Nr ćw. 200 |
21.11 1995
|
Krzysztof Misiewicz |
Wydział Elektryczny |
Semestr III |
Grupa nr wtorkowa godz.8.00 |
mgr Ewa Chrzumnicka |
Przygotowanie |
Wykonanie |
Ocena ost. |
„Wyznaczanie bariery potencjału na złączu p-n”
Wstęp teoretyczny
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 półprzwodniki , 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 :
.
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 zalezy 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 :
.
Wypadkowy prąd jest różnicą tych dwóch prądów i wynosi :
(*).
Zasada pomiaru
Wykorzystując charaktertystykę diody w kierunku przewodzenia , przy założeniu :
eV>5kT można zaniedbać jedynkę we wzorze (*) , kóry po zlogarytmowaniu przymie postać :
.
Ponieważ wartość EW - EF jest rzędu 10-2eV i jest o co najmniej rząd wielkości mniejsza niż wysokość bariery ej , wię 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) . Wykresm jest linia prosta , której współczynnik nachylenia wynosi :
Obliczamy ten współczynnik metodą regresji liniowej i znajdujemy barierę potencjału z zależności :
Układ pomiarowy
Obliczenia:
Wyznaczenie prądu nasycenia
Ponieważ prąd nasycenia jest związany z napięciem i prądem następującą zależnością :
.
Jeśli wykreślimy to równanie we współrzędnych x=V i y=lnI otrzymamy linię prostą przcinającą oś y w punkcie , który ma wartość : lnIs . Wykres na stronie 5. Punkt ten można zatem znaleźć za pomocą regresji liniowej . Postępując tak dla wszystkich temperatur otrzymujemy :
Lp |
I [x10-19A] |
ln I
|
T = 275 K U [ V ] |
T = 289 K U [ V ] |
T = 294 K U [ V ] |
T = 314 K U [ V ] |
1 |
75 |
4.31 |
0.562 |
0.525 |
0.517 |
0.460 |
2 |
70 |
4.24 |
0.558 |
0.522 |
0.514 |
0.456 |
3 |
65 |
4.17 |
0.554 |
0.517 |
0.510 |
0.451 |
4 |
60 |
4.09 |
0.550 |
0.513 |
0.506 |
0.447 |
5 |
55 |
4.00 |
0.545 |
0.509 |
0.502 |
0.442 |
6 |
50 |
3.90 |
0.540 |
0.504 |
0.496 |
0.437 |
7 |
45 |
3.80 |
0.535 |
0.499 |
0.491 |
0.431 |
8 |
40 |
3.68 |
0.529 |
0.493 |
0.486 |
0.425 |
9 |
35 |
3.55 |
0.522 |
0.485 |
0.478 |
0.418 |
10 |
30 |
3.40 |
0.515 |
0.478 |
0.471 |
0.410 |
11 |
25 |
3.21 |
0.506 |
0.469 |
0.461 |
0.400 |
12 |
20 |
2.99 |
0.496 |
0.457 |
0.451 |
0.389 |
13 |
15 |
2.70 |
0.481 |
0.444 |
0.437 |
0.374 |
14 |
10 |
2.30 |
0.462 |
0.423 |
0.416 |
0.352 |
15 |
5 |
1.60 |
0.429 |
0.387 |
0.383 |
0.313 |
|
T=275 K |
T=289 K |
T=294 K |
T=314 K |
b=lnIs |
-7.127 |
-6.031 |
-6.072 |
-4.259 |
b |
0.06182 |
0.03883 |
0.04372 |
0.03319 |
|
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 :
Błędy pomiaru prądu nasycenia :
.
Wyznaczenie bariery potencjału
Bariera potencjału została wyznaczona także przy pomocy regresji liniowej . Wyznaczamy współczynnik nachylenia prostej o równaniu :
,
gdzie y=1/T ,
x=lnIs .
Współczynnik nachylenia prostej wyznaczony metodą regresji wynosi :
a = - 6273
Błąd wyznaczenia tego współczynnika :
Δa = 813
Korzystając z równania :
, [ 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 .
4