Rok akademicki 2003/2004	LABORATORIUM Z FIZYKI
Nr ćwiczenia: 23	Charakterystyka styku między metalem a półprzewodnikiem typu n.
Wydział: W.B. i I.Ś. Grupa: 2.3 6 lab	Robert Wachowski
Data wykonania: 23.10.2003 r.	OCENA		Data zaliczenia	Podpis
	Teoria
	Sprawozdanie

1. ZASADY POMIARU

Po zetknięciu metalu z półprzewodnikiem typu n strumień elektronów z półprzewodnika do metalu będzie przeważał nad strumieniem elektronów z metalu do półprzewodnika. Warstwa przystykowa półprzewodnika traci część elektronów i ładuje się dodatnio, natomiast metal uzyskuje nadmiarowy ładunek ujemny. Prowadzi to do powstania podwójnej warstwy ładunku elektrycznego między metalem i półprzewodnikiem oraz utworzeniu się kontaktowej różnicy potencjałów. W warstwie przystykowej półprzewodnika niemal całkowicie brak swobodnych elektronów, w związku z czym opór elektryczny warstwy jest znacznie większy niż pozostałej części półprzewodnika. Warstwę taką nazywamy warstwą zaporową.

Przyłożenie zewnętrznego napięcia elektrycznego do złącza będzie miało wpływ na rozmiary warstwy zaporowej i wysokości bariery potencjału, a więc i opór.
Pole elektryczne skierowane od metalu (+) do półprzewodnika (-) spowoduje zmniejszenie grubości warstwy zaporowej, zmniejszenie bariery potencjału i powiększenie przewodności złącza. W tym kierunku, zwanym kierunkiem przewodzenia, może płynąć stosunkowo duży prąd.

2. SCHEMATY UKŁADÓW POMIAROWYCH

Rys. 1. Schemat obwodu pomiarowego - kierunek przewodzenia

Rys. 2. Schemat obwodu pomiarowego - kierunek zaporowy

R - opornica suwakowa - prostownik jednopołówkowy

Rys. 3. Schemat połączeń prostownika jednopołówkowego z oscyloskopem

Rys. 4. Schemat połączeń obwodu prostownika dwupołówkowego z oscyloskopem

3. OCENA DOKŁADNOŚCI POJEDYŃCZYCH POMIARÓW

Miernik uniwersalny METEX

ΔU = ± 0,3 % rdg + 1 dgt × 10 mV (zakres do 20 V)

ΔU = ± 0,3 % rdg + 1 dgt × 100 mV (zakres do 200 V)

ΔI = ± 0,5 % rdg + 1 dgt × 0,1 μA (zakres do 200 μA)

ΔI = ± 0,5 % rdg + 1 dgt × 10 μA (zakres do 20 mA)

ΔI = ± 1,2 % rdg + 1 dgt × 100 μA (zakres do 200 mA)

ΔI = ± 2,0 % rdg + 5 dgt × 10 mA (zakres do 20 A)

4. TABELE POMIAROWE

Tab. 1. Wyniki pomiarów - kierunek przewodzenia

U	ΔU	I	ΔI	R	ΔR	ln R
[V]	[V]	[mA]	[mA]	[kΩ]	[kΩ]	Dla R w [Ω]
0,1	±0,01	(0,00001)	±0,00001	10000	±11030	16,12
0,2	±0,01	(0,00001)	±0,00001	20000	±21060	16,81
0,3	±0,01	(0,00001)	±0,00001	30000	±31090	17,22
0,4	±0,01	0,03	±0,00	13,333	±0,44	9,50
0,49	±0,01	0,28	±0,00	1,750	±0,05	7,47
0,57	±0,01	1,18	±0,01	0,483	±0,01	6,18
0,61	±0,01	2,86	±0,01	0,213	±0,01	5,36
0,64	±0,01	5,09	±0,03	0,126	0,00	4,83
0,66	±0,01	7,59	±0,04	0,087	0,00	4,47
0,68	±0,01	10,18	±0,05	0,067	0,00	4,20
0,69	±0,01	12,91	±0,06	0,053	0,00	3,98
0,7	±0,01	15,73	±0,08	0,045	0,00	3,80
0,71	±0,01	18,69	±0,09	0,038	0,00	3,64
0,73	±0,01	29,1	±0,35	0,025	0,00	3,22
0,74	±0,01	33,2	±0,40	0,022	0,00	3,10
0,75	±0,01	37,3	±0,45	0,020	0,00	3,00
0,75	±0,01	41,4	±0,50	0,018	0,00	2,90
0,76	±0,01	45,5	±0,55	0,017	0,00	2,82
0,77	±0,01	49,6	±0,60	0,016	0,00	2,74
0,77	±0,01	54	±0,65	0,014	0,00	2,66
0,81	±0,01	96	±1,15	0,008	0,00	2,13
0,83	±0,01	137,6	±1,65	0,006	0,00	1,80
0,85	±0,01	180,3	±2,16	0,005	0,00	1,55
0,87	±0,01	230	±4,61	0,004	0,00	1,33
0,89	±0,01	280	±5,61	0,003	0,00	1,16
0,9	±0,01	320	±6,41	0,003	0,00	1,03
0,91	±0,01	370	±7,41	0,002	0,00	0,90
0,92	±0,01	410	±8,21	0,002	0,00	0,81

Tab. 2. Wyniki pomiarów - kierunek zaporowy

U	ΔU	I	ΔI	R	ΔR	ln R
[V]	[V]	[μA]	[μA]	[MΩ]	[MΩ]	Dla R w [Ω]
-5,02	±0,01	-0,5	±0,01	10,04	±0,13	16,12
-10,07	±0,02	-1	±0,01	10,07	±0,14	16,13
-15,09	±0,04	-1,5	±0,02	10,06	±0,14	16,12
-20,1	±0,04	-2	±0,02	10,05	±0,10	16,12
-25,1	±0,02	-2,5	±0,03	10,04	±0,11	16,12
-30,1	±0,01	-3	±0,04	10,03	±0,12	16,12

5. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

• w kierunku przewodzenia (pomiar 12)

U = 0,70 V

I = 15,73 mA

R =
=
= 0,045 kΩ

ΔI = ±0,5% rdg + 10 μA = ±0,08 mA

ΔU = ±0,3% rdg + 10 mV = ±0,01 V

ln R = ln 450 = 3,80

• w kierunku zaporowym (pomiar 6)

U = - 30,1 V

I = - 3 μA

R =
=
= 10,03 MΩ

ΔI = ±0,5% rdg + 0,1 μA = ±0,04 μA

ΔU = ±0,3% rdg + 100 mV = ±0,01 V

ln R = ln (10,03 × 10⁶) = 16,12

6. RACHUNEK BŁĘDÓW

Błąd maksymalny oporności R obliczony metodą różniczki zupełnej.

ΔR = R

Wyliczone wyniki błędów dla poszczególnych odczytów zostały zawarte w tabelach pomiarowych.

7. ZAOBSERWOWANE OBRAZY PRĄDU ZDJĘTE Z

OSCYLOSKOPU

• obraz prądu przemiennego

• obraz prądu przemiennego wyprostowanego jednopołówkowo

- obraz prądu przemiennego wyprostowanego dwupołówkowo

8. ZESTAWIENIE WYNIKÓW POMIARÓW

Wyniki pomiarów zostały zestawione w formie wykresów przedstawionych na następnych stronach.

9. UWAGI I WNIOSKI

Wyniki doświadczenia potwierdzają właściwości złącza typu „n”. Podczas zasilania układu prądem stałym zaobserwowaliśmy znaczne różnice oporności złącza w zależności od kierunku przyłożonego napięcia oraz jego nieliniowy charakter.

Przy zasilaniu prądem przemiennym zaobserwowaliśmy prostowanie jednopołówkowe prądu - dioda przepuszczała napięcie o amplitudach dodatnich i filtrowała napięcie o amplitudach ujemnych (lub odwrotnie - w zależności od kierunku jej przyłączenia). Układ Graetza ze względu na mostkowe połączenie czterech elementów prostujących umożliwia dwupołówkowe prostowanie prądu - jedna jego część przepuszcza napięcie o amplitudzie dodatniej, druga napięcie o amplitudzie ujemnej - ze znakiem przeciwnym.

Skutki działania prostowników są wyraźnie widoczne na wykresach i w wyjątkowo łatwy sposób można zrozumieć, zasadę pracy prostownika.

U_k

Półprzewodnik

Metal

+

+

R

V

A

Zasilacz regulowany

-

-

R

V

A

Zasilacz regulowany

Osc.

R

Zasilacz prądu

przemiennego

Osc.

R

Zasilacz prądu

przemiennego

---