepiej przedstawione przez równanie, jeżeli
suma  kwadratów  różnic  wartości  zmierzonych  i  wyliczonych  osiąga  wartość  minimalną.  Największa
wada tej metody – pracochłonność – traci na znaczeniu po upowszechnieniu się metod komputerowych.

Przedstawiony przykład to znacznie prostsza metoda punktowa.
Dzielimy  wszystkie  punkty  pomiarowe  na  dwie  grupy  (patrz  tabela  13.2)  o  liczebnościach  n

1

  i  n

2

(najlepiej n

1

 = n

2

 = n/2 przy parzystej liczbie pomiarów n) i obliczamy wartości średnie w obydwu gru-

pach.

Tab. 13.2. Wyznaczanie równania linii prostej

Lp.

U

I

y = lnU

x = lnI

V

A

1

U

1

I

1

y

1

 = lnU

1

x

1

 = lnI

1

2

U

2

I

2

y

2

x

2

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

n

1

U

n

1

I

n

1

y

n

1

x

n

1

y

y

n

i

n

i

1

1

1

1

=

=

Σ

x

x

n

i

n

i

1

1

1

1

=

=

Σ

background image

Ć

wiczenie 13

10

n

+

 

1

U

n

1

1

+

I

n

1

1

+

y

n

1

1

+

x

n

1

1

+

n

+

 

2

U

n

1

2

+

I

n

1

2

+

y

n

1

2

+

x

n

1

2

+

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

n

U

n

I

n

y

n

x

n

y

y

n

i n

n

i

1

1

2

1

=

= +

Σ

x

x

n

i n

n

i

1

1

2

1

=

= +

Σ

Równanie linii prostej przechodzącej przez dwa punkty ( x

y

1

1

,

) i ( x

y

2

2

,

) ma postać

y

y

y

y

x

x

x

x

=


1

2

1

2

1

1

(

) ,

(13.8)

po przekształceniu

y

y

y

y

x

x

x

y

y

x

x

x

=


+


1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

.

(13.9)

Z porównania wzorów (13.7) i (13.9) wynikają wzory na współczynniki A i 

α

c

A

y

y

y

x

x

x

=

=

ln

1

2

1

2

2

1

(13.10)

            a więc    

A

e

y

y

y

x

x

x

=


1

2

1

2

1

1

,           

α =


y

y

x

x

2

1

2

1

.

(13.11)

2. Pomiar charakterystyk R = f

 

(

ϑϑϑϑ

) termistora, czujnika platynowego

i płytki zmiennooporowej

Schemat układu przedstawia rysunek 13.11. W podgrzewanym naczyniu z olejem umieszczona została

płytka zmiennooporowa (warystor) wraz z elektrodami, dwa czujniki temperatury (platynowy i termisto-
rowy) oraz termometr.

V

Zasilacz 
napięcia 

stałego

grzejnik

termometr

mA

Rys. 13.11. Schemat układu do wyznaczania zależności rezystancji od temperatury

background image

Badanie materiałów i elementów półprzewodnikowych

11

W ćwiczeniu należy:

 

wyznaczyć charakterystyki R = f

 

(

ϑ

) termistora, płytki zmiennooporowej i czujnika platynowego

w  zakresie  temperatur  20 

÷

  100

°

C.  Zależność  R = f

 

(

ϑ

)  dla  płytki  zmiennooporowej  należy

określić z charakterystyki I = f

 

(

ϑ

) przy U = const,

 

wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 13.3,

 

wykreślić charakterystyki R = f

 

(

ϑ

),

 

wyznaczyć współczynniki temperaturowe rezystancji termistora i czujnika platynowego wiedząc
ż

e

R

R

ϑ

β

=

+ ⋅

20

1

(

)

∆ϑ

(13.12)

gdzie: R

ϑ

 - rezystancja w temperaturze 

ϑ

, R

20

 - rezystancja w temperaturze 20

°

C, 

β

 - współczynnik

temperaturowy rezystancji.

Tab. 13.3. Wyniki pomiarów i obliczeń rezystancji elementów półprzewodnikowych

Warystor (U = ....... V)

Termistor

Czujnik platynowy

Lp.

ϑ

I

R

R

R

°

C

A

1

2

3. Wnioski

Wnioski powinny zawierać uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia oraz własne spostrzeżenia związane

z otrzymanymi wynikami badań. Należy również dokonać porównania wyników pomiarów i obliczeń dla
różnych  warystorów  oraz  charakterystyk  R  =  f

 

(

ϑ

)  obydwu  czujników.  W  przypadku  wystąpienia  roz-

bieżności między otrzymanymi wynikami i danymi literaturowymi należy wskazać źródło tych rozbieżno-
ś

ci.