Kinga Sowa Toruń, dn. 21.01.2005

Piątek, 10¹⁵

ĆWICZENIE NR 8

Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej dla pastylek z polimeru przewodzącego w układzie struktur barierowych Au-SP-Au i Al-SP-Al.

WSTĘP TEORETYCZNY

Struktury barierowe można podzielić na :

A) jednobarierowe struktury metal-przewodnik - przykładem takiej struktury jest dioda Schottkego;

B) dwubarierowe struktury - struktury te zbudowane są z dwóch diod S, które połączone są w układzie „back to back”: M-SP-M. Przykładem takich struktur barierowych są: Au-SP-Au i Al-SP-Al. W strukturach tych złącza A i B są wykonane z tego samego metalu. Złącza te muszą mieć odpowiednią czystość, dlatego nanosi się je tzw. metodą próżniową.

Układy dwubarierowe mogą mieć różne właściwości w zależności od stosowanego metalu, a dokładniej od wartości pracy wyjścia elektronu z metalu. Przykładem takiej właściwości jest wysokość bariery Φ_M na złączu metal-przewodnik. Wyróżnia się układy symetryczne i niesymetryczne, gdzie kryterium podziału jest wysokość bariery.

Układy symetryczne - występują wtedy gdy wysokość bariery na złączu A (Φ_A) jest równa wysokości bariery na złączu B (Φ_B);

Układy niesymetryczne - występują wówczas gdy istnieje różnica wysokości pomiędzy barierami na złączu A i B.

Drugim rodzajem właściwości odgrywającej ważną rolę jest grubość warstwy półprzewodnikowej - d. Właściwość ta w znacznym stopniu wpływa na właściwości elektryczne układu M-SP-M.

• W przypadku gdy struktura dwubarierowa posiada grubą warstwę półprzewodnikową (do 10^-1cm), cały układ M-SP-M jest równoważny dwu złączom metal-przewodnik, które są ze sobą połączone szeregowo. W takim układzie przyłożenie napięcia do 50V powoduję, że jedno złącze jest spolaryzowane zaporowo a drugie przewodząco. Za transport nośników prądu odpowiedzialna jest tutaj emisja ponadbarierowa. Wykonanie charakterystyki prądowo-napięciowej pozwala zauważyć, że względu na prostoliniowy charakter zależności natężenia w funkcji napięcia taki układ spełnia prawo Ohma.

• W przypadku gdy układ M-SP-M zawiera cienką warstwę półprzewodnikową, przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej wykazuje charakter odmienny od prostoliniowego. W związku z czym złącza wykazują charakter prostowniczy.

W drugim przypadku charakter prostowniczy złącza umożliwia wyznaczenie wysokości bariery Φ_M, na podstawie zależności przedstawionej równaniami (1) i (2):

dla V = 3kT (1)

(2)

gdzie:

q - ładunek elementarny;

I - gęstość prądu;

V - napięcie prądu;

A stała Richardsona;

Na podstawie sporządzonej krzywej zależności lnI = f(V) , powstałej ze logarytmowania równania (1) można wyznaczyć wartość członu nkT/q z nachylenia tej prostej. Natomiast ekstrapolacja prostej do V = 0 umożliwia wyznaczenie I_S.

W przypadku gdy znana jest stała Richardsona oraz wartość I_S można wyznaczyć wysokość bariery Φ_M na złączu metal-przewodnik bezpośrednio ze znajomości wartości prądu nasycenia I_S.

W przypadku gdy nie jest znana stała A, na podstawie logarytmowanego równania (2), uzyskiwana jest zależność (3):

(3)

W związku z czym z wykresu zależności
można wyznaczyć z nachylenia prostej Φ_M , a z przecięcia z osią rzędnych można wyznaczyć stałą Richardsona A dla badanego układu dwubarierowego.

OPIS WYKONANIA ĆWICZENIA

Sprasowany półprzewodnik polimerowy z obustronnie naniesionymi elektrodami Au, w formie pastylki umieszczono między stykami urządzenia do pomiaru zależności I = f(V). Urządzenie to umieszczono w komorze termostatującej i ustawiono temperaturę termostatowania na 21˚C, 29˚C. Włączono pikoamperomierz i zasilacz prądu.

Dla obu temperatur wykonano pomiary w zakresie napięć 0-2V zmieniając napięcie co 0,2V oraz w zakresie 2-20V zmieniając napięcie co 1V.

OBLICZENIA

• Uzyskane wyniki pomiarów dla temp. 21˚C, 29˚C zestawiono w poniższej tabeli:

T [21˚C], U [V]	I [A] 10^8	T [29˚C], U [V]	I[A] 10^8
0,185	0,015	0,186	0,09
0,377	0,045	0,378	0,13
0,568	0,082	0,569	0,17
0,759	0,115	0,760	0,21
0,950	0,145	0,950	0,25
1,235	0,195	1,141	0,29
1,426	0,228	1,428	0,36
1,617	0,260	1,619	0,40
1,808	0,295	1,809	0,42
1,999	0,340	2,001	0,48
2,954	0,660	2,956	0,70
3,997	0,900	4,000	0,94
4,953	1,100	4,957	1,20
6,006	1,400	6,010	1,45
6,961	1,600	6,965	1,70
8,015	1,900	8,021	1,95
8,971	2,200	8,976	2,20
10,024	2,400	10,029	2,50
10,980	2,650	10,986	2,80
12,023	2,950	12,029	3,05
12,978	3,400	12,985	3,40
14,029	3,700	14,037	3,70
14,985	4,000	14,993	4,00
15,991	4,300	15,999	4,20
17,042	4,600	16,954	4,50
17,998	4,900	18,006	4,80
18,953	5,200	18,962	5,10
19,995	5,600	19,982	5,40

• Na podstawie wyników pomiarowych sporządzono wykresy zależności I = f(U)

• Obliczono wartości przewodnictwa właściwego σ korzystając ze wzoru:




gdzie:

I - natężenie prądu [A];

V - napięcie [V];

d - grubość pastylki [cm];

S - powierzchnia elektrody [cm²];

Wyniki obliczeń zestawiono w poniższej tabeli:

σ [Ω/cm] *10^8, T=21C	σ [Ω/cm] *10^8, T=29C
0,65	3,95
4,00	11,58
10,98	22,80
20,57	37,62
32,47	55,98
56,76	77,99
76,64	121,17
99,10	152,65
125,72	179,09
160,20	226,39
459,55	487,73
847,92	886,27
1284,22	1402,10
1981,94	2054,10
2625,24	2790,93
3589,51	3686,73
4652,02	4654,61
5670,62	5909,84
6858,46	7250,63
8360,13	8647,84
10400,75	10406,36
12235,07	12242,05
14128,46	14136,00
16207,73	15838,73
18478,07	17983,03
20787,32	20372,14
23230,55	22794,63
26392,93	25433,78

• Wyznaczono wartość prądu nasycenia I_S z ekstrapolacji prostych do napięcia V = 0.

- dla temp. 21˚C równanie prostej ma postać I = 0,278U - 0,1914 , stąd


- dla temp. 29˚C równanie prostej ma postać I = 0,2669U - 0,0614 , stąd


Stała Richardsona w przypadku tego układu w zależności od dwóch temperatur A = 1.

WNIOSKI KOŃCOWE

Dla układu dwubarierowego zastosowanego w powyższym ćwiczeniu dokonano charakterystyki prądowo-napięciowej. Zależność natężenia prądu od przyłożonego napięcia wykazuje charakter liniowy. Wraz ze wzrostem napięcia rośnie natężenie płynącego prądu - czego dowodem są wykresy zależności I = f(U). W przypadku wzrostu temperatury przewodnictwo właściwe układu dwubarierowego jest odpowiednio niższe. Należy wywnioskować, że temperatura ma wpływ na wartości przewodnictwa właściwego σ.

---