Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабораторные / ФТТ и квантовая / Л.р.ФТТ.ум на столы

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
378.41 Кб
Скачать

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А N 8.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ И ПРОВОДНИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: измерение температурной зависимости электропроводности меди и германия в диапазоне температур ~ 300400К.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: медный и германиевый образцы, нагреватель, термопара, терморегистрирующий прибор, омметр.

Для измерения температурной зависимости электропроводности меди и германия используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на рис.8.1.1 и рис.8.1.2.

 

 

 

 

4

5

6

 

 

 

T

3

 

 

1

 

2

 

 

7

 

 

 

 

 

8

 

 

Рис. 8.1.1

Медный и германиевый образцы 4, 5, помещенные в печь 7, нагревают примерно на 80 градусов по сравнению с температурой окружающей среды, включив нагреватель кнопкой 6. После отключения нагревателя регистрируют сопротивление металла и полупроводника, по омметру 1 и терморегистрирующему прибору 2, подключенному к термопаре 3, поочередно включая их в измерительную цепь переключателем 8.

По полученным экспериментальным результатам необходимо

построить зависимость сопротивления металла

от

температуры

R = f (T) и проводимости полупроводника

от

температуры

lnσ = f (1/T).

 

 

По угловому коэффициенту зависимости lnσ= f (1/T) определить энергию активации dEnp полупроводника.

 

 

6

 

 

нагрев

 

T

k

металл п/п

сеть

2

8

1

Рис.8.1.2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

Вчем различие энергетического спектра состояний электронов

вполупроводниках и диэлектриках?

Какова температурная зависимость удельного сопротивления полупроводников и металлов?

Какова температурная зависимость подвижности свободных носителей заряда в металлах и полупроводниках?

Каковы особенности собственной и примесной проводимости полупроводников?

Как экспериментально определить ширину запрещенной зоны собственного полупроводника, энергию активации примесного полупроводника?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1985, т.5.

2.Савельев И.В. Курс физики. - М.: Наука, 1989, т.3.

3.Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики. - М.: Наука, 1983, т.3.

4.Орир Дж. Физика.- М: Мир, 1981, т.2.

5.Гаркуша Ж.М. Основы физики полупроводников.- М.: Высшая школа, 1982.

6.Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1977.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А N 8.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получение вольтамперных характеристик фотосопротивления при различной освещенности; получение зависимости проводимости полупроводника от освещенности.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: вольтметр, миллиамперметр, фотосопротивление, источник света, блоки питания.

Для получения вольтамперной характеристики фотосопротивления при различной освещенности используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на рис.8.2.1 и рис.8.2.2.

Фотосопротивление 4 освещается источником света 5. Установив с помощью переключателя 8 одно из значений потока излучения (от Е1 до Е5), снимают вольтамперную характеристику фотосопротивления по вольтметру 2 и миллиамперметру 3, задавая различные значения напряжения на фотосопротивлении потенциометром 1. При включении переключателя 8 в положение Е0 источник света отключается и можно получить вольтамперную характеристику фотосопротивления при отсутствии освещения.

По полученным экспериментальным данным необходимо построить графики вольтамперных характеристик фотосопротивления, определить его темновое сопротивление R тем ; построить зависимость проводимости полупроводника от потока излучения σ = f (Е).

 

mA

 

 

 

 

3

6

 

V

 

 

1

2

4

5

Рис.8.2.1

6

 

Е5 Е4 Е3 Е2 Е1 Е0

V

mA

2

1

3

Рис.8.2.2

ПРИМЕЧАНИЕ

Е0

= 0;

Е1 = 0,1 Вт;

Е2 = 0,5 Вт;

Е3

= 1,0 Вт;

Е4 = 1,5 Вт;

Е5 = 2,0 Вт.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

Вчем различие энергетического спектра состояний электронов в полупроводниках и диэлектриках?

Вчем состоит внутренний фотоэффект в полупроводниках, чему равна красная граница?

Какие виды оптического поглощения полупроводников вам известны? Как выглядит кривая оптического поглощения в общем виде?

Как из кривой оптического поглощения определить ширину запрещенной зоны собственного полупроводника, энергию активации примесного полупроводника?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1985, т.5.

2.Савельев И.В. Курс физики. - М.: Наука, 1989, т.3.

3.Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики. - М.: Наука, 1983, т.3.

4.Орир Дж. Физика.- М: Мир, 1981, т.2.

5.Гаркуша Ж.М. Основы физики полупроводников.- М.: Высшая школа, 1982.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А N 8.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ p-n-ПЕРЕХОДА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение коэффициентов выпрямления полупроводниковых диодов.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: полупроводниковые диоды, вольтметр, миллиамперметр, блок питания.

Для определения коэффициентов выпрямления полупроводниковых диодов используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на рис.8.3.1 и рис.8.3.2.

6

mA

5

4

V

 

 

 

1

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.3.1

Исследуемые диоды 6 попеременно включаются в измерительную цепь переключателем 4. Изменяя напряжение в цепи потенциометром 1, по вольтметру 2 и миллиамперметру 5 снимают вольт-амперную характеристику исследуемого диода (миллиамперметр 5 имеет два предела измерения: при прямом смещении - mA, при обратном - μA). Изменение полярности подаваемого на диоды напряжения осуществляется переключателем 3.

Построив по полученным экспериментальным данным вольт-амперные характеристики исследуемых диодов, можно определить их коэффициент выпрямления k. Коэффициентом выпрямления называется отношение прямого Iи обратного Iобр токов при одинаковом значении напряжения U=

Uобр.

4

D4 D3 D2 D1

V

μA mA пр обр

2

1

5

3

Рис. 8.3.2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

В чем различие энергетического спектра состояний электронов в полупроводниках и диэлектриках?

Каковы особенности собственной и примесной проводимости полупроводников?

Почему при контакте полупроводников разного типа электропроводности начинается процесс диффузии основных носителей заряда?

Чем определяется высота потенциального барьера, возникающего на границе контакта двух полупроводников?

Что является причиной возникновения дрейфового тока при контакте двух полупроводников?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1985, т.5.

2.Савельев И.В. Курс физики. - М.: Наука, 1989, т.3.

3.Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики. - М.: Наука, 1983, т.3.

4.Орир Дж. Физика.- М: Мир, 1981, т.2.

5.Гаркуша Ж.М. Основы физики полупроводников.- М.: Высшая школа, 1982.

6.Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1977.

7.Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. - М.: Мир, 1985.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А N 8.4 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИСПУСКАНИЯ СВЕТА ПОЛУПРОВОДНИКАМИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение частоты излучения светодиодов. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: светодиоды, вольтметр, милли-

амперметр, блок питания.

Для определения частоты излучения светодиодов используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на

рис.8.4.1 и рис.8.4.2.

5

mA

3

4

V

1 2

Рис. 8.4.1

Исследуемые диоды 5 попеременно включаются в измерительную цепь переключателем 4. Изменяя потенциометром 1 напряжение источника питания, миллиамперметром 3 и вольтметром 2 измеряют силу тока в светодиоде и напряжение на нем, получая вольтамперную характеристику исследуемого светодиода.

Построив по полученным экспериментальным данным вольт-амперные характеристики исследуемых светодиодов и экстраполируя прямолинейные участки зависимостей I = f ( U ) до пересечения с осью U, можно определить прямые смещения Uо , при которых начинается испускание света каждым из исследуемых светодиодов.

Так как прямое смещение U0 таково, что E = e U0 , то, очевидно, энергия фотона, излучаемого светодиодом, равна

= e U0 ,

где e - заряд электрона, h - постоянная Планка. Из этого соотношения можно определить частоту ν излучения светодиода.

5 4

 

CD1 CD2 CD3 CD4

V

mA

2

1

3

Рис. 8.4.2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

В чем различие энергетического спектра состояний электронов в полупроводниках и диэлектриках?

Как происходит излучение света в полупроводниках?

Рассмотрите явление излучения света в полупроводниках с точки зрения законов сохранения энергии и импульса.

Поясните механизм излучения света полупроводниками через локальные уровни в запрещенной зоне.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1985, т.5.

2.Савельев И.В. Курс физики. - М.: Наука, 1989, т.3.

3.Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики. - М.: Наука, 1983, т.3.

4.Орир Дж. Физика.- М: Мир, 1981, т.2.

5.Гаркуша Ж.М. Основы физики полупроводников.- М.: Высшая школа, 1982.

6.Епифанов Г.И. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 1977.

7.Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. - М.: Мир, 1985.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А N 8.6 ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование зависимости ЭДС Холла в полупроводнике от индукции магнитного поля; определение знака, концентрации и подвижности основных носителей в полупроводнике.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: образец полупроводникового материала, вольтметр, милливольтметр, миллиамперметр, электромагнит, источник питания.

Эффект Холла заключается в появлении поперечной разности потенциалов в образце с током, помещенном в магнитном поле.

Рассмотрим полупроводниковый образец с электронным типом проводимости (рис.8.6.1).

 

j

z

х

 

 

d

v

B

 

 

 

F

 

 

EH

e

 

 

FЛ

 

 

 

j

у

 

 

UH

Рис. 8.6.1

Предположим, что по пластине образца толщиной d течет ток плотностью j в направлении, указанном на рисунке, направление скорости электронов v будет противоположно. Если образец поместить в магнитное поле B, то под действием силы Лоренца электроны будут отклоняться к боковой грани образца, на которой скапливается отрицательный заряд, на противоположной грани остается нескомпенсированный положительный заряд ионов кристаллической решетки. Возникает поперечное электрическое поле напряженностью EH , и вследствие этого - поперечная разность потенциалов UH - ЭДС Холла.

Разделение зарядов в образце будет продолжаться до тех пор, пока си-

ла

Кулона

F и сила Лоренца FЛ не уравновесят друг друга, т.е.

 

 

e vx Bz - e EH x = 0 .

(1)

Отсюда

E= vx Bz = jx B /(e ne) = RH jx B ,

(2)

где RH= 1/(e ne) - постоянная Холла, ne - концентрация электронов.

 

Для отрицательно заряженного электрона

 

 

RH= - 1/(|e| ne).

(3)

Очевидно, постоянная Холла в материале р-типа проводимости, где

носителями заряда являются дырки, равна

 

 

RH= 1 / (|e| nр),

(4)

где nр - концентрация дырок.

Знак постоянной Холла RH , и, следовательно, знак ЭДС Холла UH, будут зависеть от знака носителей заряда в полупроводнике. Если перейти от напряженности EH поля Холла к ЭДС Холла UH и от плотности тока j к

полному току через образец I , то выражение (2) примет вид

 

UH= RH I B / d ,

(5)

где d - размер образца в направлении В.

 

Из анализа выражений (3), (4) и (5) видно, что знание постоянной

Холла позволяет найти концентрацию и знак носителей заряда.

 

Если, помимо ЭДС Холла, измерить электропроводность σ = enμn

об-

разца, то можно найти подвижность μn носителей заряда

 

n = RHσ .

(6)

Таким образом, измерив ЭДС Холла и проводимость, можно определить знак и концентрацию носителей заряда и их подвижность.

Для исследования зависимости ЭДС Холла в полупроводнике от индукции магнитного поля; определения знака, концентрации и подвижности основных носителей в полупроводнике используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на рис.8.6.2 и

рис.8.6.3.

Образец 1 находится в магнитном поле, силовые линии которого перпендикулярны плоскости рисунка. Схема создания магнитного поля включается переключателем 7, величину и направление магнитного поля можно изменять переключателями 9 и 8 соответственно (схема создания и регулирования величины магнитного поля на рис.8.6.1 не показана).

 

 

 

2

3

4

 

 

mV

V

 

mA

 

 

В1В2В3В4В5В6

 

 

7

8

9

5

6

 

 

 

 

Рис. 8.6.3

 

 

Через образец течет электрический ток величину и направление которого можно изменять потенциометром 5 и переключателем 6, падение напряжения на образце регистрируется вольтметром 3.

При протекании тока через образец, находящийся в магнитном поле, возникает ЭДС Холла, регистрируемая милливольтметром 2.

Для определения зависимости ЭДС Холла от индукции магнитного поля необходимо, поддерживая постоянной силу тока в образце измерять ЭДС Холла при различных значениях магнитной индукции и направлениях магнитного поля. По полученным экспериментальным данным необходимо построить график зависимости ЭДС Холла от величины магнитной индук-

ции UH = f (B).

Для определения концентрации носителей заряда можно использовать ранее полученные результаты. По данным измерения ЭДС Холла можно определить постоянную Холла для каждого значения магнитного поля

RH = UHd /(IB) .

Из уравнений (3)-(5) получим

n = I B/( e UHd ) .

Для определения подвижности свободных носителей заряда необходимо измерить падение напряжения Uна образце между точками c и f и определить проводимость полупроводникового образца

σ = L/( US ) ,

где L - расстояние между точками с и f , S - площадь сечения образца.

Зная постоянную Холла RH и проводимость образца σ можно определить подвижность свободных носителей заряда

 

 

mA

 

 

2

c

4

 

 

a

b

 

 

 

mV

 

V

 

 

1

f

3

5

6

 

 

 

 

Рис. 8.6.2

μ = RHσ .

ПРИМЕЧАНИЕ

 

 

 

 

В1 = 0,8 Тл;

В2

= 3,1; Тл;

В3

= 5,5 Тл;

В4 = 7,8 Тл;

В5

= 10,2 Тл;

В6

= 11,7 Тл;

d = 0,5 10-3 м;

= 5 10-3 м;

 

 

R = 4 10-4 м3/Кл.

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

Каковы условия возникновения ЭДС Холла?

Как зависит ЭДС Холла от силы тока и величины магнитного поля? Как с помощью эффекта Холла определить основной тип носителя в

полупроводнике?

Почему при изготовлении датчиков Холла применяют полупроводниковые материалы, а не металлы?