3. gyakorlat. Félvezető eszközök jellemzőinek vizsgálata a hőmérséklet függvényében

Átírás

1 3. gyakorlat Félvezető eszközök jellemzőinek vizsgálata a hőmérséklet függvényében A gyakorlat során a hallgatók 2 mérési feladatot végeznek el: 1. A félvezetők vezetési- és valenciasávja között elhelyezkedő tiltott sáv szélességének és hőmérsékletfüggésének meghatározása Mérés kiértékeléséhez szükséges elmélet: A p-n átmeneten átfolyó áram a Shockley (dióda) egyenlet segítségével meghatározható: I =I 0 e qu kt 1 Az egyenletben az I 0 a záró irányú áram, a q az elektron töltése, k a Boltzmann tényező, T az abszolút hőmérséklet. Az I 0 záró irányú áram az I 0 = A T 3 Wt T 2 kt e (Groove 1967) összefüggéssel számítható, ahol az A konstans, γ töltésmozgékonyságtól és hőmérséklettől függő egész állandó, Ge esetén (-3), Si esetén (-4), GaAs esetén (-2). A W t tiltott sáv szélessége. A fenti két egyenlet egyesítésével és az egyesített egyenletből a qu-t kifejezve jutunk a következő kifejezéshez: qu =W t T kt [ ln I A 3 2 ln T ] A fenti egyenletből W t (T) kifejezhető: W t T =qu kt [ ln I A 3 2 ln T ] A mérés során a p-n átmenet feszültsége digitális voltmérő segítségével mérhető a T hőmérséklet függvényében. Az I áramot áramgenerátorral állandó értéken tartjuk: I=10mA. A hőmérsékletet digitális hőmérővel mérjük, az U feszültséget a hőmérséklet függvényében feljegyezzük, kb. 10 Kelvinenként. 3. gyakorlat 1

2 A mérésnél használt eszközök: styrofoam csésze folyékony nitrogén 10mA-es áramgenerátor 3db. réztömbbe beépített LED és tranzisztorok digitális voltmérő digitális hőmérő villanymelegítő Mérési összeállítás: Tápegység 15 V Piros Fekete Áramgenerátor panel TIL31 GaAs Infravörös dióda 2N222A NPN (kapcsoló) tranzisztor V AF139A Ge - NPN tranzisztor Ezt a mérést a következő feladattal együtt végezze el, az ott leírt lépések alapján! 2. Adalékozott félvezetők extrinsic és intrinsic tartományának meghatározása a félvezető ellenállás-hőmérséklet karakterisztikájának mérésével Mérés kiértékeléséhez szükséges elmélet: A félvezető minta fajlagos ellenállása: = A d ahol az a minta ellenállása, A a minta keresztmetszete, d a minta hossza. 3. gyakorlat 2

3 További ismert és felhasználásra kerülő összefüggések: az áramsűrűség J = I A, az elektromos térerősség E= U D, a vezetőképesség = J E. A továbbiakban az n a többségi töltéshordozók koncentrációját jelenti! Az extrinsic tartományban az adalékolt félvezetőkben az N az adalék anyag koncentrációja (és az ebből származó töltéshordozó koncentráció) sokkal nagyobb, mint a hőmérséklet hatására létrejövő elektron-lyuk pár, n i koncentráció. A szabad töltéshordozó koncentráció az n = ni+n N. Ezért ebben a tartományban a töltéshordozó koncentráció közel állandó. Az extrinsic tartományban az áramsűrűség a J =qnv d =qnμe összefüggéssel számolható, ahol a q a töltéshordozó töltése, v d a töltéshordozók átlagos sodródási sebessége, μ a töltéshordozók mozgékonysága. A fentiek miatt az extrinsic tartományban a = J E =qnμ összefüggés alapján csak a töltéshordozók mozgékonyságának hőmérsékletfüggése miatt változik. A mozgékonyság arányos a T 3 2 -ennel. A hőmérséklet növekedésekor nő az elektron-lyuk pár koncentráció, az N<<n elérésekor a félvezető az intrinsic vezetési tartományba kerül. Ekkor a vezetőképesség = J E =q n n p n =q 1 b n i n, ahol b= n p ami közel hőmérséklet független értékű. Az n i = p i. Ezért a vezetőképesség csak az n i töltéskoncentrációtól függ. Az ni =N c T 3 2 e W t 2kT, a Wt 200K feletti hőmérsékleten alig változik, Mcfarlane ( ) mérései alapján Si esetén W t = (1,205 0,0003 T) értékű. Így a vezetőképesség ebben a tartományban közel exponenciálisan az 1/T-től függ. 3. gyakorlat 3

4 A mérésnél használt eszközök: styrofoam csésze folyékony nitrogén réztömbbe beépített 2N2646 tranzisztor digitális ellenállásmérő digitális hőmérő villanymelegítő Mérési összeállítás: 2N2646 P-csat. UJT A mérés menete: 1. Csatlakoztassa a panelon található áramgenerátorokat a tápegységhez! 2. Helyezze a félvezetőket tartalmazó réztömböt a védőtálcán lévőcsészébe. A réztömb hőmérséklet érzékelő furatába tegye be a hőmérséklet érzékelő fejet. 3. Kapcsolja be a digitális voltmérőt és a digitális hőmérőt! 4. Kapcsolja be a tápegységet és állítson be 15V kimenőfeszültséget! 5. A réztömböt tartalmazó csészébe, nagyon óvatosan öntsön folyékony nitrogént, a réztömb magasságának ¾-éig. 6. Várja meg, amíg a hőmérséklet állandósul, ekkor mérje meg digitális voltmérővel az U 1 - U 3 -ig a feszültségeket, valamint a VC240 ohm mérővel a félvezető (2N2646) ellenállását! Jegyezze fel a hőmérsékletet, a hőmérséklethez tartozó feszültségeket és az ellenállást. 7. A hőmérőt figyelve kb. 10K-ként végezze el a fenti mérést, jegyezze fel a mérési eredményeket! 8. A szobahőmérsékletet elérve a rendelkezésre álló melegítővel folytassa a mérést 473K-ig. 3. gyakorlat 4

5 A mérés kiértékelése: 1-es mérés: A tiltott sáv szélességének hőmérséklet függése a W t T =qu T [ k ln I A k 3 2 ln T ] összefüggéssel meghatározható. Az U = U ki, U 1 U 3 mért feszültséget a q=1, As elektrontöltéssel szorozzuk meg és a fenti összefüggésbe helyettesítsük be. Ábrázolja a mérési (számítási) eredményeket a W t (T) diagramon. A rajzolt görbe alapján extrapolálva a 0K-os hőmérsékletre, meghatározható a W t (0), amit hasonlítson össze a az irodalmi adatokkal! Ge 0,74eV; Si 1,17eV; GaAs 1,53eV Az A konstans kiszámításához segítség: a tiltott sáv szélességének hőfok függése W T T =W T 0 T 2 2-es mérés: Anyag: W T (0) [ev] α [ ev K ] T szerinti, ahol: β [K] Ge 0,7437 4, Si 1,17 4, GaAs 1,519 5, Ábrázolja a mérési eredményeket a -T diagramon.! Számolja ki a log() értékeket! 2. Ábrázolja a számítási eredményeket a log()-1000/t diagramon. Az a hőmérsékleti tartomány, ahol az ábrázolt görbe egyenes, az adalékolt félvezetőlapka intrinsic vezetési állapota a jellemző. Határozza meg az alsó és felső hőmérsékleti határértéket értéket! 3. Ábrázolja a számítási eredményeket a log()-log(t) diagramon. Az a hőmérsékleti tartomány, ahol az ábrázolt görbe egyenes, az adalékolt félvezetőlapka extrinsic vezetési állapota a jellemző. Határozza meg az alsó és felső hőmérsékleti határértéket értéket! 3. gyakorlat 5