Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках




Скачать 458.03 Kb.
НазваниеЛабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках
страница1/6
Дата02.11.2012
Размер458.03 Kb.
ТипЛабораторная работа
  1   2   3   4   5   6




ОГЛАВЛЕНИЕ


Лабораторная работа № 7

Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках…………………………………………………………

4

Лабораторная работа № 8

Тема: Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли…………………………

7

Лабораторная работа № 9

Тема: Изучение термоэлектронной эмиссии…………...

10

Лабораторная работа № 10

Тема: Экспериментальное исследование зависимости электропроводности полупроводников от температуры

14

Лабораторная работа № 11

Тема: Определение удельного заряда электрона методом магнитной фокусировки……………………………

17

Лабораторная работа № 12

Тема: Определение точки Кюри ферромагнетиков……

19

Лабораторная работа № 13

Тема: Изучение закона Ома в цепях переменного тока

22

Лабораторная работа № 14

Тема: Изучение магнитного поля соленоида…………..

25

Значения синусов и тангенсов для углов 0…90˚…………………………..

28

Правила построения графиков………………………………………………

29

Список литературы…………………………………………………………..

30


Требования по оформлению лабораторных работ


Лабораторная работа должна быть оформлена собственноручно студентом в тетради, выполнена аккуратно, по возможности без исправлений, и должна содержать следующий перечень данных:

  1. Дату выполнения работы.

  2. Номер работы, её название (тему), цель.

  3. Приборы и принадлежности к работе.

  4. Краткую теорию по работе (расчётные формулы, электрические схемы, значения физических постоянных и т.п.).

  5. Промежуточные результаты эксперимента, оформленные в виде таблицы или в ином другом виде.

  6. Окончательные результаты (с погрешностью измерений в тех работах, где это необходимо).

  7. Графики в тех работах, где это необходимо. Выполняются на миллиметровой бумаге и приобщаются к результатам работы.

  8. Вывод(ы) о проделанном эксперименте.

Л
7

Ф-О
АБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках

Цель работы: экспериментально изучить нелинейный характер вольтамперных характеристик контакта двух полупроводников с различным типом проводимости.

Приборы и принадлежности: полупроводниковый диод, балластное сопротивление, источник питания ИЭПП-1, коммутационный двойной ключ, вольтметр, миллиамперметр, микроамперметр, соединительные проводники.

Продолжительность выполнения работы 2 часа.

ВВЕДЕНИЕ



Все вещества можно разделить на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различие в электропроводности веществ может быть выяснено при рассмотрении энергетических диаграмм (энергетических зон). Анализ этих диаграмм показывает, что электрические свойства полупроводников резко изменяются под влиянием ряда физических факторов: температуры, освещенности, электрического поля, концентрации примесей. Наибольшее применение нашли в практике так называемые примесные полупроводники, получаемые путем легирования (внесения соответствующим технологическим способом в исходный полупроводник высокой степени чистоты примесей, валентность которых, к примеру, на единицу больше или меньше валентности исходного чистого полупроводника). В зависимости от этого можно получить полупроводник, обладающий либо электронной (полупроводник n-типа), либо дырочной (полупроводник p-типа) проводимостями. Контакт двух полупроводников с различным типом проводимости обладает весьма интересными свойствами и находит огромное практическое применение в полупроводниковой электронике для изготовления полупроводниковых диодов, триодов (транзисторов) и других элементов.

При контакте двух полупроводников p-типа и n-типа на границе их раздела в результате диффузии электронов из донорного полупроводника в акцепторный полупроводник и наоборот возникает двойной электрический слой, образованный объемным зарядом узлов кристаллической решетки соответствующих областей полупроводников, прилегающих к поверхности соприкосновения рассматриваемых полупроводников. Электрическое поле двойного электрического слоя Е является тем фактором, который при данной температуре препятствует диффузии носителей из областей, лежащих влево и вправо от границ двойного электрического слоя (рисунок 1).




Рисунок 1




a)

б)

Рисунок 2
Следует отметить, что двойной электрический слой, объединенный за счет диффузии подвижными носителями, рекомбинировавшими в соответствующих областях (электроны рекомбинируют с дырками в p-области, а дырки – с электронами в n- области, и все это происходит вблизи границы раздела полупроводников) обладает существенно бόльшим сопротивлением, чем остальные области контактирующих полупроводников. Двойной электрический слой принято называть p-n-переходом. Этот переход обладает интересным свойством. Если к нему приложить внешнее электрическое поле, направление которого указана на рисунке 2а, то результирующая напряженность электрического поля на границе раздела возрастет, что приведет к увеличению ширины двойного электрического слоя, и, следовательно, к увеличению сопротивления этого слоя и конструкции в целом.

Обратная полярность внешнего приложенного к p-n-переходу напряжения, наоборот, приводит к сужению двойного электрического слоя и к уменьшению сопротивления как этой области, так и всего устройства. Если внешнее поле, полярность которого указана на рисунке 2б, подобрать таким, что оно скомпенсирует поле двойного электрического слоя, то этот слой «исчезнет», и сопротивление всего устройства будет определяться теперь только сопротивлением двух контактирующих «кусков» полупроводников p-типа и n-типа. В таких случаях говорят, что p-n-переход «заперт».

Теоретический анализ рассмотренного явления показывает, зависимость тока p-n-перехода от приложенного напряжения имеет следующий вид:

,

где i – ток p-n-перехода,

Is – ток насыщения,

U – внешнее напряжение,

e заряд электрона,

kпостоянная Больцмана,

Tабсолютная температура.

Зависимость тока p-n-перехода от напряжения, во-первых, носит экспоненциальный характер, во-вторых, если учесть, что при комнатной температуре значение kT/e в показателе экспоненты составляет около 0,03 В, то уже при внешних напряжениях порядка 0,1 В, а тем более при высших его значениях, единицей в скобках можно пренебречь. Тогда вольтамперная характеристика перехода при положительных напряжениях, приложенных к нему, будет иметь вид экспоненты (рисунок 3, кривая 1).




Рисунок 3



Рисунок 4
При отрицательных напряжениях, при которых это напряжение , наоборот, можно пренебречь членом по сравнению с единицей. Тогда вольтамперная характеристика p-n-перехода при отрицательных напряжениях будет иметь вид прямой 2 вплоть до напряжений, при которых происходит пробой p-n-перехода (рисунок 3, кривая 3). В связи с практическим постоянством обратного тока p-n-перехода при изменении обратного напряжения его называют током насыщения и обозначают через Is. Ток насыщения зависит от температуры перехода и технологических параметров полупроводника, из которого он изготовлен. Следует также отметить, что ток насыщения во много раз меньше прямого тока перехода. Именно это обстоятельство – свойство односторонней проводимости – позволяет использовать данное физическое явление для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Устройства, в которых реализованы описанные выше явления, называются полупроводниковыми диодами, или полупроводниковыми вентилями.

Структуры, схематическое изображение которых представлено на рисунке 4, получили наименование полупроводниковых триодов, или транзисторов. На рисунке 4а изображен p-n-p-транзистор, на рисунке 4б – n-p-n-транзистор.

В данной работе на примере полупроводникового диода необходимо изучить одно из важнейших свойств контакта двух полупроводников с различным типом проводимости: необходимо убедиться в свойстве односторонней проводимости p-n-перехода и в нелинейности его вольтамперной характеристики.


Измерения и обработка результатов


Перед выполнением работы изучить все компоненты заранее собранной электрической цепи.

В качестве источника регулируемого постоянного напряжения служит блок питания ИЭПП. Выходное напряжение на зажимах источника регулируется ручкой управления, расположенной на лицевой панели. Вольтметром контролируется устанавливаемое на диоде напряжение, а с помощью миллиамперметра (при снятии прямой ветви) и с помощью микроамперметра (при снятии обратной ветви характеристики) измеряется ток диода. При этом следует иметь в виду, что сначала включается миллиамперметр и снимается прямая ветвь характеристики до значений токов 30 мА. Затем необходимо ключ К перевести на обратное включение и только после этого, подключив микроамперметр, приступить к снятию обратной ветви вольтамперной характеристики. Напряжение на обратной ветви следует изменять от нуля до 12…15 В через каждые 1…1,5 В.

По данным измерений построить вольтамперную характеристику полупроводникового диода.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


  1. Объяснить механизм электропроводности у собственного и примесного полупроводников. Приведите примеры полупроводников.

  2. Изобразить расположение донорных и акцепторных уровней по отношению к валентной зоне и зоне проводимости.

  3. Объяснить механизм возникновения запирающего слоя p-n-перехода при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости.

  4. Объяснить различие в проводимостях p-n-перехода при изменении полярности приложенного к нему напряжения.

  5. Применение полупроводников.


8

Ф-О

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

тема: определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли

Цель работы: Ознакомиться с одним из способов измерения индукции магнитного поля.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, реостат, источник питания ИЭПП-1, ключ, соединительные провода.

Продолжительность выполнения работы 2 часа.


ВВЕДЕНИЕ


Земля, в целом, представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на её поверхности обнаруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, создаётся магнитное поле, существование которого можно обнаружить с помощью магнитной стрелки. Это поле в каждой точке пространства характеризуется вектором индукции В, величина и направление которого определяется тремя взаимно перпендикулярными составляющими х, у, z (северной, восточной и вертикальной) или тремя элементами земного магнетизма. Горизонтальная составляющая В0 даёт возможность определить величину и направление полной индукции магнитного поля в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и плоскости магнитного меридиана.




Рисунок 1
Для определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли поступают следующим образом: в центре кругового проводника из N витков, прилегающих достаточно плотно друг к другу, плоскость которых должна быть расположенной в плоскости магнитного меридиана, помещают магнитную стрелку, которая может вращаться около вертикальной оси. Под действием магнитного поля Земли она устанавливается вдоль В0. Если по катушке пропустить ток I, то возникает магнитное поле с индукцией В.

Таким образом, на магнитную стрелку, помещенную в центр катушки, будут действовать при пропускании тока два магнитных поля: магнитное поле Земли и магнитное поле тока. Индукции обоих полей взаимно перпендикулярны.

На рисунке 1 изображено сечение катушки горизонтальной плоскостью. Здесь В – вектор индукции поля, создаваемый круговым током, В0 – горизонтальная составляющая магнитного поля Земли. Стрелка установиться по направлению равнодействующей В1, т.е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого будут векторы магнитного поля В и В0. Из рисунка видно, что

и ,

где N – количество витков,

R – средний радиус катушки,

I – ток, протекающей по катушке;

β – угол отклонения магнитной стрелки.

R = 12,5 см.

Работа выполняется на установке, которая носит название тангенс–гальванометра. В центре кругового проводника из N витков расположена магнитная стрелка, которая может вращаться вокруг вертикальной оси. Поворот магнитной стрелки фиксируется по шкале, шайба служит для арретирования магнитной стрелки. Вся установка собрана на подставке и может вращаться вокруг вертикальной оси. На основании подставки выведены 4 клеммы. Число, стоящее возле клеммы, указывает на количество витков кругового проводника. Поворачивая подставку тангенс-гальванометра, устанавливают витки его катушки в плоскости магнитного меридиана, т.е. добиваются того, чтобы катушка и магнитная стрелка при разомкнутом ключе находились в одной плоскости. Поворачивая верхнюю часть барабана, в которой вмонтирована магнитная стрелка, подводят нулевые деления шкалы под концы стрелки.


ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ


  1. Собрать схему.

  2. Включить катушку из 10 витков и установить токи I = 0,15; 0,25; 0,4 А.

  3. Зафиксировать углы поворота стрелки. Значение тангенса угла можно посмотреть в таблице, представленной на странице 28.

  4. Вычислить по формуле величину В0 для 3-х значений тока.

  5. Аналогичные операции проделать с катушкой из 40 витков.

  6. Вычислить среднее значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли.

  7. Результаты измерений занести в таблицу.

  8. Оценить погрешность измерений.




N

I, A

β

tgβ

B0, Тл

B0ср, Тл

B`0ср, Тл

10

0,15
















0,25










0,4










40

0,15













0,25










0,4











По окончании работы следует арретировать магнитную стрелку.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


1. Сформулировать и записать закон Био-Савара-Лапласа.

2. Вывести формулу для индукции поля в центре кругового тока.

3*. Описать свойства магнитного поля Земли.

4. Силовые характеристики магнитного поля, их связь между собой, размерности в СИ и СГС.

5. Сформулировать принцип суперпозиции магнитных полей.


* – здесь и далее в других работах вопросы со звёздочкой носят практическую направленность, требуют самостоятельной проработки и подлежат к ответу наравне с другими имеющимися вопросами

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

т
9

Ф-О
ема: Изучение термоэлектронной эмиссии

Цель работы: ознакомиться с явлением термоэлектронной эмиссии и научиться оценивать работу выхода электронов по представленным графически экспериментальным данным.

Приборы и принадлежности: экспериментальная установка.

Продолжительность выполнения работы 2 часа.


ВВЕДЕНИЕ


Металлы не приобретают сами по себе положительного заряда. Значит, электроны проводимости не могут самопроизвольно покидать металл в заметном количестве. Это объясняется тем, что металл представляет для электронов потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обусловливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от неё на несколько межатомных расстояний, а затем поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой. Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона.

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его из твёрдого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода. Работу выхода принято обозначать через Авых=, где φ — величина, получившая название потенциал выхода.

Работа выхода электрона из металла немного зависит от температуры. Это вызвано тем, что с температурой изменяется как уровень Ферми, так и среднее расстояние между атомами (и глубина потенциальной ямы).

Величина работы выхода очень чувствительна к состоянию поверхности металла, в частности к её чистоте. Подобрав надлежащим образом покрытие поверхности, можно сильно снизить работу выхода.

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми твёрдыми или жидкими телами.

Явление термоэлектронной эмиссии объясняется тем, что вследствие распределения по энергиям имеется некоторое количество электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер, имеющийся на границе металла. При повышении температуры количество таких электронов резко возрастает и делается вполне заметным.

Оксидный катод, в отличие от любого металлического, имеет значительно меньшие значения работы выхода электронов. Это обусловлено тем, что поверхность металла, из которого изготавливается катод (например, никель), покрывается слоем окислов щелочноземельных металлов ВаО, SrO, CaO и др., который обладает полупроводниковыми свойствами. Это позволяет уже при сравнительно небольших рабочих температурах (800…900 оС) достигать плотности тока термоэмиссии ~ 106 А/м2. Для сравнения: у катода из чистого вольфрама (работа выхода 4,5 эВ) плотность тока ~ 103 А/м2 и только при 2200 оС.

Общий вид кривой зависимости измеряемого тока (тока отбора Iот) вакуумного диода от температуры катода (при фиксированном значении ускоряющего анодного напряжения) изображен на рисунок 1 (кривая 2). На ней можно выделить три участка.

1
-й участок
, самый низкотемпературный. При этих температурах все вылетающие из катода электроны достигают анода, измеряемый ток отбора Iот равен току термоэлектронной эмиссии iэ, который описывается формулой Ричардсона – Дэшмана:

iэ = SδT2exp (1)

где S – площадь катода,

δ = 120,4 А/(см2·K2),

Т – температура в абсолютной шкале,

Авых – работа выхода электронов,

k = 1,38·10-23 Дж/К.

2-й участок. Здесь измеряемый ток отбора меньше тока эмиссии iэ (зависимость iэ(Т), описываемая формулой (1), показана на кривой 1, рисунок 1), т.к. часть вылетающих из катода электронов остается около него, начиная формировать пространственный заряд. Формула (1) перестает быть справедливой.

3-й участок, полностью сформировался пространственный заряд около катода, катод прикрыт электронным облаком. Измеряемый ток отбора слабо зависит от температуры катода, т.к. основная масса вылетевших из катода электронов расходуется на увеличение плотности пространственного заряда. Измеряемый ток отбора обуславливается электронами, которые отдает пространственный заряд на анод.

Для измерения работы выхода Авых электронов нужно использовать первый участок токовой кривой, на котором измеряемый ток отбора Iот = iэ и описывается формулой (1). Преобразуем её к виду:

= + (2)

Итак, если мы построим зависимость от , то первый участок токовой кривой даст прямую линию, тангенс угла наклона которой к оси равен .


ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ


Установка предназначена для измерения зависимости тока термоэмиссии оксидного катода вакуумного диода от температуры катода и определения из этой зависимости работы выхода электронов из оксидного катода.

На передней панели прибора имеются:

1. Тумблер «Сеть».

2. Тумблер «I – T». В положении «Т» на индикатор выводится температура катода в градусах Цельсия, в положении «I» – значения катодного тока в мкА.

3. Кнопка «Сброс». При её нажатии напряжение накала катода становится равным 2,1 В.

4. Кнопка «Накал». При каждом её нажатии напряжение накала катода дискретно увеличивается на 0,35 В.


ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ


  1. Тумблером «Сеть» включить установку. Тумблер «I – T» поставить в положение «Т» (показания температуры на цифровом индикаторе в градусах Цельсия). Нажать один раз кнопку «Сброс» – напряжение накала установится равным Uн = 2,1 В. Прогреть установку в течение 15 минут. Записать значения тока и температуры.

  2. Нажать один раз кнопку «Накал». Напряжение накала увеличится. Подождать 6 минут, чтобы температура катода установилась. Записать значения тока в мкА и температуру катода в оС.

  3. Снова нажать один раз кнопку «Накал». Напряжение накала снова увеличится на 0,35 В. Подождать 6 минут, записать значения тока и температуры.

  4. Операцию нажатия кнопки «Накал» можно повторять не более 10 раз. При десятом ее нажатии цифровой индикатор погаснет, исключая первый разряд, где появится цифра «1». Это связано с тем, что измеритель тока имеет один диапазон измерений, рассчитанный на токи, не превышающие 2000 мкА. То, что индикатор гаснет, говорит о том, что токи стали слишком большие. В этом случае необходимо нажать кнопку «Сброс», установив тем самым напряжение накала 2,1 В. Температура катода начнет падать, ток уменьшаться.

Невозможность измерять токи, превышающие 2000 мкА, приводит к тому, что в зависимости Iот(Т) можно измерять только 1-й и 2-й участки. Но для измерения работы выхода этого вполне достаточно, т.к. при расчетах используется только первый участок.

5. Перевести значения температуры катода из градусов Цельсия в кельвины.

6. Построить график зависимости от и вычислить значение работы выхода электронов сначала в Дж, а затем в эВ.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


  1. Что такое работа выхода?

  2. В чём суть явления термоэлектронной эмиссии?

3*. Привести примеры значений работы выхода для некоторых металлов (на выбор).

4*. Применение термоэлектронной эмиссии (вакуумные диоды, триоды, их устройство, ВАХ).


Л
10

Ф-О
АБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

тема: Экспериментальное исследование зависимости электропроводности полупроводников от температуры

Цель работы: экспериментально изучить и дать качественное объяснение зависимости сопротивления полупроводников от температуры.

Приборы и принадлежности: образец полупроводниковый, вмонтированный в термошкаф, электронный измеритель сопротивлений, термометр.

Продолжительность выполнения работы 2 часа.
  1   2   3   4   5   6

Похожие:

Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №8 измерение температуры
Целью настоящей работы является изучение контактных методов измерения температуры с применением термоэлектрических и терморезистивных...
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №1 Изучение автоматической телеграфной станции ат-пс-пд лабораторная работа №2 Изучение телеграфного коммутационного сервера «Вектор-2000»
Рецензент – зам начальника Гомельской дистанции сигнализации и связи Белорусской железной дороги В. И. Прокопюк
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №3
Тема: Изучение блоков копирования, уничтожения, безусловной и условной адресации в gpss world: блоки split, assemble, transfer
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №3 работа со списками
Целью работы является изучение приемов работы со списками в Прологе, а также более детальное изучение рекурсивного программирования...
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №3 Тема: Изучение компонент отображения графической информации; компонент меню; панелей и компонент внешнего оформления; диалогов открытия и сохранения файлов
Переработать приложение, предназначенное для обработки матриц (см лаб работу №2)
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №4 определение взаимной индуктивности контуров (катушек)
Изучение явлений электромагнитной индукции, самоиндукции, взаимной индукции; экспериментальная проверка закона электромагнитной индукции...
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №1 «Алгоритмы»
Цель: получение базовых навыков предпрограммирования, изучение видов и свойств алгоритмов, изучение способов составления алгоритмов...
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №7-9 Тема
Тема: Создание в программе CodeGear rad studio (C++Builder) клиентского приложения по технологии dbExpress для клиент-серверной субд...
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №3 Изучение нормального распределения
Расчет оценочных значений числовых параметров рас-пределения случайной величины. Изучение и экспериментальная проверка правил, применяемых...
Лабораторная работа №7 Тема: Изучение контактных явлений в полупроводниках iconЛабораторная работа №6 изучение процесса заряда и разряда конденсатора
Изучение процессов заряда и разряда конденсаторов в rc-цепях, ознакомление с работой приборов, используемых в импульсной электронной...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница