Auswertung. C16: elektrische Leitung in Halbleitern

Ähnliche Dokumente
Physik 4 Praktikum Auswertung Hall-Effekt

Praktikum - Hall Effekt Prof. A. Förster, Dipl. Ing. C. Grates

Auswertung. D07: Photoeffekt

Versuch 1.3 Hall-Effekt

Hall Effekt und Bandstruktur

1.17eV exp eV exp Halbleiter

Versuch 28: Hall-Effekt

Fortgeschrittenen - Praktikum. Hall - Eekt

32. n oder p? (Ü) Sie müssen die Dotierung in einem unbekannten Halbleiterplättchen bestimmen.

Protokoll zum Versuch Elektrische Leitfähigkeit und HALL-Effekt (HA) im Fortgeschrittenenpraktikum

0 Theorie Einleitung Mechanismen der Ladungsträgerleitung im Halbleiter... 1

Praktikum Lasertechnik, Protokoll Versuch Halbleiter

Der Hall-Effekt. Abbildung 1: potentielle Energie eines Leitungselektrons im Feld der Atomkerne [1].

INSTITUT FÜR ANGEWANDTE PHYSIK Physikalisches Praktikum für Studierende der Ingenieurswissenschaften Universität Hamburg, Jungiusstraße 11

Physikalisches Grundlagenpraktikum Versuch Hall-Effekt

Hall-Eekt von Germanium

Der Versuchsaufbau. Bandstruktur bei Halbleitern

Hausaufgaben zum Praktikum Halbleiterbauelemente der Hochleistungselektronik

F02. Bandabstand von Germanium

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 6

Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position!

Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld, Halleffekt

E 2 Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände

Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Laborpraktikum Elektronische Bauelemente Prof. M. Hoffmann

5. Kennlinien elektrischer Leiter

E13 PhysikalischesGrundpraktikum

Ladungsträgertransport in Volumensmaterial

Aktivierungsenergie und TK R -Wert von Halbleiterwerkstoffen

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente. Prof. Dr.-Ing. H. Ryssel. vhb-kurs Halbleiterbauelemente

Gleichstromkreis. 2.2 Messgeräte für Spannung, Stromstärke und Widerstand. Siehe Abschnitt 2.4 beim Versuch E 1 Kennlinien elektronischer Bauelemente

Freie Elektronen bilden ein Elektronengas. Feste positive Aluminiumionen. Abb. 1.1: Metallbindung: Feste Atomrümpfe und freie Valenzelektronen

Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik Laborpraktikum Elektronische Bauelemente Prof. M. Hoffmann

Auswertung. D10: Radioaktivität

Lage des Ferminiveaus beim intrinsischen HL

Physik 4 Praktikum Auswertung PVM

Halleekt. Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene - Versuch 26. Name / Messpartner Paul Rotter / Christian Lück, Adrien Pfeuer.

Spezifischer Widerstand fester Körper. Leiter Halbleiter Isolatoren. Kupferoxid

V 401 : Induktion. Gruppe : Versuchstag: Namen, Matrikel Nr.: Vorgelegt: Hochschule Düsseldorf. Fachbereich EI Testat : Physikalisches Praktikum

Der Hall-Effekt. Bestimmung des Hall-Koeffizienten und der Dotierung mit Hilfe einer n- und einer p-dotierten Germanium-Hallsonde im Bruker- Magneten

Elektrizitätsleitung in Halbleitern

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 5

Labor Elektrotechnik. Versuch: Temperatur - Effekte

Stromdichten in Halbleitermaterialien

Physik GK ph1, 2. Kursarbeit Elektromagnetismus Lösung =10V ein Strom von =2mA. Berechne R 0.

UniversitätQ Osnabrück Fachbereich Physik Dr. W. Bodenberger

Versuch 15 Dia- und Paramagnetismus

Hall-Effekt und Magnetfeldmessung

6.2.6 Ohmsches Gesetz ******

Beispielklausur 3 - Halbleiterbauelemente. Aufgabe 1: Halbleiterphysik I Punkte

Halleekt. Versuch: P Vorbereitung - Inhaltsverzeichnis. Physikalisches Anfängerpraktikum 1 Wintersemester 2005/06 Julian Merkert ( )

Aktivierungsenergie und TK R -Wert von Halbleiterwerkstoffen

Dotierung und Sättigungssperrströme an pn Übergängen

Physikalisches Anfängerpraktikum Teil 1 Versuch 1 73: Stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld, Halleffekt Protokoll

Praktikumsprotokoll. Versuch Nr. 311 Hall-Effekt und Elektrizitätsleitung bei Metallen. Frank Hommes und Kilian Klug

Versuch 2: Kennlinienaufnahme einer pn-diode in Abhängigkeit der Temperatur

Diplomvorprüfung WS 2010/11 Fach: Elektronik, Dauer: 90 Minuten

VP 2 - Versuch: Eigenleitung und Hall-Effekt von Germanium. Therese Challand

PR AKTI KUM FÜR FORTGESCHRI TTEN E. Leitfähigkeit und Hall-Effekt

Grundlagen-Vertiefung PW10. Ladungstransport und Leitfähigkeit Version

Verwandte Begriffe Maxwell-Gleichungen, elektrisches Wirbelfeld, Magnetfeld von Spulen, magnetischer Fluss, induzierte Spannung.

F03. Halbleiterparameter

Eigenleitung von Germanium

12. Vorlesung. Logix Schaltungsanalyse Elektrische Schaltelemente Logikschaltungen Diode Transistor Multiplexer Aufbau Schaltungsrealisierung

Praktikumsbericht. Gruppe 6: Daniela Poppinga, Jan Christoph Bernack. Betreuerin: Natalia Podlaszewski 11. November 2008

1. Neutronen zur Untersuchung von Festkoerpern

Hall-Effekt und seine Anwendung zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften

4.2 Halbleiter-Dioden und -Solarzellen

LK Lorentzkraft. Inhaltsverzeichnis. Moritz Stoll, Marcel Schmittfull (Gruppe 2) 25. April Einführung 2

Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen und Halbleitern

Photoeffekt: Bestimmung von h/e

Versuch: Kennlinien von Widerständen und Halbleiterphysik

Elektrizitätslehre. Stromkreise. Stoffe. Elektrischer Strom

Grundlagen zum Versuch Aufbau einer Messkette für den Nachweis kleinster Ladungsmengen

IIE6. Modul Elektrizitätslehre II. Hall-Effekt

Klausur 12/1 Physik LK Elsenbruch Di (4h) Thema: elektrische und magnetische Felder Hilfsmittel: Taschenrechner, Formelsammlung

Auswertung. A07: Maxwellsches Rad

Universität des Saarlandes Lehrstuhl für Elektronik und Schaltungstechnik Elektronik I, WS 09/10 Übung 15

Klausur 12/1 Physik LK Elsenbruch Di (4h) Thema: elektrische und magnetische Felder Hilfsmittel: Taschenrechner, Formelsammlung

Ladungsträgerdichte im Halbleiter, thermisches Gleichgewicht

Protokoll zum Versuch Nichtlineare passive Zweipole

11. Elektronen im Festkörper

Elektromagnetische Feldtheorie 1

11. Elektronen im Festkörper

Protokoll Grundpraktikum I: T6 Thermoelement und newtonsches Abkühlungsgesetz

zugelassene Hilfsmittel : Taschenrechner, 40 Seiten eigene Formelsammlung, 10 Seiten sonstige Formelsammlung

Versuch E2a Kennlinien von Widerständen

Versuch Q1. Äußerer Photoeffekt. Sommersemester Daniel Scholz

Physik Stand: September Seite 1 von 5

Moderne Physik: Elemente der Festkörperphysik Wintersemester 2010/11 Übungsblatt 5 für den

Elektronische Bauelemente

Induktion. Bewegte Leiter

Zusammenfassung v08 vom 16. Mai 2013

Halbleiter, Dioden. wyrs, Halbleiter, 1

Wir wünschen Ihnen bei der Bearbeitung viel Erfolg!

Technische Grundlagen der Informatik

Physikalisches Grundpraktikum für Physiker/innen Teil I Hall-Effekt

Transkript:

Auswertung zum Versuch C16: elektrische Leitung in Halbleitern Alexander FufaeV Partner: Jule Heier Gruppe 434

Einleitung In diesem Versuch sollen wir die elektrische Leitung in Halbleitern untersuchen. Dazu führen wir Messungen der Leitfähigkeit an dotiertem und undotiertem Germanium durch. Dabei schauen wir uns insbesondere die Temperaturabhängigkeit an. Mithilfe dieser Messungen können wir unter anderem die Bandlücke in Germanium bestimmen. Im zweiten Versuchsteil geht es um den Hall-Effekt im Halbleiter. Dort sollen wir herausfinden, wie die Hall-Spannung von Magnetfeld, Probenstrom und Temperatur abhängt. Aufgaben Aufgabe 1 Besetzungswahrscheinlichkeit für Germanium ( ) für: Temperatur : Temperatur Temperatur Schlussfolgerung Mit steigender Besetzungswahrscheinlichkeit steigt auch die Leitfähigkeit, denn die Leitfähigkeit ist von der Besetzungswahrscheinlichkeit folgendermaßen abhängig: Auch die intrinsische Laungsträgerkonzentration steigt: Aufgabe 2 Für die elektrische Leitfähigkeit eines undotierten Halbleiters gilt: Um die Beweglichkeit der Elektronen und die Beweglichkeit der Löcher zu bestimmen, benutzen wir die obige Gleichung mit den Gleichgewichtswerten und. Da die Elektronen mit beweglicher sind als die Löcher, folgt für die Beweglichkeit der Löcher: 2

Und für die Beweglichkeit der Elektronen: Aufgabe 3 Die Ladungsträgerdichte ist bei einem metallischen Leiter weitgehend unabhängig von der Temperatur, da Metalle keine Bandlücke aufweisen ( ).Damit fällt der Exponentialterm (Besetzungswahrscheinlichkeit), in dem die Temperatur steckt, weg. Aufgabe 4 Für n-halbleiter: Neutralitätsbedingung für einen n-halbleiter ist: Das Massenwirkungsgesetz ist: Setze in die Neutralitätsbedingung ein: Die quadratische Gleichung kann mit p-q-formel gelöst werden: Setze nun auch in die Neutralitätsbedingung ein: Löse auch diese quadratische Gleichung: 3

Für p-halbleiter: Neutralitätsbedingung: Setze in die Neutralitätsbedingung ein: Also ist die Lösung: Setze in die Neutralitätsbedingung ein: Die Lösung: Insgesamt: Da es keine negative Ladungsträgerkonzentration geben kann, sind nur positive Wurzelterme zu berücksichtigen. Insgesamt gibt es also nur folgende vier Lösungen: und Aufgabe 5 Die Stromstärke ist Die Driftgeschwindigkeit ist (mit eingesetztem ): Setze in die Gleichgewichtsbedingung ein: Mit folgt für 4

Allgemein ist die Ladungsträgerdichte. Eingesetzt in Im Fall der Elektronen ist die Ladungsträgerdichte und : Im Fall der Löcher ist die Ladungsträgerdichte und : [M1] Der Bandabstand in Germanium Um die Bandlücke in Germanium zu bestimmen, führen wir zunächst Messungen am undotierten Halbleiter durch. Indem wir den Spannungsabfall am Germanium-Kristall messen, können wir mithilfe der Formel und den Kristallmaßen c = 20 mm, b = 10 mm und d = 1 mm aus und die Leitfähigkeit bestimmen. Wenn wir außerdem annehmen, dass die Leitfähigkeit im intrinsischen Halbleiter dem Gesetz folgt, dann können wir aus der Temperaturabhängigkeit von die Bandlücke des verwendeten Halbleiters bestimmen. Wir nehmen also nun Messreihen vom Spannungsabfall bei verschiedenen Temperaturen für verschiedene Stromstärken auf. Messung für : T in C U in mv u(u) in mv in A/Vm u( ) in A/Vm 50 571 57,1 7,0 0,8 60 433 43,3 9,2 1,0 70 296 29,6 13,5 1,5 80 203 20,3 19,7 2,2 90 147 14,7 27,2 3,0 100 109 10,9 36,7 4,1 110 77 7,7 51,9 5,8 120 58 5,8 69,0 7,7 130 43 4,3 93,0 10,4 140 33 3,3 121,2 13,6 5

150 25 2,5 160,0 17,9 160 19 1,9 210,5 23,5 170 15 1,5 266,7 29,8 Tabelle 1: Messung des Spannungsabfalls bei undotiertem Germanium bei I = 2 ma Messung für : T in C U in mv u(u) in mv in A/Vm u( ) in A/Vm 50 884 88,4 6,8 0,7 60 508 50,8 11,8 1,2 70 415 41,5 14,5 1,5 80 288 28,8 20,8 2,2 90 204 20,4 29,4 3,1 100 149 14,9 40,3 4,2 110 108 10,8 55,6 5,9 120 80 8,0 75,0 7,9 130 60 6,0 100,0 10,5 140 46 4,6 130,4 13,7 150 35 3,5 171,4 18,1 160 29 2,9 206,9 21,8 170 23 2,3 260,9 27,5 Tabelle 2: : Messung des Spannungsabfalls bei undotiertem Germanium bei I = 3 ma Die Unsicherheit in ergibt sich nach Gaußscher Fehlerfortpflanzung mit. Die obigen Messungen sind in Abb. 1 graphisch dargestellt und mit der genannten Formel für gefittet. Abbildung 1: Verlauf der Leitfähigkeit in undotiertem Germanium in Abhängigkeit von der Temperatur 6

Aus dem Fit ergeben sich zwei Werte für die Bandlücke: Der Mittelwert beider Messwerte liefert: [M2] Intrinsiche und extrinsische Leitfähigkeit Dieselbe Messung wie in M1 haben wir nun auch noch einmal für n-dotiertes und p-dotiertes Germanium durchgeführt, um dann die Ergebnisse mit dem undotierten Halbleiter zu vergleichen. Messung für p-dotiertes Germanium: T in C U in V in A/Vm u( ) in A/Vm 50 1,244 32,2 0,3 60 1,296 30,9 0,3 70 1,323 30,2 0,3 80 1,283 31,2 0,3 90 1,165 34,3 0,3 100 0,996 40,2 0,5 110 0,776 51,5 0,7 120 0,627 63,8 1,1 130 0,455 87,9 2,0 140 0,354 113,0 3,2 150 0,273 146,5 5,4 160 0,206 194,2 9,5 170 0,162 246,9 15,3 Tabelle 3: Messung des Spannungsabfalls bei p-dotiertem Germanium Messung für n-dotiertes Germanium: T in C U in V in A/Vm u( ) in A/Vm 50 0,841 47,6 0,6 60 0,865 46,2 0,6 70 0,870 46,0 0,6 80 0,839 47,7 0,6 90 0,767 52,2 0,7 100 0,660 60,6 1,0 110 0,552 72,5 1,4 120 0,446 89,7 2,1 130 0,353 113,3 3,3 140 0,281 142,3 5,1 150 0,221 181,0 8,2 160 0,179 223,5 12,5 170 0,148 270,3 18,3 Tabelle 4: : Messung des Spannungsabfalls bei n-dotiertem Germanium 7

Die Messergebisse sind in Abb. 2 graphisch dargestellt. Abbildung 2: Verlauf der Leitfähigkeit in p- und n-dotiertem Germanium in Abhängigkeit von der Temperatur Dieser Verlauf der Leitfähigkeit beim dotierten Halbleiter unterscheidet sich von dem Verlauf beim undotierten Halbleiter. Zunächst ändert sich die Leitfähigkeit beim dotierten Germanium gar nicht mit steigender Temperatur. Erst ab einer Temperatur von ca. 360 K ( 90 C) ähnelt der Verlauf wieder dem beim undotierten Germanium. Dieser Unterschied kommt durch den Einfluss der eingebrachten Dotieratome zustande. Im betrachteten Temperaturbereich sind so gut wie alle Dotieratome aktiviert, das heißt sie haben ihr zusätzliches Elektron (n-dotiert) bzw. ihr zusätzliches Loch (p-dotiert) abgegeben, sodass es nun als freier Ladungsträger zum Stromtransport zur Verfügung steht. Diese zusätzlichen Ladungsträger sind zunächst viel mehr als die, die durch thermische Anregung entstehen. Daher dominieren sie zunächst die Leitfähigkeit gegenüber der Eigenleitung. Ab einer gewissen Temperatur entstehen jedoch unabhängig von der Dotierung durch thermische Anregung so viele Elektron-Loch-Paare im Halbleiter, dass die dadurch entstandenen freien Ladungsträger einen merkbar größeren Anteil am Stromtransport haben, als die Ladungsträger aus den Dotieratomen. Dieser Prozess dominiert nun den Verlauf der Leitfähigkeit. So kommt der Verlauf in Abb. 2 zustande. [M3] Der Hall-Effekt Als letztes haben wir Messungen zum Hall-Effekt an p-dotiertem Germanium durchgeführt. Vorbemerkung: Wir haben bei der Messung der Hallspannung nicht immer richtig genullt, daher sind die Messwerte unterschiedlich stark Nullpunkt-verschoben. 1) Einfluss des Probenstroms I in ma in mv 0,14 0 8

2,97 0,2 6,1 0,4 8,95 0,5 11,63 0,6 15,2 0,8 17,9 0,9 21,09 1,1 25,46 1,3 27,38 1,4 29,13 1,5 Tabelle 5:Messung der Hallspannung bei Veränderung des Probenstroms In Abb. 3 sind unsere Messergebnisse graphisch dargestellt. Abbildung 3: Abhängigkeit der Hallspannung vom Probenstrom Man kann erkennen, dass die Hallspannung linear vom Probenstrom abhängt. 2) Einfluss des Magnetfelds B in mt U H in mv u(b) in mt 240 33,6 1 217 30,7 1 199 28,3 1 180 25,7 1 159 22,9 1 140 20,2 1 9

120 17,3 1 100 14,4 1 81,7 11,8 0,1 62 8,8 0,1 41,9 5,8 0,1 20,2 2,6 0,1 3,4 0,1 0,1 Tabelle 6: Messung der Hallspannung bei Veränderung der magn. Flussdichte Unsere Messergebnisse sind in Abb. 4 graphisch dargestellt. Abbildung 4: Abhängigkeit der Hallspannung von der magnetischen Flussdichte Man kann erkennen, dass die Hallspannung proportional von der magnetischen Flussdichte abhängt. 3) Einfluss der Temperatur U H in mv T in C -27,6 30,3-27,1 43,9-25,6 58,5-23,9 65,9-20,7 76,2-14,3 87,3-8 98,7-4,7 106,8-2,8 114,2 10

-1,1 125,2-0,5 133,7-0,1 145,2 0 153,3 0,1 165 0,3 171,5 Tabelle 7: Messung der Hallspannung bei Veränderung der Temperatur In Abb. 5 sind unsere Messergebnisse graphisch dargestellt. Abbildung 5:Abhängigkeit der Hallspannung von der Temperatur 11