Отчетные материалы

В лабораторной тетради представляются:

– заполненные таблицы;

– экспериментальные ВАХ при разных полярностях и температурах t₀ и t ≈ 55 ^oC;

– расчетные зависимости R, r_d,  для варистора при одной полярности;

- зависимости R(t, ^оC) и lnR(1/T, К^–1);

– расчетные значения E_з, зонная диаграмма материала варистора;

К защите представляется РГЗ с задачами по теме: ″Проводимость диэлектриков″, ″Проводимость металлов″, ″Проводимость полупроводников″, ″Варисторы″.

Лабораторная работа № 2.3

Исследование метода термозонда и эффекта Холла

Цели работы: исследование гальваномагнитных явлений; изучение принципа работы датчика Холла; определение типа носителей в полупроводниках с помощью термозонда и по методу Холла.

Приборы и принадлежности: стенд, полупроводниковый датчик Холла, источник постоянного тока, измерительные приборы.

2.3. Определение типа носителей в полупроводниках

2.3.1. Метод термозонда

Метод термозонда является методом, определяющим качественную характеристику типа основных носителей, и осуществляется следующим образом. Острием термозонда (рис. 2.5, а) (медное жало электрического паяльника) касаются исследуемого образца.

а) б)

Рис. 2.5. Методы термозонда (а) и Холла (б)

Вследствие теплопередачи от термозонда к образцу происходит разогрев кристаллической решетки в месте касания термозонда и возникает диффузия носителей заряда от горячего конца образца к холодному.

Диффузия носителей заряда – движение носителей без приложенного электрического поля, может возникать по двум причинам.

Во-первых, в образце на горячем конце полупроводника увеличивается вероятность образования носителей за счет ионизации примесей (доноров или акцепторов) из-за высокой температуры по сравнению с холодным концом. Таким образом, первая причина диффузии носителей – возникновение градиента концентрации: на горячей стороне образца носителей заряда больше, чем на холодной.

Во-вторых, если в образце при более высокой температуре все примеси ионизированы (это может быть, тогда, когда температура Т больше температуры ионизации примесей Т > Т_s ≈ 100 K), то концентрации носителей заряда на горячем и холодном конце одинаковы. Но в этом случае на горячем стороне образца носители приобретают большие значения энергии, чем на холодном (за счет фононов кристаллической решетки). Другими словами, вторая причина диффузии заключается в том, что ″горячие″ носители – более подвижные. Поэтому осуществляется переход (диффузия) более быстрых носителей заряда от горячего конца к холодному. Фактически, эта диффузия выравнивает энергию носителей в объеме образца и на его гранях.

За счет перечисленных диффузионных процессов происходит переход значительного количества основных носителей от точки касания зонда (места с высокой температурой образца) к холодной грани образца и накопление заряженных носителей (электронов или дырок) вблизи холодного контакта.

В результате описанного выше перехода подвижных заряженных носителей на холодном конце пластины образуется заряд того знака, который соответствует типу свободных основных носителей заряда (нам пока неизвестно, какой знак у этих носителей!).

Допустим, что к холодной грани диффундировали электроны, тогда на нижней грани накапливается отрицательный заряд (если диффундировали дырки – положительный).

Если от горячей грани ″ушли″ электроны, то в этом месте нарушается электронейтральность образца. По мере ″ухода″ электронов нарушается электронейтральность: на горячей грани накапливается  заряд противоположного знака – электрически нескомпенсированных ионов кристаллической решетки (положительных ионов доноров).

Если к холодной грани диффундировали дырки, то горячая грань приобретает отрицательный заряд за счет нескомпенсированных отрицательных ионов акцепторов.

Разделение зарядов на гранях исследуемого образца приводит к возникновению разности потенциалов между холодным и горячим концами пластины.

Холодный и горячий электроды кристалла электрически (проводами) связаны с гальванометром  индикатором, стрелка которого, например, в исходном состоянии находится посередине шкалы (рис. 2.5, а).

Следует учесть, что все электрические стрелочные приборы имеют клемму "+" справа от шкалы (справа от корпуса), клемму "" – слева от шкалы. Если на клемму "+" подается положительный потенциал, а на клемму ""  отрицательный, то стрелка прибора отклоняется ″по часовой стрелке″ (″нормальное″, ″правильное″ отклонение); если на клемму "+" подан отрицательный потенциал ("неправильное" включение прибора), то стрелка прибора отклоняется ″против часовой стрелки″.

Современные цифровые приборы также имеют положительные или отрицательные клеммы для ввода электрического сигнала; если, например, на шкале прибора "загорается" сигнал "", это означает, что на положительную клемму подан отрицательный потенциал.

Таким образом, проанализировав, в какую сторону отклоняется стрелка и какой потенциал подается на клемму ("+" или ""), связанную проводом с холодной гранью (к которой диффундируют свободные носители), можно сделать вывод о типе основных носителей в материале.

Например, при подключении, изображенном на рис. 2.5, а, стрелка отклонилась влево, следовательно, на отрицательную клемму прибора, связанную проводом с холодной гранью подан положительный потенциал. Можно сделать вывод, что на холодном конце кристалла накапливаются дырки, диффундирующие от места кристалла, разогретого зондом. Следовательно, в данном кристалле основные носители  дырки, неосновные  электроны; полупроводник – p-типа, акцепторный.