Лабораторная работа №1. Изучение основ микроструктурного анализа металлов и сплавов с применением оптического микроскопа…
Скачать 1.03 Mb.
|
| 6. Контрольные вопросы 6.1. Назовите основные, эксплуатационные факторы, которые оказывают влияние на ε и tgδ диэлектриков. 6.2. Дайте определение поляризации диэлектриков. 6.3. Чему пропорциональна величина электрического заряда конденсатора с данным диэлектриком между его обкладками 6.4. Перечислите основные виды поляризации, которые наблюдаются в диэлектриках. 6.5. Изложите сущность электронной поляризации. Связана ли эта поляризация с рассеянием энергии внешнего электрического поля? 6.6. Укажите время, за которое протекает электронная поляризация. Зависит ли величина электронной поляризации диэлектриков от температуры? 6.7. Изложите сущность ионной поляризации. Происходит ли рассеяние энергии вешнего поля при этом виде поляризации? 6.8. За какое время протекает ионная поляризация? Зависит ли степень ионной поляризации от температуры? 6.9. Изложите сущность дипольной поляризации. Происходит ли рассеяние энергии внешнего поля на этот вид поляризации? 6.10. 3а какое время протекает дипольная поляризация? Зависит ли степень поляризации от температуры? 6.11. Какие виды поляризации характерны для нейтральных диэлектриков? 6.12. Какие виды поляризации характерны для полярных диэлектриков? 6.13. Дайте определение относительной диэлектрической проницаемости ε. 6.14. Укажите диапазон возможных значений ε для полярных и нейтральных диэлектриков. Чему равна ε для воды? 6.15. Покажите на графике зависимость ε от температуры для нейтральных диэлектриков. 6.16. Покажите на графике зависимость ε от температуры для полярных диэлектриков. 6.17. Какие факторы оказывают влияние на дипольные молекулы полярного диэлектрика при одновременном воздействии на него электрического поля и повышенной температуры? 6.18. Почему при увлажнении диэлектрика его диэлектрическая проницаемость увеличивается? 6.19. Покажите на графике характер зависимости ε от частоты электрического поля для нейтральных диэлектриков. 6.20. Покажите на графике характер зависимости ε от электрического поля для полярных диэлектриков. 6.21. Какие виды поляризации диэлектриков не зависят от частоты электрического поля и почему? 6.22. Что собой представляют диэлектрические потери в диэлектрике? 6.23. Что является причиной возникновения в диэлектрике диэлектрических потерь? 6.24. Изобразите векторную диаграмму диэлектрика с потерями. Чему равен tgδ? 6.25. Напишите формулу, по которой подсчитывается величина рассеиваемой в диэлектрике мощности. 6.26. Почему нейтральные диэлектрики называют высокочастотными? 6.27. Почему полярные диэлектрики считают низкочастотными? 6.28. Приведите диапазон значений tgδ для высокочастотных и низкочастотных диэлектриков. 6.29. Покажите на графике характер зависимости tgδ от температуры для нейтральных диэлектриков. 6.30. Покажите на графике характер зависимости tgδ от температуры для полярных диэлектриков. 6.31. Какое влияние оказывает влага на tgδ диэлектриков и почему? 6.32. Покажите на графике зависимости tgδ от частоты для полярных диэлектриков. 6.33. Какой метод положен в основу измерения ε и tgδ в настоящей лабораторной работе? 6.34. Приведите формулу определения диэлектрической проницаемости диэлектрика через выражение для емкости плоского конденсатора. 6.35. С помощью какой аппаратуры исследуют зависимость tgδ от частоты? Лабораторная работа № 5 Исследование влияния ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов на характеристики полупроводниковых диодов 1. Цель работы Изучить влияние температуры на эксплуатационные характеристики полупроводниковых материалов, применяемых в авиационном радиоэлектронном оборудовании. 2. Задачи работы 2.1. Освоить методику определения величины обратного тока через p-n переходы в полупроводниковых приборах. 2.2. Исследовать влияние температуры на значение обратного тока диодов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов. 2.3. Установить влияние ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов на температурную стабильность характеристик полупроводниковых приборов, изготовленных из этих материалов. 3. Сущность исследуемых вопросов По своим свойствам полупроводниковые материалы занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Отличие в свойствах, согласно квантовой теории твердого тела, является следствием отличия во взаимном расположении основных энергетических зон этих материалов (рис. 5.1.). Из диаграмм, приведенных на рис. 5.1, следует, что в проводниках валентная зона и зона проводимости перекрываются. Поэтому любой коллективизированный электрон в проводнике может стать свободным и принять участие в электропроводности. В диэлектрике валентная зона и зона проводимости разделены широкой запрещенной зоной ∆Е, преодолеть эту зону свободные электроны могут только получив квант энергии Е > ∆Е.  Полупроводники отличаются от диэлектриков меньшей шириной запрещенной зоны (∆Е до 4,8∙10-19 Дж). Поэтому часть валентных электронов под влиянием температуры, светового излучения, напряженности электрического поля могут получить соответствующий квант энергии, достаточный для преодоления запрещенной зоны, и перейти в зону проводимости, став свободными электронами (электронами проводимости). Уход валентного электрона со своего энергетического уровня (орбиты) приводит к появлению в валентной оболочке атома полупроводника незанятой орбиты свободного места, дырки (рис.5.2). На это освободившееся место на орбите при условии получения определенного кванта энергии может перейти электрон с более низкой орбиты (с нижнего энергетического уровня) и так далее. То есть за счет последовательного перехода электронов с нижних на более высокие энергетические уровни дырка будет спускаться вниз по энергетическим уровням в валентной зоне. Перемещение дырки по энергетическим уровням эквивалентно движению положительного электрического заряда, численно равного заряду электрона (1.6 ∙ 10-19 Кл). Таким образом, в полупроводнике существует как бы два вида проводимости: электронная и дырочная. Рис.5.2. Образование свободного электрона и дырки в полупроводнике под действием теплового кванта; 1 – валентный электрон; 2 – электрон проводимости; 3 – дырка ЗП ВЗ ЗЗ 1 2 ΔE E 2 1 3 3 В идеально чистом полупроводнике, не имеющем дефектов кристаллического строения, эти два вида проводимости равны и составляют так называемую собственную проводимость (проводимость I типа) В таком полупроводнике концентрация электронов проводимости, следовательно, и дырок определяется только температурой по формуле:  , (5.1)где А – коэффициент, зависящий от свойств материала; Т – абсолютная температура; ∆Е – ширина запрещенной зоны; k – постоянная Больцмана. Однако ряд важных для практики электрических свойств проводниковых материалов связан с наличием в полупроводниковом монокристалле областей с разным типом проводимости (электронной или дырочной), полученной за счет местного легирования полупроводника химическими элементами, имеющими большую или меньшую валентность, чем сам полупроводник. Окрестность границы между областями полупроводника, имеющего электронный характер проводимости (проводимость n-типа) и дырочную проводимость (проводимость p-типа) называется p-n переходом. Принцип действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, фото- и термоэлементов, светодиодов, полупроводниковых лазеров и др.) основан на использовании свойств p-n переходов. Однако вначале о достижении преимущественно электронной и дырочной проводимостях.  Если в предварительно очищенный от вредных примесей полупроводник, представляющий собой монокристалл, т.е. имеющий сравнительно малое количество дефектов кристаллического строения, ввести определенное количество легирующих элементов, валентность которых будет выше валентности самого проводника, то это приведет к появлению в непосредственной близости от зоны проводимости полупроводника дополнительных энергетических уровней. Они заполнены электронами, способными при незначительных энергетических воздействиях не преодолевая запрещенную зону, перейти в зону проводимости, т.е. стать свободными (электронами проводимости) рис.5.3а. Как уже отмечалось, оставшаяся после ухода с энергетического уровня электрона дырка способна перемещаться вниз по энергетическим уровням. Однако, в рассматриваемом случае пределы перемещения дырки ограничивается только дополнительными энергетическими уровнями и в валентную зону дырка не попадает, благодаря тому, что ее дальнейшему перемещению препятствует энергетический барьер величиной ∆Е запрещенной зоны. Таким образом, полупроводниковый материал, легированный элементом, валентность которого выше, чем его самого, имеет при энергетических воздействиях преимущественно электронную проводимость (проводимость типа «n») Аналогично рассуждая, можно прийти к выводу о том, что тот же полупроводник, в который введен легирующий элемент, валентность которого ниже валентности самого полупроводника, будет обладать преимущественно дырочной проводимостью (проводимость типа «p»). Это возможно потому, что наличие таких легирующих элементов эквивалентно появлению вблизи валентной зоны дополнительных свободных энергетических уровней, на которые при малых энергетических воздействиях способны переходить электроны с энергетических уровней валентной зоны. Однако, благодаря тому, что дальнейшему движению электронов препятствует энергетический барьер ∆Е запрещенной зоны, а дырки способны беспрепятственно двигаться вниз по энергетическим уровням, данный полупроводник и будет иметь преимущественную дырочную проводимость (рис5.3б). Легирующий элемент, введение которого обеспечивает в полупроводнике электронную проводимость, называется донором, а элемент, создающий в полупроводнике дырочную проводимость, – акцептором. Таким образом, p-n переход является граничной областью между полупроводниками p-типа и n-типа. Вследствие того, что проводимость p и n областей определяется носителями зарядов, привнесенными легирующим элементом, эти примесные носители называются основными, а электроны и дырки, возникающие при переходе через запрещенную зону электронов самого полупроводника, считаются неосновными зарядами. Принцип работы p-n переходов, являющихся основным функциональным элементом полупроводниковых приборов, на примере диода показан на рис. 5.4. p-n переход Основные носители d p n + – – + Неосновные носители а) б) Рис. 5.4. Схема, поясняющая принцип работы диода: а) прямая полярность включения; б) обратная полярность включения. ● - электрон; О - дырка; d - ширина области пространственного заряда При прямой полярности включения диода (а) основные носители граничных областей движутся к p-n переходу и легко проходят через него, создавая прямой ток через p-n переход. При обратной полярности (б) основные носители движутся от p-n перехода (расходятся), а через p-n переход проходят только неосновные носители (дырки в области «n» и электроны в «p» области), концентрация которых в легированном полупроводнике гораздо меньше концентрации основных носителей. Движение неосновных носителей создает так называемый обратный ток. Обратный ток диода будет значительно меньше прямого, что подтверждается типовой вольтамперной характеристикой диодов (рис. 5.5). Среди эксплуатационных факторов для полупроводниковых приборов на первое место выходит температура окружающей среды или температура, до которой нагревается прибор в процесс его работы. При нагревании диода его обратный ток через p-n переход будет расти только за счет увеличения неосновных носителей, т.е. носителей собственно полупроводникового материала, которые под действием квантов тепловой энергии способны преодолеть энергетический барьер запрещенной зоны и перейти в зону проводимости согласно выражению (5.1). Изменение вольтамперной характеристики полупроводникового диода при повышении температуры показано пунктиром на рис. 5.5 (кривая 2). Рис.5.5. Типовая вольтамперная характеристика полупроводникового диода: 1 – при температуре То = 293 К (нормальная температура); 2 – при температуре Т > То 2 Uобр Iобр Uпр Iпр 1 Обратный ток Прямой ток Чувствительность диода к изменению температуры можно оценить величиной относительно изменения значений обратного тока при фиксированном значении обратного напряжения – на p-n переходе по формуле: IОБР.ОТН = IОБР.Т / IОБР.То , (5.2) где IОБР.То - величина обратного тока при То = 293 К; IОБР.Т - величина обратного тока при температуре T>T0. Обратный ток через p-n переход можно рассматривать состоящим из двух составляющих: диффузной и генерационно-рекомбинационной. Диффузная составляющая обратного тока обусловлена движением неосновных носителей через p-n переход. При достаточно большом значении обратного напряжения величина диффузной составляющей обратного тока приближенно определяется формулой: IДИФ=B∙n, (5.3) где B - коэффициент, зависящий от площади p-n перехода и свойств полупроводникового материала; n - концентрация носителей. Генерационно-рекомбинированная составляющая обратного тока возникает за счет наличия электронов и дырок, возникающих в области p-n перехода под действием тепловых квантов и успевающих покинуть эту область, не успев рекомбинировать (уничтожить друг друга). Величина этой составляющей определяется формулой того же вида, что и (5.3), т.е. IГ-Р=C∙d∙n, (5.4) где С – коэффициент, определяемый свойствами полупроводникового материала; d – ширина области пространственного заряда (рис.5.2 б), зависящая от приложенного напряжения: чем выше напряжение, тем больше d. Полный обратный ток: IОБР= IДИФ+ IГЕН=(B+Cd)n. (5.5) С учетом выражений (5.1) и (5.5) формулу (5.2) можно представить следующим образом:  (5.6)K=A(B+Cd)T3/2/IОБР.То где K – масштабный коэффициент, величина которого определяется свойствами полупроводниковых материалов и мало изменяется по сравнению с изменением экспоненты в сравнительно узком диапазоне частот. Поскольку B и d зависят от приложенного к диоду напряжения, исследование зависимости величины обратного тока от температуры необходимо вести при фиксированном значении обратного напряжения. Это напряжение обычно соответствует наибольшему допустимому обратному напряжению, указанному в паспорте на диод. Из полученной математической зависимости (5.6) следует, что относительное изменение величины обратного тока зависит от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен диод. То есть при повышении температуры относительное значение величины обратного тока тем выше, чем меньше ∆E  Иными словами, чем шире запрещенная зона у полупроводникового материала, тем в меньшей степени величина обратного тока диода зависит от его температуры. Графическая интерпретация формулы (5.6) приведена на рис.5.6. В современных полупроводниковых приборах широкое применение находят полупроводниковые материалы, название и ширина запрещенной зоны которых приведены в табл.5.1. Таблица 5.1
| ||||||||||||
Похожие:
 | ... |  | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Лабораторная работа Выполнение расчетов с использованием программирования в среде Visual Basic for Applications (vba). 8 | | Лабораторная работа №8. Структурирование таблицы с автоматическим подведением итогов |
| Целью работы является изучение возможностей субд microsoft Access 2007 по созданию и ведению баз данных | | Целью работы является изучение возможностей субд microsoft Access 2007 по созданию и ведению баз данных |
| Исследование волокон и волокнистых материалов /^Исследование металлов, сплавов, металлических изделий | | Семинар «Методология проведения химико-токсикологического анализа (хта). Направленный и ненаправленный хта. Вещественные доказательства.... |
| Лабораторная работа №6 (статические массивы, знакомство с графическим режимом. Возможно будет изменена) 49 | | Задания на экзамен выполняются студентом в компьютерном классе при наличии конспектов под руководством преподавателя |