Ćwiczenie nr 8 1. Wprowadzenie

Ćwiczenie nr 8
Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej dla pastylek z
polimeru przewodzącego w układzie struktur barierowych
Au|SP|Au i Al|SP|Al
1. Wprowadzenie
Obok jednobarierowych struktur metal-półprzewodnik (dioda Schottkego) coraz większe
znaczenie mają struktury dwubarierowe złoŜone z dwóch diod S połączonych w układzie
„back-to-back” przedstawionej schematycznie na rysunku poniŜej:
złącze A
SP
złącze B
metal
metal
d
półprzewodnik
polimerowy
Oba złącza (A, B) wykonane są z tego samego metalu i nanoszone są metodą próŜniową,
która zapewnia dostateczną czystość chemiczną złącza. W zaleŜności od zastosowanego
metalu (decyduje praca wyjścia elektronu z metalu) układy takie mają róŜne właściwości co
wiąŜe się z róŜną wysokością bariery (φM) na złączu metal-półprzewodnik. Jeśli wysokość
bariery na złączach A i B jest taka sama wówczas mamy symetryczny układ M-SP-M. Jeśli
φMA ≠ φMB układ M-SP-M jest niesymetryczny. Istotną rolę odgrywa takŜe grubość warstwy
półprzewodnikowej (d), która ma wpływa na właściwości elektryczne układu M-SP-M.
1
JeŜeli układ dwubarierowy posiada warstwę półprzewodnikową o grubości rzędu 10-1 cm, to
układ ten jest równowaŜny dwu niezaleŜnym złączom metal-półprzewodnik połączonym
szeregowo i po przyłoŜeniu napięcia jedno złącze (A) jest spolaryzowane zaporowo, a drugie
przewodząco (B). Jeśli przyłoŜone napięcie nie jest zbyt wysokie (poniŜej 50V), transport
nośników ładunku jest wynikiem emisji ponadbarierowej. Prostoliniowy przebieg zaleŜności
I=f(V) wskazuje, Ŝe w badanym układzie spełnione jest prawo Ohma. Odmienny od
prostoliniowego przebieg charakterystyk prądowo-napięciowych wskazuje na prostowniczy
charakter złącza (diody) i pozwala wyznaczyć wysokość bariery (φM) na złączu metalpółprzewodnik zgodnie z relacją:
qV 
I = I s exp
, dla V = 3kT
 nkT 
(1)
q φ 
I s = AT 2 exp M 
 nkT 
(2)
gdzie: q – ładunek elementarny, I – gęstość prądu [Am-2], V – natęŜenie pola elektrycznego
[Vm], A – stała Richardsona, T – temperatura w skali bezwzględnej, k – stała boltzmana.
Wielkość nkT/q – wyznacza się z nachylenia prostej przedstawiającej zaleŜność ln I od V w
kierunku przewodzenia, otrzymanej przez zlogarytmowanie równania (1). Wartość prądu
nasycenia wyznacza się ekstrapolując prostą do napięcia V=0. Znając Is oraz A wysokość
bariery (φM) moŜna wyliczyć bezpośrednio z wielkości prądu nasycenia. Jeśli stała
Richardsona nie jest znana, moŜna ją wyznaczyć zdejmując zaleŜność I od V w róŜnych
temperaturach, znajdując równocześnie zaleŜność Is od T. przekształcając równanie (2)
otrzymujemy zaleŜność:
ln I s
q φM 1
= ln A +
2
nk T
T
(3)
odkładając na wykresie zaleŜność lnIs/T 2 jako funkcję 1/T, z nachylenia prostej uzyskujemy
wielkość
qφ M
, z której moŜemy wyliczyć φM, a przecięcie z osią rzędnych pozwala
nk
wyznaczyć lnA, a więc określić stałą Richardsona A dla danego układu.
Literatura:
1. Wojciech Czerwiński, Wpływ budowy wybranych polimerów przewodzących z
niezdegenerowanym stanem podstawowym na ich strukturę elektronową i właściwości
elektryczne, Wyd. UMK Toruń, Toruń 1994r.
2
2. Aparatura pomiarowa
•
zasilacz prądu stałego
•
elektrometr lub pikoamperomierz
•
termostat
•
termostatowane naczynie pomiarowe
2.1 . Schemat ogólny aparatury pomiarowej
A
V
zasilacz prądu stałego
+ -
3. Sposób wykonania
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych badanego
półprzewodnika polimerowego w stanie samoistnym lub zdomieszkowanym w układzie
struktur barierowych M|SP|M oraz wyliczenie wartości stałej Richardsona dla danego
układu barierowego i wielkość bariery potencjału (φM).
3.1. Wykonanie ćwiczenia
•
Określoną pastylkę (podaną przez prowadzącego) z naniesionymi obustronnie
elektrodami zmierzyć i następnie umieścić w naczynku pomiarowym między
zaciskami zbierającymi.
3
•
Urządzenie wprowadzić do komory termostatującej, a następnie włączyć
ultratermostat z wcześniej ustawionym regulatorem temperatury na zadanej
temperaturze. Włączyć pikoamperomierz i zasilacz prądu stałego.
•
Po ustaleniu się temperatury w naczyniu pomiarowym przykładać do próbki napięcie
i odczytywać płynący w układzie pomiarowym prąd.
•
Wartości przykładanego napięcia zmieniać w zakresie od 0 do 2 V co 0,2V
•
Następnie przeprowadzić analogiczny pomiar w zakresie 0-20V zmieniając
przykładane napięcie o 1V
•
Pomiary powtórzyć w trzech róŜnych (podanych przez prowadzącego ćwiczenie)
temperaturach
Opracowanie wyników pomiarów
1. Odczytane wyniki dla poszczególnych temperatur zestawić w tabelach
temp [K] =
zakres 0 – 2V
i [A]
I [A cm-2]
U [V]
zakres 0 – 20V
V [V cm-1]
i [A]
I [A cm-2]
U [V]
V [V cm-1]
2. Wykreślić wykresy zaleŜność i = f(U) oraz I = f(V)
3. Następnie zgodnie z teorią opisaną we wstępie wyliczyć stałą Richardsona oraz wielkość
bariery potencjału (φM).
4. Wykreślić wykresy zaleŜności ln I od V oraz lnIs/T 2 w funkcji 1/T,
5. Przeprowadzić dyskusję uzyskanych wyników.
4