Омский государственный технический университет

Материалы конструкций электронной техники

Методические указания к лабораторным работам

по курсу “Материаловеденье и материалы электронной техники”

Составители: Алексеев П. Д., Захаренко В. А., Хадыкин А. М.

Омск 1995 (ред. 2011)

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Исследование зависимости электропроводности полупроводника от напряженности внешнего электрического поля. 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Исследование полупроводниковых терморезисторов 10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 Исследование характеристик ферромагнитных материалов 18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 Исследование магнитной проницаемости магнитомягких материалов 26

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 Исследование термоэлектрического эффекта 32

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 Исследование электропроводности проводниковых материалов 38

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8 Исследование диэлектрической проницаемости и электрических потерь диэлектрических материалов 44

Лабораторная работа №1 Исследование зависимости электропроводности полупроводника от напряженности внешнего электрического поля.

Цель работы:

1. Изучение физики явления изменения удельной проводимости полупроводников от напряженности электрического поля.

2. Экспериментальное исследование вольтамперной характеристики варистора.

3. Анализ экспериментальной зависимости электропроводности материала варистора от напряженности внешнего электрического поля.

4. Определение по экспериментальным данным основных характеристик варистора.

Пояснения к работе

Типичная зависимость удельной проводимости полупроводника от напряженности электрического поля приведена на рис.1

.

Pис. 1. Зависимость удельной проводимости от напряженности электрического поля

Как видно из рис.1, зависимость проводимости полупроводника γ от напряженности внешнего электрического поля не является линейной, т.е. эта зависимость не подчиняется закону Ома, отряжающему пропорциональность между плотностью тока j в полупроводнике и напряженностью электрического поля Е, в соответствии с выражением:

j = γ Ε (1)

Сложность этой зависимости объясняется влиянием напряженности электрического поля, как на подвижность носителей заряда, так и на их концентрацию.

График на рис.1 позволяет констатировать, что удельная электропроводность полупроводника при малых значениях напряженности не зависит от величины, напряженности электрического поля (область I ) и определяется выражением:

γ_соб = γ_n + γ_p = n*q*μ_n+ n*q*μ_р (2)

для собственного полупроводника и выражением

γ = γ_пр + γ_соб = n_q*q*μ_n + γ_соб (3)

для примесного полупроводника, например, имеющего донорные примеси. Здесь γ_п, γ_р – удельные электропроводности за счет электронов и дырок, соответственно: n, р – соответственно концентрации электронов и дырок в единицах объема: n_q -концентрация донорных примесей; q – заряд электрона; μ_n, μ_р –соответственно подвижности электронов и дырок. Эти выражения описывают электропроводность в области слабых электрических полей. При этом, как видно из рис.1 и выражений (2) и (3), концентрация и подвижность носителей заряда не зависит от напряженности Е электрического поля, т.е. соблюдается закон Ома и плотность тока в полупроводнике может быть описана выражением (1).

Область II на рис.1 не может быть описана выражениями (1) и (2).

После достижения напряжённости электрического поля величины Е_к - критической напряженности, как видно из рис.1, наблюдается отклонение от закона Ома, т.е. зависимость электропроводности от напряженности становится нелинейной.

Объясняется это изменением подвижности и концентрации носителей заряда при воздействии сильных электрических полей. Таким образом, область II на рис.1 - это область сильного электрического поля. Для значительного числа полупроводников; величина Е_к находится вблизи Е = 10⁶ В/м.

Следует отметить, что влияние напряженности поля на подвижность носителей заряда может приводить как к ее увеличению, так и к уменьшению. В области слабых полей, когда справедлив закон Ома, влияние поля на подвижность в основном сводится к изменению только направления скоростей носителей заряда (Ι). При больших напряженностях приращение абсолютного значения скорости становится соизмеримым с начальным значением тепловой скорости. Добавочная кинетическая энергия Э_доб, приобретаемая носителями заряда под действием электрического поля, определяется как

(4)

где - средняя длина свободного пробега.

Следовательно, влияние сильного поля на изменение подвижности носителей заряда будет зависеть от механизма рассеяния. Например, в случае рассеяния на тепловых колебаниях углов решетки подвижность будет падать, а при рассеянии на ионизированных примесях – возрастать.

На практике же, вследствие значительного возрастания концентрации носителей заряда при возрастании напряженности поля, закономерность изменения электропроводности определяется в основном эффектом изменения концентрации носителей.

Различают несколько механизмов увеличения концентрации носителей заряда в области сильных полей:

• термоэлектронная ионизация;

• ударная ионизация;

• электростатическая ионизация.

Термоэлектронная ионизация проявляется при напряженностях около 10⁶ В/м. Так как внешнее электрическое поле изменяет потенциальные барьеры между атомами кристаллической решетки, то под действием сильного поля уменьшается высота потенциального барьера для электронов в направлении, противоположном направлению поля. Если рассматриваемый барьер относится к примесному атому, например, донору, то уменьшение энергии ионизации на величину δЭ приведет к увеличению концен­трации электронов в зоне проводимости

(5)

где n₀ – равновесная концентрация электронов; k – постоянная Больцмана; Т – температура полупроводника.

Из выражения (6) очевидно, что незначительные изменения δЭ или температуры вызывают существенные изменения концентрации носителей заряда.

Ударная ионизация. Свободный электрон, ускоренный под влиянием сильного поля, может накопить энергию, достаточную для ионизации примесей, а затем возбуждает электроны из узлов решетки материала. Ионизацию могут вызвать и дырки.

Ударная ионизация сопровождается размножением носителей заряда, поскольку вновь рожденные электроны и дырки тоже ускоряются. Процессы ударной ионизации и рекомбинации носителей заряда приводят к установлению стационарной повышенной концентрации носителей, характеризуемой коэффициентом ионизации. Коэффициент ионизации возрастает с увеличением напряженности сильного поля и различен для разных материалов. Ударная ионизация проявляется при напряженностях Е ~ 10⁷ В/м.

Электростатическая ионизация (туннельный эффект). Сущность эффекта состоит в том, что сильные электрические поля могут вызвать прямые электронные переходы между зоной проводимости и валентной зоной. Для этого требуются поля более 10⁷ В/м. Условия для увеличения числа носителей заряда чаще всего создаются в тонких слоях полупроводников с повышенным сопротивлением. Сильному электрическому полю в полупроводниках соответствует большой наклон энергетических зон.

При достаточно большом наклоне энергетических зон возможен переход электрона из валентной зоны (и с локальных уровней примесей) в зону проводимостей через узкий потенциальный барьер (ΔХ), то есть возможно туннелирование электрона благодаря своих квантово-механическим свойствам. При этом увеличивается концентрация свободных носителей зарядов. Напряженности, при которых проявляется туннельный эффект различных материалов, разный для каждого их них, так как толщина потенциального барьера ΔХ зависит от ширины запрещенной зоны материалов.

В качестве исследуемого полупроводникового материала в лабораторной работе используется варистор на основе порошкообразного карбида кремния (SiC). Изготавливается варисторы путем высокотемпературного обжига заготовок из порошкообразного резистивного материала ( в основном из SiC и ZnO) со связующими веществами (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и т.п.). После термообработки поверхность заготовки металлизируют для обеспечения омического контакта с выводами прибора. Готовый варистор герметизирует с помощью различных эмалей, компаундов и пластмасс. Применяют варисторы для стабилизации напряжений, умножения частоты, модуляции, в устройствах защиты от перенапряжений и др.

К основным характеристикам варисторов относятся:

• вольтамперная характеристика (BAX) ;

• статическое сопротивление ;

• динамическое сопротивление ;

• коэффициент нелинейности

• температурные коэффициенты изменений тока δ_I, напряжения δ_U, статического сопротивления δ_R:

; ;

зависимости удельной электропроводности γ от напряженности электрического поля E. При этом электропроводность γ находится как:

(7)

а напряженность как ,

где l – толщина варистора, cм; S – площадь полупроводникового материала варистора, см ( l = 0,2 cм, D = 1,1 cм).

Задание к работе

1. Изучить физику электропроводности полупроводников в слабых и сильных электрических полях.

2. Снять прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики варистора при значениях температур: T комнатной, T₁, T₂. Напряжение на варистор подавать от 0 до 20 В, при этом измерения производить через 1-2 В.

3. По результатам измерений построить вольтамперные характеристики варистора для трех значений температур.

4. На основании экспериментальных данных построить три графика зависимостей γ =f(E).

5. Определить графическим путем значение Е_k.

6. Вычислить статические и динамические сопротивления варистора для температуры T_раб и напряжений (U₁, U₂), заданных преподавателем.

7. Вычислить коэффициенты нелинейности для сопротивлений, найденных по п.6.

8. Вычислить температурные коэффициенты изменений тока, напряжения, статического сопротивления.

9. Построить график зависимости γ= f(Т) для напряжения, заданного преподавателем (U₁).

Указания по выполнению работы в лаборатории

Функциональная схема стенда для исследований характеристик варистора приведена на рис.2

Рис.2. Функциональная схема стенда

Включением тумблера SA1 подается питание, на источник постоянного напряжения ИПН. Изменение напряжения от ИПН, прикладываемого к варистору RB, производится при помощи делителя напряжения на R1. Изменение полярности напряжения, прикладываемого к варистору RB, производится переключением тумблера SА2. Измерения напряжения и тока производятся соответственно вольтметром и микроамперметром, установленными на лицевой панели стенда и подключенными в соответствии с функциональной схемой на рис.2. Варистор выполнен в виде диска толщиной l = 2 мм и диаметром D = 11 мм. Варистор помещен в термостат, содержащий ртутный термометр, и подключен к испытательному стенду в соответствии с функциональной схемой, рис.2. Нагрев варистора до заданных температур осуществляется включением термостата в сеть переменного тока 220 В с последующим контролем температуры по термометру.

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента;

4. ВАХ и расчетный график γ = f(E) варистора для трех температур, определенное графическим путем значение Е_k;

5. Расчет основных характеристик варистора по п. 6-8 задания к работе;

6. График зависимости γ= f(Т) для напряжения U₁;

7. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Какие физические факторы обуславливают нарушение закона Ома в полупроводниковых материалах при действии сильных электрических полей?

2. Объяснить температурную зависимость электропроводности от температуры.

3. Пояснить нелинейную зависимость электропроводности от напряженности внешнего электрического поля.

4. Какие примеси в ковалентных полупроводниковых материалах являются донорными, я какие – акцепторными?

5. Чем отличается полупроводник с собственной электропроводностью от полупроводника с примесной электропроводностью?

6. К какому типу электропроводности (собственной или примесной) относится материал варистора, и какой тип химической связи преобладает в нем?

7. Пояснить механизмы изменения концентрации носителей заряда при изменении электрического поля.

8. Как влияет величина электрического поля на подвиж­ность носителей заряда?

9. Понятие варистора.

10. Конструкции, материалы и технологии изготовления варисторов.

11. Основные характеристики варисторов.

12. Область применения варисторов.

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники.- М :Высшая школа, 1986.- 367 с.

2. Материалы микроэлектронной техники /Под ред. В.М.Андреева.- М.:Радио и связь, 1989.- 352 с.

3. Электроника: Энциклопедический словарь /Гл.ред. В.Г.Колесников,- М.:Сов.энциклопедия, 1991.- 688 с.