Bestimmung der Energielücke von Germanium

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1 Physikalische echnik Physikalisches Praktikum 2 Bestimmung der Energielücke von Germanium Halbleitende Materialien sind dadurch charakterisiert, daß elementare Anregungen von Valenzelektronen nur möglich sind, wenn den Elektronen genügend Energie zugeführt wird, um eine für das Material charakteristische "Energielücke" zwischen Valenz- und Leitungsband zu überwinden. Viele physikalische Eigenschaften von Halbleitern sind daher von der Größe dieser Energielücke bestimmt. m vorliegenden Versuch soll die Größe der Energielücke des Elementarhalbleiters Germanium bestimmt werden. azu wird der Sperrstrom eines Germanium pn-übergangs als unktion der emperatur gemessen. ür die Erzeugung eines Stroms in diesem Übergang ist eine thermische Aktivierung von Ladungsträgern über die Energielücke hinweg nötig; deshalb folgt der Sperrstrom einer exponentiellen Abhängigkeit von Energielücke und emperatur gemäß einer Boltzmann-Verteilung. Stichworte für die Vorbereitung: Halbleiter, dotiert / undotiert Bändermodell, Valenzband, Leitungsband Eigenleitung, Störstellenleitung pn-übergang, iodenkennlinie Raumladungszone, ermienergie E, Kontaktpotential urchlaßspannung, Sperrspannung R, emperaturspannung ransistor ransistorkenngrößen Literatur: Allgemeine Lehrbücher der Physik (z.b. Gerthsen/Gneser/Vogel: Physik, Springer Verlag, oder Hering, Martin, Stohrer: Physik für ngenieure, V-Verlag Rudden/ Wilson: Elementare estkörperphysik und Halbleiterelektronik, Spektrum Verlag 1995 holl, Bauelemente der Halbleiterelektronik, eil 1, eubner (1976) ietze, Schenk, Halbleiter Schaltungstechnik, Springer Havill, Walton: Elements of Electronics, Macmillan Press 1975 Physikalisches Praktikum 2 VA_GERMneu2.doc

2 Versuch BESMMNG ER ENERGELÜCKE VON GERMANM 2 / 6 GRNLAGEN 1.1 Einleitung Eine Halbleiterdiode bzw. ein pn-übergang entsteht, wenn man in einem Halbleiterkristall eine p-leitende an eine n-leitende Zone angrenzen läßt. An der Grenzfläche diffundieren dann, wegen des ichtegefälles und der thermischen Energie der freien Ladungsträger, Elektronen in die p-zone und Löcher in die n-zone. eshalb nimmt in einem schmalen Gebiet beiderseits der Grenzfläche die ichte der freien Ladungsträger um mehrere Zehnerpotenzen ab. iesen Strom, der aus Majoritätsträgern besteht, nennt man iffusionsstrom. ie ionisierten remdatome bleiben dabei als positive und negative Raumladungen in der n- und p-zone zurück und rekombinieren zum eil. Sie bauen in der Grenzschicht ein elektrisches eld auf und verursachen einen Strom, der der iffusion entgegenwirkt. ieser Strom wird als eldstrom bezeichnet und besteht aus Minoritätsträgern. Liegt am pn-übergang keine äußere Spannung, so heben sich iffusions- und eldstrom gegenseitig auf. Am Grenzübergang entsteht durch die Raumladungsfeldstärke ein Spannungssprung, der als iffusionsspannung bezeichnet wird. 1.2 Kennlinie einer Halbleiterdiode er iffusionsstrom hängt von der otierungsdichte (Majoritätsträger) und, wegen der Wärmebewegung über den Boltzmannfaktor, von der Höhe der iffusionsspannung ab. er iffusionsstrom kann durch die Gleichung mit: C : Proportionalitätsfaktor : iffusionsspannung = C e e k [1] beschrieben werden. er eldstrom besteht nur aus Minoritätsträgern und kann deshalb schon von sehr kleinen Spannungen an nicht mehr zunehmen. er eldstrom ist also ein Sättigungsstrom, der proportional zur Minoritätsträgerdichte ist. ie Minoritätsträgerdichte ist über das Massenwirkungsgesetz der Halbleiter von der otierung und wegen der Wärmebewegung über den Boltzmannfaktor von der Energielücke im Bandschema abhängig. ür den eldstrom ergibt sich daher: = C e W k [2] wobei C einen Proportionalitätsfaktor und W die Energielücke im Bandschema darstellen. Ohne äußere Spannung ist der Strom durch eine ideale iode gleich Null, d.h.: = Physikalisches Praktikum 2 VA_GERMneu2.doc

3 Versuch BESMMNG ER ENERGELÜCKE VON GERMANM 3 / 6 k C e = C e e W k [3] Mit äußerer Spannung kann die iffusionsspannung abgebaut werden und wird zu = C e e( ) k d.h. es fließt ein Strom. = k = C e C e e( ) W k k k = C e e C e e e W k [4] mit Gl. [3] kann geschrieben werden k k = C e e C e W e W k urch Ausklammern ergibt sich die iodenkennlinie. W e k k = C e e 1 oder W k = RS e 1 er Koeffizient RS = C e wird als Sättigungssperrstrom bezeichnet und ist stark k temperaturabhängig. Aus dem Quotient = erhält man dimensionsmäßig eine Spannung, e die emperaturspannung. ür die emperaturspannung bei Zimmertemperatur (25 C) erhält man: 23 k 1, 381e VAs 298, 15K = = = 25, 7mV 19 e 1, 602e AsK ie ifferentiation der iodengleichung im urchlaßbereich, d.h. ergibt den differentiellen Leitwert: e >> 1 d d RS e = = = r 1 Physikalisches Praktikum 2 VA_GERMneu2.doc

4 Versuch BESMMNG ER ENERGELÜCKE VON GERMANM 4 / 6 wobei der ndex "" die urchlaßrichtung angibt. Reale ioden zeigen Abweichungen von dem Kennlinienverlauf der iodengleichung. m urchlaßbereich für >0 können diese Abweichungen im wesentlichen auf Widerstände zurückgeführt werden, die in Serie mit dem pn-übergang liegen (Widerstand des Halbleitermaterials, der Kontakte und Zuleitungen). m Sperrbereich für <0 dehnt sich die Sperrschicht mit wachsender Sperrspannung aus, so daß in ihrem Bereich mehr thermische Paarbildungsprozesse zum Sperrstrom beitragen. Bei höheren Spannungen kann die eldstärke in der Sperrschicht so groß werden, daß ihre Kraftwirkung allein ausreicht, Elektronen aus ihren Bindungen zu reißen und so die ichte der freien Ladungsträger beträchtlich zu erhöhen (Zehnereffekt). Außerdem kann bei hoher Sperrspannung und genügend breiter Sperrschicht, die kinetische Energie der freien Ladungsträger so groß werden, daß sie in der Lage sind, durch Stoß weitere Ladungsträger freizusetzen (Lawinen- oder Avalanche-Effekt). n beiden ällen steigt, von einer kritischen Spannung an, der Sperrstrom steil an. 1.3 emperaturabhängigkeit des Sperrstroms er Sperrstrom ist nach Gl. [2], wie der eldstrom, ein Minoritätsträgerstrom und exponentiell von der emperatur abhängig. ür den Sperrstrom ergibt sich = C e RS W k [6] Man betrachtet nun den Sperrstrom RS bei der emperatur und den Sperrstrom RS0 bei der emperatur 0. = C e RS 0 W k 0 [7] Gl. [6] und Gl. [7] werden dividiert und anschließend logarithmiert, so daß sich ergibt ln RS RS0 W = k [8] W e Mit der emperaturkonstante C = = k k schreiben und der Energielücke ( e ) ln RS C C = [9] RS 0 0 in ev, läßt sich ies entspricht in halblogarithmischer arstellung der Gleichung einer Geraden, wobei C die Steigung der Geraden angibt und die Variable 1/ auf der Abszisse aufgetragen wird. Physikalisches Praktikum 2 VA_GERMneu2.doc

5 Versuch BESMMNG ER ENERGELÜCKE VON GERMANM 5 / 6 2. Versuchsdurchführung Geräteliste: 2 Spannungs- bzw. Stromquellen (yp ZENRO) 1 Strommeßgerät 2 Spannungsmeßgeräte 1 Experimentierplatte mit Zubehör 1 emperaturblock mit Heizwiderständen 1 igitales hermometer zur Messung der emperaturabhängigkeit des Sperrstroms 1 Germaniumdiode (ransistor) 1 Siliziumdiode (ransistor) 1 Potentiometer Widerstände atenbücher Spannungsmessgerät Strommessgerät Abb. 1: Arbeitsplatz zur Messung der Energielücke bei Germanium Strom / Spannungsquellen igitales hermometer Experimentierplatte mit Germanium-ransistor, emperaturblock und Heizwiderständen 2.1 Aufnahme der Kennlinien = f( ) im Bereich -3 V bis +1 V. Schaltung: Überlegen Sie sich geeignete Schaltungen zur Aufnahme der = f( ) Kennlinie der Basis-Kollektor- Strecke eines Si- bzw. Ge-ransistors in urchlaß- bzw. Sperrichtung. Beachten Sie hierbei den Einfluß der Meßgeräte auf das Meßergebnis (Strom- bzw. Spannungsfehlerschaltung). Welche Schaltung eignet sich für die Sperr-, bzw. Vorwärtsbeschaltung der iode? Entnehmen Sie den atenbüchern bzw. den atenblättern die Grenzdaten und Anschlußbezeichnungen der Bauteile. Physikalisches Praktikum 2 VA_GERMneu2.doc

6 Versuch BESMMNG ER ENERGELÜCKE VON GERMANM 6 / 6 Legen Sie die maximale Betriebsspannung fest, und berechnen Sie aus der maximalen Verlustleistung den maximalen urchlaßstrom. Begrenzen Sie den urchlaßstrom durch Beschaltung der iode mit einem geeigneten Schutzwiderstand. Notieren Sie die mgebungstemperatur und die nnenwiderstände der Meßgeräte. Bauen Sie die Meßschaltungen auf dem Steckbrett auf und nehmen Sie die Kennlinien auf. 2.2 Messung der emperaturabhängigkeit des Sperrstroms einer Germanium-iode (Emitter-Basis-iode eines ransistors) Hierzu wird der ransistor in die entsprechende Bohrung des emperaturblocks eingebracht (evtl. etwas Wärmeleitpaste verwenden). ie emperatur wird über den Strom durch die beiden Heizwiderstände eingestellt. Zur emperaturmessung wird ein digitales hermometer verwendet. ecken Sie die Schaltung mit einem Becherglas ab, um während der Messung annähernd ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Messung: Messen Sie den Sperrstrom in Mikroampère als unktion der emperatur beim Aufheizen auf etwa 50 C und beim Abkühlen. 3. Hinweise für die Auswertung 3.1 Berechnen Sie den entstandenen Meßfehler durch die Meßgeräte bei der urchlaß- und Sperrkennlinie. 3.2 Zeichnen Sie die aufgenommenen Kennlinien in ein iagramm. Verkleinern Sie den Maßstab für den Sperrstrom der Ge-iode entsprechend. 3.3 Ermitteln Sie die Schwellspannung 1 und den differentiellen urchlaßwiderstand aus der gezeichneten Kennlinie. Berechnen Sie den differentiellen urchlaßwiderstand mit Hilfe der emperaturspannung, und vergleichen Sie den berechneten mit dem aus der Kennlinie ermittelten Wert. 3.4 Berechnen Sie die theoretische iodenkennlinie für Ge-ioden. Entnehmen Sie dazu RS aus 3.2. Zeichnen Sie die Kennlinie in das iagramm von 3.2! Warum zeigen die beiden Kennlinien (theoretische und experimentelle) einen unterschiedlichen Verlauf? RS 3.5 Zeichnen Sie die unktion ln = f ( 1 / ) eventuell auf halblogarithnisches Papier und RS 0 berechnen Sie den Wert der Energielücke in ev. ieser eil der Auswertung ist am Versuchstag zu machen! 3.6 Wie genau ist die emperaturmessung und der berechnete Wert der Energielücke? ehlerrechnung! 1 Schwellspannung: als Schwellspannung wird die Spannung bezeichnet, bei der der urchlaßstrom auf ein Zehntel des maximal zulässigen urchlaßstroms angestiegen ist. Physikalisches Praktikum 2 VA_GERMneu2.doc

7 H Ravensburg Weingarten 5. ezember 2004 Physiklabor 2 Bestimmung der Energielücke von Germanium (Korrekturblätter) Marc Baumann, Matr Kai-we Berroth, Matr Weingarten, Seite 1/12

8 H Ravensburg Weingarten 5. ezember Auswertung 3.1 Aufnahme der Kennlinien =f( ) ie Kennlinien werden im Bereich von 3 bis +1V aufgenommen. Zuerst wird die Siliziumdiode in urchlassrichtung vermessen. Anschließend eine Germaniumdiode in Sperrrichtung. m olgenden sind die dafür verwendeten Schaltungen dargestellt. er Widerstand R V wird nach der ormel: R V Batt max = = 150Ω max mit ( Ge) = ( Si) 200mA max max = Batt max = 30V bestimmt. ür die urchlassrichtung wurde folgende Schaltung verwendet: 10 MΩ Stromfehlerschaltung ür Messungen in Sperrrichtung wurde folgende Schaltung verwendet: 10 MΩ Spannungsfehlerschaltung Seite 2/12

9 H Ravensburg Weingarten 5. ezember Kennlinie einer Siliziumdiode Es ergaben sich folgende Messwerte: [V] ,2 0,4 0,5 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,9 [ma] ,03 0,32 0,78 3,32 12,61 115,52 Anmerkung: n unserem Messprotokoll wurde ein Sperrstrom von 1µA festgehalten. Verglichen mit den Literaturwerten muss dieser allerdings im na-bereich liegen (Außerhalb des Messbereichs des Messgerätes). Es musste es sich somit um einen Ablesefehler handeln. Stattdessen wurde näherungsweise 0 ma verwendet. Kennlinie der untersuchten Silizumdiode [ma] ,5-3 -2,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 0 [V] -20 Seite 3/12

10 H Ravensburg Weingarten 5. ezember Kennlinie einer Germaniumdiode Es ergaben sich folgende Messwerte: [V] ,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 [ma] -0,001-0,001-0, ,01 0,5 1,7 5,1 12,9 58,7 165,6 Kennlinie der untersuchten Germaniumdiode 180 Kennlinie einer Germaniumdiode [ma] ,5-3 -2,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 0 [V] -20 Seite 4/12

11 H Ravensburg Weingarten 5. ezember emperaturabhängigkeit des Sperrstroms einer Ge-iode Grundeinstellungen: BE = -1 V RS0 = 10,3 µa Messergebnisse beim Aufheizen Messergebnisse beim Abkühlen [ C] 1/ [1/K] RS [ua] RS / RS0 34 0, ,3 1, , ,7 1, , ,3 1, , ,8 1, , ,6 1, , ,6 1, , ,7 2, , ,2 2, , ,8 2, , ,5 2, , ,4 3, , , , ,6 3, , , , , , ,3 5, , ,6 5,68932 [ C] 1/ [1/K] RS [ua] RS/RS0 33 0, ,2 0, , ,2 0, , ,3 1, , ,7 1, , ,8 1, , ,3 1, , ,2 1, , ,2 1, , ,1 1, , ,6 2, , ,7 2, , ,6 2, , ,3 2, , , , ,8 3, , ,5 4, , , , ,7 4,82524 emperaturabhänigkeit des Sperrstroms 10 Aufheizen Abkühlen RS / RS , , , , , / Seite 5/12

12 H Ravensburg Weingarten 5. ezember Berechnung des entstandenen Messfehlers durch die Messgeräte Messfehler bei urchlassrichtung Auf Grund der großen Ströme wird bei dieser Messung die Stromfehlermessung angewendet. Hierdurch erhält man einen kleinen ehler in der Strommessung, ist aber dafür bei der Spannungsmessung genauer. m den Stromfehler ermitteln zu können sind folgende nformationen nötig: R iv max (Si) max (Ge) = 10MΩ = 0,9 V = 0,5 V Hiermit lässt sich der maximale Messfehler berechnen: = A mit A = R + = + iv RiV max = max R iv Setzt man die oben aufgeführten Werte ein, erhält man: max (Si) = 90nA max (Ge) = 50nA Messfehler bei Sperrrichtung m Gegensatz zur urchlassrichtung treten hier sehr kleine Ströme auf, die möglichst exakt gemessen werden sollten. ie Spannungsfehlerschaltung wird hierfür verwendet Hierdurch erhält man einen kleinen ehler in der Spannungsmessung, ist aber dafür bei der Strommessung genauer. m den Stromfehler ermitteln zu können sind folgende nformationen nötig: R ia = 1,67Ω max (Si) = -1 µa max (Ge) = -1 µa Seite 6/12

13 H Ravensburg Weingarten 5. ezember 2004 Hiermit lässt sich der maximale Messfehler berechnen: mit V = R + = RiA + ia = V max = R max ia Setzt man die oben aufgeführten Werte ein, erhält man: max (Si) = 1,67µV max (Ge) = 1,67µV 3.6 Ermittlungen der Schwellspannung und des diff. urchlasswiderstandes r Schwellenspannung aus den atenblättern entnimmt man: ( Ge) = ( Si) ma max max = 200 max = = 20mA 10 Ablesen von aus den iodenkennlinien: (Si) 0,82V (Ge) 0,31V Berechnung des differentiellen urchlasswiderstands r aus den iodenkennlinien: r r 0,1V 97,5mA ( Si) = = = 1, 026Ω 0,1V 105mA ( Ge) = = = 0,952, Ω Seite 7/12

14 H Ravensburg Weingarten 5. ezember 2004 Berechnung des differentiellen urchlasswiderstands bei einer Raumtemperatur von etwa 22.8 C : Aus: d 1 d ergibt sich: k 1, K 295,8K 23 = = mit = = = 25, 5mV 19 r e 1, As r r 25,5mV 20mA ( Si) = = = 1, 27Ω 25,5mV 20mA ( Ge) = = = 1, 27Ω J Seite 8/12

15 H Ravensburg Weingarten 5. ezember heoretische iodenkennlinie für Ge-ioden ie theoretische iodenkennlinie ergibt sich aus folgender ormel: Wertetabelle: = RS e 1 mit RS = 1µ A = 25, 5mV [V] -3,0-2,0-1,0 0,0 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 [ma] -0,001-0,001-0,001 0,0 0,049 0,36 2,5 18, ,5A 328A Kennlinie der untersuchten Germaniumdiode + theoretische 180 Kennlinie einer Germaniumdiode heoretisch [ma] ,5-3 -2,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0, [V] ie theoretische Kennlinie unterscheidet sich deutlich von der gemessenen. Grund hierfür ist, dass jede iode einen kleinen Widerstand in Reihe besitzt. Wird der Strom größer, beeinflusst der Widerstand immer stärker die Kennlinie. ie Steigung wird dann ~ r f. Seite 9/12

16 H Ravensburg Weingarten 5. ezember Bestimmung der Energielücke von Germanium Berechnung der Energielücke: Geradengleichung: W ln RS RS 0 = m k = m x ln = 1 RS RS 0 k mit 1 1 x = 0 m = W k Aus dem ermittelten iagramm lässt sich die Steigung ablesen: (es wurde bei der abkühlenden Messkurve der Start- und Endwert benutzt) RS Hierfür ergibt sich für: = 4, 029 RS 0 1 = 0, K W = 1, J 19 1,07 10 J W = = 0, 67eV e Verglichen mit dem Literaturwert von W =0,67eV trifft unser ermittelter Wert exakt die Angabe. Es muss allerdings auch erwähnt werden, dass unterschiedliche Wertepaare zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen führen. ür ein weiteres Wertepaar ergab sich zum Beispiel eine Energielücke von W = 0,72eV. m nächsten Abschnitt wird dies in der ehlerrechnung deutlich gemacht. Seite 10/12

17 H Ravensburg Weingarten 5. ezember ehlerrechnung Aus W = m k = ln 1 0 RS RS 0 1 k folgt unter der Berücksichtigung der emperaturfehler von: emperaturmessfehler: Maximaler ehler: Mess = 1 w = k ln K 2 ( 0 ) ( ) RS 2 RS 0 0 W = 9, J 21 9, J W = = ± 57meV e Hieraus ergibt sich für die Energielücke in Germanium mit dem Laboraufbau: W = ( 0,67 ± 0,057)eV Seite 11/12

18 H Ravensburg Weingarten 5. ezember iskussion: Mit dem Versuchsaufbau konnte erstaunlich gut die Energielücke von Germanium bestimmt werden. as Messergebnis fiel bedeutend besser aus als erwartet. Es muss gesagt werden, dass für andere Wertepaare das Ergebnis etwas variiert, allerdings noch gut durch die ehlerrechnung abgedeckt werden. er größte ehler wird bei der emperaturmessung der Germaniumdiode gemacht. ie Wertetabelle von 3.4 lässt die starke emperaturabhängigkeit des Sättigungssperrstrom erkennen. Aus diesem Grund wurde die ehlerrechnung auch nur für die emperatur vorgenommen. er emperaturfehler wurde mit ±1K angenommen, was auf den ersten Blick etwas hoch erscheint. n der Versuchsdurchführung wurde die Heizleistung etwas zu hoch eingestellt. Ein kleinerer Strom durch die Heizwiderstände wäre sinnvoller gewesen, da somit die emperatur noch langsamer angestiegen wäre. ie Versuchsanordnung der Heizung enthält darüber hinaus thermische Kapazitäten und emperaturgefälle. iese wurden durch den Aufbau versucht möglichst klein zu halten (Wärmeleitpaste, Becherglas,..). deal wäre, für jede emperatur eine kleine Pause von wenigen Minuten zu machen, um eine möglichst konstante emperatur im ransistor zu erreichen. (Bei Bosch betrugen die Wartezeiten für emperaturabhängige Messungen 10 min bevor Messungen an den rucksensoren vorgenommen wurden) ie Messung für den Sperrsättigungsstrom beginnt bei einer emperatur von 33 C, da zuvor mit der Heizleistung experimentiert wurde und somit der Heizblock vorgewärmt wurde. ennoch ist das Ergebnis unserer Meinung nach sehr gut. Seite 12/12