تجربة رقم 6 - دراسة الخواص الكهربية للمواد شبه الموصلة PDF

# تجربة رقم (6) ## دراسة الخواص الكهربية للمواد شبه الموصلة سوف نقوم في هذه التجربة المعملية بتعيين قيمة فجوة الطاقة لشبه موصل Semiconductor Energy gap بتطبيق ثلاثة طرق للقياس مختلفة. تطبيق شبه موصل مستقل، تطبيق مقوم ثنائي Diode بالتغذية العكسية و تطبيق مقوم ثنائي بالتغذية الأمامية. ### الجزء الأ...

# تجربة رقم (6) ## دراسة الخواص الكهربية للمواد شبه الموصلة سوف نقوم في هذه التجربة المعملية بتعيين قيمة فجوة الطاقة لشبه موصل Semiconductor Energy gap بتطبيق ثلاثة طرق للقياس مختلفة. تطبيق شبه موصل مستقل، تطبيق مقوم ثنائي Diode بالتغذية العكسية و تطبيق مقوم ثنائي بالتغذية الأمامية. ### الجزء الأول: #### الهدف من التجربة: - تعيين فجوة الطاقة لشبه موصل مستقل: - تعيين قيمة طاقة الفجوة E لمادة شبه موصلة مستقلة. - تعيين كلا من قابلية التحرك (+ Me) وتركيز الالكترونات(N). اذا استثنينا ما قد يحدث عند درجات الحرارة المنخفضة فإن شبه الموصل المعني بتنقيته يظهر عادة توصيلا ذاتيا، وهو ما يختلف عن التوصيل بالشوائب الذي يحدث في العينات الأقل نقاء. وسنتحدث عن المدي الذاتي للحرارة بوصف مدي الحرارة الذي لا تتغير فيه الخصائص الكهربية في شبه الموصل تغييرا جوهريا بسبب وجود شوائب في البلورة ، ويمكن تمثيل مستويات الطاقة في شبه الموصل الذاتي كما في الشكل (١) حيث يفترض أنه عند الصفر المطلق يوجد شريط توصيل فارغ conduction band تفصله فجوة طاقة (Energy gap (E عن شريط التكافؤ المملوء بالالكترونات valence band. - **شكل (۱):** * **0 < T الكترونات توصيل** * **EF** * **ρ** * **0** * **ثقود** * **Eg** * **شريط التوصيل الفارغ** * ** )T= 0 K عند )** * **فجوة طاقة** * **شريط التكافؤ** وبارتفاع درجة الحرارة تثار الالكترونات حراريا من شريط التكافؤ الي شريط التوصيل ، والالكترونات التي انتقلت الي شريط التوصيل وكذلك الحالات الخالية أو الثقوب المختلفة في شريط التكافؤ كل منها يسهم في التوصيل الكهربي ، وفي درجات الحرارة الأقل من المدي الذاتي تكون الخواص الكهربية محكومة بالشوائب كما في شكل (٢). - **شكل (۲):** * **Ιη σ** * **توصيل ذاتي** * **Intrinsic** * **σ = Νε με e + Νημη ε** * **e** * **توصيل غير ذاتي** * **Extrinsic** * **1** * **(K-1)** * **T** في المواد شبه الموصلة : - **التوصيلية الكهربية تعطي بالعلاقة : ** * ``` σ = Νε με e + Νημη ε ``` **(2)** * حيث يعتمد التوصيل علي وجود الالكترونات والثقوب. * وبناءا علي ذلك يجب حساب كلا من *Ne, Nh* * وبالتالي نستخدم احصاء فيرمي - ديراك : ``` f(E) = 1 / (1+e(E-EF)/kBT) ``` **(3)** * حيث EF مستوي طاقة فيرمي * KB ثابت بولتزمان ## الأدوات المستخدمة في التجربة: عينة شبه موصلة علي شكل اسطواني ، وصلات كهربائية ، جهاز لقياس الجهد ذو مقاومة دخول عالية (فولتميتررقمي) ، مولد تيار ثابت ، فرن كهربي ، مصدر جهد متردد في حدود (V AC 40) ، ترمومتر حتي C° 100. تعتبر الدائرة الكهربية الموضحة من أدق طرق القياس للمقاومات (المتوسطة والصغيرة وتسمي طريقة الوصلات الأربعة والشكل العام علي الصورة: ## خطوات العمل : - تأكد من الوصلات الكهربية كما في شكل (٥). - مرر تيار كهربي ثابت في حدود A 0.05 – 0.01 . - ارفع درجة حرارة العينة حتي تصل الي 70 - تابع تغير قيمة الجهد عبر وصلتي الجهد مع تغير درجة الحرارة وعين قيمة الجهد بعد كل 5 درجات حرارة. - عين قيمة المقاومةR= V/I المقابلة لكل قيمة للجهد. - عين قيمة التوصيلية الكهربية من العلاقة = a ثم احسب قيمة In a * ``` σ = a / Ra ``` * ``` d = 2 ×10-3 ``` **حيث سمك العينة** * ``` a = 2 × 10-5m² ``` **مساحة مقطع العينة** - دون النتائج في الجدول التالي. - ارسم علاقة بيانية بين T/1 علي المحور الأفقي و In o علي المحور الرأسي سوف تحصل علي خط مستقيم، عين قيمة ميل هذا الخط ثم احسب قيمة Eg - احسب قيمة الثابت A - احسب قيمة قابلية التحرك ) + (e) باستخدام العلاقة (17). - احسب قيمة تركيز الالكترونات ;N باستخدام العلاقة (18). ## جدول البيانات | T (°C) | T (K) | V (volt) | R (Ω) | σ (Ω-1m-1) | 1η σ | 1/T | |---------|--------|----------------|--------|---------------|-------|------| | 70 | | | | | | | | 65 | | | | | | | | 60 | | | | | | | | 55 | | | | | | | | 50 | | | | | | | | 45 | | | | | | | | 40 | | | | | | | | 35 | | | | | | |