Методика измерения и экспериментальная установка

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 24

На горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение, пропорциональное входному , а на вертикально отклоняющие – напряжение , равное напряжению на эталонной емкости Сэ. Т. к. Сх и Сэ соединены последовательно, то заряды на обкладках этих конденсаторов одинаковы , т .е. .

Воспользовавшись формулой емкости для плоского конденсатора , находим

где – толщина сегнетоэлектрика, – электрическая постоянная.

В приведенной формуле учтено, что , поэтому

Электрическое смещение, поляризация и напряженность поля связаны известными соотношениями

E , E , E .

Если учесть, что вектор поляризации численно равен поверхностной плотности связанных зарядов диэлектрика, нетрудно убедиться в том, что , и пропорциональны , а следовательно, – . Т.к. отклонение по вертикали пропорционально , то это отклонение пропорционально , или в определенных масштабах . Это позволяет получать на экране петли гистерезиса

(E), (E), (E).

Схема экспериментальной установки для получения петли гистерезиса представлена на рис. 7.

Напряжение, подаваемое на исследуемый сегнетоэлектрик (С_х), контролируется вольтметром . Потенциометром можно растянуть петлю по оси .

Рис. 7. Схема экспериментальной установки

Изменяя величину емкости Сэ, можно регулировать величину петли по оси . Вся установка собрана в отдельном ящике, где имеются выводы X,Y, “земля” для подключения трубки осциллографа, выводы V для подключения вольтметра и, наконец, выводы “С_х” для подключения измеряемого образца.

Задание

Градуировка вертикальной оси осциллографа

Для градуировки осциллографа на вертикальные оси осциллографа подключают вольметр и регулируемое напряжение от латра. Снимают зависимость величины отклонения электронного луча по оси “Y” при разных значениях напряжения. По полученным данным строит график, из которого находят чувствительность, т.е. величину напряжения на 1 мм отклонения луча по вертикали. При этом необходимо учесть, что вольтметр показывает эффективное напряжение, а осциллограф – двойное амплитудное напряжение.

2 . Получение семейств петель гистерезиса

Подключают образец к соответствующим зажимам С_х установки. Плавно уменьшая напряжение от максимального, через каждые 50 В, получают серию петель гистерезиса. Для каждой петли определяют индуцированную и спонтанную поляризации. Для этого переключатель переводят в положение 1 (на панели обозначено ) и получают вертикальную прямую. Центр прямой совмещают с нулевым отсчетом делений шкалы осциллографа.

Отклонение по оси будет соответствовать полной поляризации (Y=ОА). Затем переключатель 2 переводят в нулевое положение и, прикладывая бумагу касательно к петле гистерезиса, находят отрезок АВ, соответствующий индуцированной поляризации . Спонтанная поляризация будет соответствовать отрезку . По данным составляют табл.:

№	U	Y=AO	Y_и=AB	Y_сп=ОВ	С_х		Р_инд	Р_сп	Р
1

Емкость и относительную диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрик находят по формулам:

где , – чувствительность вертикально отклоняющих пластин, , =1 мм – толщина, = 4,2 мм – радиус образца. Полная поляризация вычисляется по формуле:

Индуцированная –

Спонтанная –

3. Определение температурного хода поляризации

При напряжении =400-500 изучают температурный ход , , и находят коэрцитивную силу.

Для этого включается нагреватель, и медленно проводят нагревание. Через каждые 15-20 градусов находят по петле , , . Как и в пункте 2, вычисляют , , . Коэрцитивную силу находят по отрезку ОС (для каждой температуры):

По полученным данным строят графики: , , , , , .

Контрольные вопросы

1. Что такое сегнетоэлектрики?

2. Объясните причину возникновения спонтанной поляризации.

3. Какова электрическая структура сегнетоэлектриков?

4. Почему монодоменная структура сегнетоэлектрика не выгодна с энергетической точки зрения?

5. Чем определяется размер домена?

6. Как зависит спонтанная поляризация и диэлектрическая восприимчивость сегнетоэлектрика от температуры?

7. Объясните кратко идею феноменологической теории сегнетоэлектричества.

8. Почему в сегнетоэлектриках возникает петля гистерезиса?

9. Начертите простейшую схему для наблюдения петли гистерезиса на экране осциллографа и объясните ее.

10. Что такое коэрцитивная сила и как она зависит от температуры?

11. Объясните полученные экспериментальные зависимости , , от напряжения и температуры.

Приложения

I. Физические константы

Заряд электрона е = 4,8 ^.10^-10 ед. CGSE = 1,662 10^-19 Кл

Масса свободного электрона m₀= 9,11 10 ^-28 г

Скорость света в вакууме с = 2,998 10 ^-10 см/с

Боровский радиус а₀= 5,29 0^{-9 см}

Постоянная Планка h = 6,62 10^-34 Дж^.с = 4,5 10^-16 эВ^.с

Постоянная Дирака = h /2 = 1,054 0 ^-34 Дж^.с = 7,1 10^-16 эВ^.с

Постоянная Больцмана k = 1,380 10 ^-23 Дж/К = 8,62 10 ^-5 эВ/К

Тепловая энергия kT

25,9 мэВ при комнатной температуре

6,7 мэВ при температуре жидкого азота

0,36 мэВ при температуре жидкого гелия

Энергия, соответствующая 1 эВ, 1 эВ = 1,602 10^-19 Дж

Длина волны в вакууме излучения с энергией фотона 1 эВ, ₀ = 1,239 10^-4см

Волновое число, соответствующее 1 эВ, ₀ = 8,06 10⁴ см^-1

2.Свойства Ge, Si и GaAs (при 300 К)

Свойства	Ge	Si	GaAs
Количество атомов в 1	4,42 ^.	5,0 ^.	2,21^.
Атомная масса	72,6	28,08	144,63
Поле пробоя, В/см	~	~ 3^.	~ 4^.
Кристаллическая структура	Алмаза	Алмаза	Цинковой обманки
Плотность, г/	5,3267	2,328	5,32
Относительная диэлектрическая проницаемость	16	11,8	10,9
Эффективная плотность состояний в зоне проводимости ,	1,04^.	2,8^.	4,7^.
Эффективная плотность состояний в валентной зоне ,	6,1^.	1,02^.	7,0^.
Эффективные массы т^*/т₀: электронов дырок	1,59 0,082 0,04 0,30	0,92 0,19 0,16 0,50	0,068 0,068 0,12 0,45
Сродство к электрону, эВ	4,0	4,05	4,07
Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ	0,66	1,11	1,43
Собственная концентрация,	2,5^.	1,6^.	1,1^.
Постоянная решетки, нм	0,565748	0,543086	0,56534
Температурный коэффициент линейного расширения L/L T, 1/	5,8^.	2,6^.	5,9^.
Точка плавления,	937	1420	1288
Время жизни неосновных носителей, с		2,5^.
Подвижность дрейфовая, /(В^.с): электронов дырок	3900 1900	1500 600	00 400
Работа выхода, эВ	4,4	4,8	4,74,7 4,7

3. Свойства SiO₂ и Si₃N₄при температуре 300 К

Свойства	SiO₂	Si₃N₄
Структура	(аморфный)	(аморфный)
Температура плавления, ⁰С	~1600	–
Плотность, г ^.см ^-3	2,2	3,1
Показатель преломления	1,46	2,05
Диэлектрическая постоянная	3,9	7,5
Электрическая прочность, В^.см	10⁷	10⁷
Линия ИК-поглощения, мкм	9,3	11,5-12,0
Ширина запрещенной зоны, эВ	9,0	~5,0
Коэффициент теплового расширения, ⁰С^-1	5^.10^-7	–
Коэффициент теплопроводности, Вт^.см^-1 К^-1	0,014	–
Удельное сопротивление по постоянному току
при 25 °С, Ом^.см	10¹⁴-10¹⁶	10¹⁴
при 500 °С, Ом^.см	–	2^.10¹³
Скорость травления в буферном HF¹),	1000	5-10

1) Буферный HF: 34,6 % NH4F, 6,8 % HF, 58,0 % Н₂О.

Литература

1. Шалимова К.В. Физика полупроводников. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 392 с.

2. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам
/ Под ред. К.В. Шалимовой М.: Высш. шк., 1968. – 464 с.

3. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов: Учеб. для вуз. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1987. – 239 с.

4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высш. шк., 1987г. – 479 с.

5. Физика твердого тела. Спецпрактикум / Под ред. Б.А. Струкова. – МГУ, 1983. – С. 62-79.

6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. – М.: Мир, 1984. – 456 с.

7. Основы эллипсометрии. Ржанов А.В. – Новосибирск: Наука, 1979.

8. Эллипсометрия и поляризованный свет. Аззам Р., Башара Н. – М.: Мир, 1982.

9. Калмыков Ш. А. Оптика тонкопленочных систем: Конспект лекций. – Нальчик: КБГУ, 1997.

10. Калмыков Ш. А. Эллипсометрия эффективный метод исследования тонкопленочных систем: Метод. пособие. – Нальчик: КБГУ, 1996.

11. Калмыков Ш. А. Изучение отражающих систем методом моделирования на ЭВМ. – Нальчик: КБГУ, 1996.

12. Струков Б.А. Сегнетоэлектричество. – 1979.

13. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. – М.: Энерго издат., 1982. – 320 с.

14. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. – М.: Высш. шк., 1977. – 448 с.

Cодержание

Лабораторная работа № 1. Определение типа, концентрации и подвижности носителе заряда в полупроводниках………………………..
Лабораторная работа № 2. Определение ширины запрещенной зоны полупроводников ……………………………………………………………
Лабораторная работа № 3. Изучение термоэлектрических явлений в полупроводниках……………………………………………………
Лабораторная работа № 4. Измерение оптических параметров полупроводников и диэлектриков………………………………………….
Лабораторная работа № 5. Изучение поглощения света в полупроводниках…..………………………………………………………..
Лабораторная работа № 6. Изучение фотопроводимости полупроводников…..………………………………………………………..
Лабораторная работа № 7. Измерение диффузионной длины и времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках.....................
Лабораторная работа № 8. Определение времени жизни неосновных носителей заряда методом модуляции проводимости…………………….
Лабораторная работа № 9. Измерение скорости поверхностной рекомбинации полупроводников…………………………………………...
Лабораторная работа № 10. Определение контактной разности потенциалов между полупроводником и металлом……………………….
Лабораторная работа № 11. Определение КРП методом динамического конденсатора……………………………………………................................
Лабораторная работа № 12. Изучение свойств электронно-дырочных переходов……………………………………………………………………..
Лабораторная работа №13. Изучение туннельного эффекта в полупроводниках…………………………………………………………….
Лабораторная работа № 14. Измерение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь………………...
Лабораторная работа № 15. Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков…………………………………………………………..
Приложения …………………………………………………………………
I. Физические константы……………………………….…………………...
2.Свойства Ge, Si и GaAs (при 300 К) …………………………………….
3. Свойства SiO₂ и Si₃N₄при температуре 300 К………………………….
Литература …………………………………………………………………..

УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ

Калмыков Шагирби Адальбиевич

Каров Борис Галимович

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 333; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 19 20 21 22 2324

Мы поможем в написании ваших работ!