wstęp

1. Wstęp .

wyznaczenie energii aktywacji dwóch półprzewodników ( materiału termistora i tranzystora ) metodą termiczną .

Zgodnie z teorią pasmową przewodnictwo elektryczne półprzewodników związane jest z ruchem elektronów w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym . W temperaturze zera bezwzględnego pasmo walencyjne jest całkowicie wypełnione elektronami ( brak dziur ) , natomiast pasmo przewodnictwa pozbawione jest elektronów . Generacja elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa może wystąpić pod wpływem dostarczonej energii zewnętrznej w postaci ciepła , lub promieniowania . Dzieje się tak dlatego , ponieważ energia ruchu pewnej ilości elektronów przekracza wartość przerwy energetycznej między tymi poziomami . Ilość takich elektronów rośnie więc ze wzrostem temperatury , więc koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa (n) i dziur w paśmie walencyjnym (p) zależna jest od stosunku T/DE , gdzie DE jest energią aktywacji zależną od rodzaju materiału i stopnia domieszkowania półprzewodnika . Zależność tą opisują równania :

n = noexp(-DEn/kT)

p = poexp(-DEp/kT)

gdzie :

k - stała Boltzmanna ,

T - temperatura w skali bezwzględnej ,

Dla półprzewodników samoistnych energie aktywacji elektronów i dziur są jednakowe i równe połowie przerwy energetycznej .

Dla półprzewodników domieszkowych , na przykład typu n , do pasma przewodnictwa wzbudzane są elektrony z poziomów donorowych. Zależność koncentracji elektronów w paśmie przewodnictwa od temperatury jest tutaj analogiczna jak dla półprzewodników samoistnych , z tym że DEn jest zbliżona do różnicy energii między poziomem donorowym a pasmem przewodnictwa.

Można stąd wyprowadzić wzór na zależność przewodnictwa elektrycznego półprzewodnika od temperatury niezależnie od jego typu :

s = soexp(-DE/kT)

gdzie DE jest odpowiednią dla danego półprzewodnika energią aktywacji .

Z równania tego wynikają dwa następne :

R = Roexp(DE/kT)

oraz

ln(R/Ro) = DE/kT

Z zależności tych wynika , że wykres ln(R/Ro) = f(1/T) dla półprzewodnika powinien być linią prostą , której nachylenie zależy od energii aktywacji .

Zakres ćwiczenia obejmuje więc wyznaczenie energii aktywacji dla materiałów termistora i tranzystora przy wzroście i spadku temperatury , poprzez pomiar rezystancji termistora i prądu płynącego przez złącze emiter - kolektor tranzystora .

metodyka pomiarów

2. Metodyka pomiarów .

2.1. Opis stanowiska pomiarowego .

Układ pomiarowy składa się z woltomierza , termometru , cyfrowego miernika oporu i elektronicznego miernika prądu . W skład układu wchodzi jeszcze zasilany z autotransformatora grzejnik w którym są umieszczone badane półprzewodniki .

2.2. Schemat układu pomiarowego .

3. Przebieg pomiarów .

Dokonano pomiaru rezystancji termistora i prądu tranzystora w temperaturze pokojowej . Następnie zwiększając temperaturę grzejnika zanotowano zmiany rezystancji i prądu przy jednakowych zmianach temperatury . Czynności te powtórzono przy spadku temperatury .

Przy pomiarach zwracano uwagę na to , aby temperatura nie rosła, ani nie malała zbyt szybko i umożliwiała łatwy i dokładny odczyt rezystancji i prądu .

Pomiary przeprowadzono dla zmian temperatury w zakresie od 26 - 165 oC , uzyskując zarówno przy jej narastaniu jak i spadku 10 wartości par wyników .

wyniki pomiarów

4. Wyniki pomiarów .

Wyniki pomiarów przedstawiono w tabelkach :

- dla nagrzewania

T oC 26 35 50 65 80

R kW 12.35 8.45 4.66 2.70 1.66

I nA 0.52 1.4 7.4 34 140

T oC 95 110 125 140 155

R kW 1.05 0.69 0.46 0.31 0.22

I nA 455 1250 3500 8700 20500

- dla chłodzenia

T oC 155 140 125 110 95

R kW 0.26 0.35 0.49 0.71 1.11

I nA 21000 10000 3900 1500 525

T oC 80 65 50 35 28

R kW 1.76 2.88 4.88 8.66 11.44

I nA 160 40 8.5 1.5 0.7

opracowanie wyników pomiarów

5. Opracowanie wyników pomiarów.

Związek między rezystancją R a temperaturą T wyrażony wzorem :

R = Ro exp( DE/kT )

możemy przedstawić w innej postaci:

ln ( R/Ro ) = DE/kT

Stąd :

DE 1

ln R = * + ln Ro

k T

Analogicznie możemy przedstawić związek między prądem I a tempe- raturą T :

DE 1

ln I= - + ln U - ln Ro

k T

gdzie : U - stałe napięcie między kolektorem a emiterem badanego tranzystora

Po zmianie wyników pomiarów bezpośrednich (R,T) oraz (I,T) na nowe zmienne (lnR,1/T) oraz (lnI,1/T) dopasowujemy proste metodą regresji liniowej.

Wyniki dopasowania przedstawiono w tabeli:

termistor tranzystor

a 3986.56 -10541.62

Da 17.42 84.78

nagrzewanie

b -3.89 34.65

Db 0.05 0.24

a 3882.14 -10552.52

Da 19.41 123.43

chłodzenie

b -3.54 34.80

Db 0.05 0.35

_

U

Ć!X#0 U rö_P: rr

#0 77

Ć!X#0

ö_P: Rö_P:

SS

22

ö_P: p@ &ö_P:

7p[p:

HH

H

H

p

ĘH

U

Ć!X#0 U pć@hS

---