5. Исследование электрофизических характеристик полупроводниковых материалов

Исследование температурной зависимости электропроводности полупроводников.

Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых материалов от температуры обычно носит экспонентальный характер:

(5.1)

где – удельное электрическое сопротивление при температуре T; – удельное сопротивление при 20°С; В – величина, пропорциональная энергии активации, т.е. энергии, которую необходимо затратить для того, чтобы перевести электрон в состояние проводимости.

Как правило, в функции от представляет собой линейную зависимость. Свойство полупроводниковых материалов изменять своё электрическое сопротивление в частности используется для создания термоуправляемых резисторов. Наиболее распространёнными полупроводниковыми терморезисторами являются терморезисторы на основе смесей окислов переходных металлов , , .

Получение необходимых значений сопротивления и температурного коэффициента сопротивления достигается процентным соотношением окислов металлов в композиции. Для указанных материалов отрицательный.

В последние годы разработаны высокочувствительные датчики температуры на основе материалов с положительным температурным коэффициентом сопротивления – «позисторы». Материалом в указанных приборах титанат бария, дегированный лантаном или церием.

Задание на работу:

1. Снять зависимость электрического сопротивления композиции, состоящей из окиси кадмия и окиси марганца (терморезисторы КМТ). Построить график

2. То же самое сделать для композиции на основе окиси меди и окиси марганца (терморезистор ММТ).

3. Построить, используя метод графического дифференцирования, график зависимости

4. Аналогичную работу провести с позистором.

Электрическая схема установки для проведения исследования приведена на рисунке 5.1. Здесь В – источник постоянного напряжения; И.О. – исследуемый образец; Т – термостат; Н.Э. – нагревательный элемент; Тс – термометр; R – потенциометр, задающий режим нагружения исследуемого образца.

Исследование параметров полупроводниковых резисторов.

В основе работы фоторезисторов лежит внутренний фотоэффект. Современные фотоэлектрические устройства на фоторезисторах занимают значительное место в общем комплексе средств автоматики. Это обусловлено появлением фоторезисторов, отличающихся высокой чувствительности в широкой области спектра – от инфракрасного излучения до рентгеновских и гамма-лучей.

Основой фоторезисторов является светочувствительный элемент – спрессованная из порошка таблетка или пленка полупроводникового материала на диэлектрике (рисунок 5.2).

Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент разнообразных по свойствам и конструктивному оформлению фоторезисторов.

Разработаны фоторезисторы, чувствительные к видимой области спектра; к ним относятся сернисто-кадмиевые и селенисто-кадмиевые фоторезисторы. Разработаны фоторезисторы, чувствительные к инфракрасной области спектра (на PbS и PbSe).

Рисунок 5.1 – Электрическая схема установки для проведения исследования.

Рисунок 5.2 – Светочувствительный элемент.

Основными параметрами фоторезисторов являются темновое сопротивление, кратность изменения сопротивления, мощность рассеяния и др.

Темновое сопротивление R_T – сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения, при номинальном напряжении. У различного типа фоторезисторов оно колеблется от десятков Ом до сотен кОм.

Кратность изменения сопротивления (К) показывает степень изменения сопротивления фоторезистора под действием излучения. Отношение R_T фоторезистора к сопротивлению при определённом уровню освещённости Rc у фоторезисторов 10⁴ - 10⁵.

Номинальная мощность рассеяния Rн – допустимая нагрузка фоторезистора. При повышении температуры окружающей среды нагрузка фоторезистора снижается.

Спектральная характеристика показывает чувствительность фоторезистора при действии на него излучения определённой длины волны.

Задание на работу:

1. Измерить темновое сопротивление фоторезистора.

2. Снять зависимость электрического сопротивления R от освещённости L. Построить график

Схема лабораторной установки приведена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Схема лабораторной установки.

В – источник напряжения; П – потенциометр, задающий электрический режим;

ФР – исследуемый фоторезистор; ЛМ – логометр; Л – лампа накаливания – источник светового потока; R - реостат.

Исследование параметров полупроводниковых варисторов.

Полупроводниковые варисторы – приборы, основанные на эффекте, который заключается в том, что с увеличением приложенного напряжения сопротивление полупроводникового материала уменьшается. Явление изменения сопротивления материала под действием приложенного напряжения наблюдается у карбида кремния, ряда окислов и сульфидов металлов, диборида титана и др.

Варисторно-нелинейные полупроводниковые резисторы с симметричной вольт-амперной характеристикой (рисунок 5.4). В качестве исходного материала для изготовления варисторов используется порошкообразный электротехнический карбид кремния. Технический карбид кремния получают в электрических печах при восстановлении двуокиси кремния.

Задание на работу:

1. Снять вольт-амперную характеристику трех варисторов, построить U=f(I).

2. Определить зависимость электрического сопротивления R от приложенного к варистору напряжения R=f(U) (использовав метод графического дифференцирования: ; построить графики.

Схема установки для исследования приведена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.4 – ВАХ нелинейного резистора.

Рисунок 5.5 – Схема установки для исследования.