Politechnika Śląska

Wydział Transportu

Tychy

Laboratorium z Inżynierii Materiałów

SPRAWOZDANIE

Temat: „Badanie właściwości elektrycznych materiałów. Badanie właściwości elektrycznych półprzewodników i złącz półprzewodnikowych.”

Grupa TT 11

1. Dąbkowski Marcin

2. Kulczak Andrzej

3. Osmólska Anna

4. Sienkiewicz Patryk

1. Wstęp

Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: P i N. W obszarze typu N występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory). Analogicznie w obszarze typu P nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim oraz atomy domieszek (akceptory). W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.

Donor (ang. donor - dawca) - w chemii to cząsteczka, pojedynczy atom lub jon, który dostarcza elektron, proton, grupę funkcyjną lub określony jon innym cząsteczkom w trakcie reakcji chemicznej. Cząsteczki przyjmujące (przeciwne donorowym) nazywane są akceptorami.

Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu (prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie" nie powoduje uszkodzenia złącza.

Złącza niespolaryzowane w stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów P i N swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu P, natomiast dziury do obszaru typu N (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwu swobodnych nośników. Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu mikroamperów (10 ^{− 6}), a nawet pikoamperów (10 ^{− 12}).

Złącza spolaryzowane. Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:

• w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru P;

• w kierunku zaporowym, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru N.

Bez względu na polaryzację dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze zubożonym.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z właściwościami elektrycznych materiałów. Badaniu podano półprzewodniki elektryczne i złącza półprzewodnikowe takie jak:

• złącze P-N (krzem),

• złącze metal-półprzewodnik,

• złącze P-N (zjawisko Zenera),

• półprzewodnik typu N.

3. Przebieg ćwiczenia

Przeprowadzenie ćwiczenia polegało na zebraniu danych z mierników elektrycznych, które wskazywały napięcie i natężenie dla różnych półprzewodników elektrycznych i złącz półprzewodnikowych podanych w punkcie 2. Poprzez zmianę natężenia za pomocą pokrętła odczytywano napięcie na mierniku elektrycznym.

Po zebraniu danych (zamieszone w tablicach 1-4) sporządzono:

1. Wykres nr 1 i 2 zależności natężenia od napięcia dla półprzewodniki elektryczne i złącza półprzewodnikowe .

2. Wykres nr 3 zależności oporu od napięcia dla półprzewodniki elektryczne i złącza półprzewodnikowe

• aby wyznaczyć opór zastosowano wzór:

3. Wykres nr 4 zależności kondunktancji od napięcia dla półprzewodniki elektryczne i złącza półprzewodnikowe

• aby wyznaczyć konduktancje zastosowano wzór:

4. Wnioski

- Przeprowadzone ćwiczenie miało na celu zapoznanie z podstawowymi własnościami materiałów stosowanych obecnie w elektronice, jakimi są materiały półprzewodnikowe,

- Dla badanych materiałów (oprócz półprzewodnika typu N), stwierdzono iż dla natężenia bliskiego zeru, następuje nagły przyrost natężenia. Po osiągnięciu pewnej wartości, mimo wzrostu natężenia prądu, wartość napięcia jest stała. Dla Zenera stwierdzono występowanie ujemnego napięcia w kierunku zaporowym. Dla półprzewodnika typu N zaobserwowano liniową zależność,

- Dla każdego materiału, (oprócz Zenera) zaobserwowano, iż wraz ze wzrostem oporu następuje spadek napięcia. Dla Zenera po osiągnięci pewnej wartości oporu, wraz ze spadkiem napięcia następuje spadek oporu,

- Dla każdego z badanych materiałów, po osiągnięciu pewnej wartości napięcia, mimo wzrostu kondunktancji, napięcie jest stałe.

---