Установка для определения ширины запрещенной зоны полупроводника по температурной зависимости обратного тока диодов

Полезная модель относится к измерительной технике и учебно-научному лабораторному оборудованию в области измерения и контроля электрофизических параметров полупроводниковых материалов различного состава и изучения квантово-механических физических процессов, лежащих в термогенерации электронно-дырочных пар в примесных полупроводниках диодов. Установка может быть использована для проведения учебно-научных лабораторных работ.
Известно устройство измерения ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов (см. SU №911249, МПК G01N 21/17, опубл. 07.03.1982), содержащее последовательно установленные источник излучения, оптическую систему, сканирующий монохроматор и два кристаллодержателя с полупрозрачным зеркалом и регистратором, работающим через временные интервалы. Устройство может быть использовано для параметрической сортировки полупроводникового материала в промышленности.
Известен способ определения ширины запрещенной зоны и положения локальных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника (см. SU №1086999, МПК H01L 21/66, опубл. 30.01.1985), включающий измерение зависимости фототока от длины волны с предварительным возбуждением в области примесного и собственного поглощений. Способ может быть использован для определения природы примесей и дефектов полупроводниковых материалов.
Недостатком известных решений является трудоемкость выполнения и дороговизна изготовления устройства, вследствие его сложных по конструкции, дорогостоящих компонентов. Это связано с тем, что для данного устройства для простых научно-образовательных целей применяется менее инерционный оптический способ генерации электронно-дырочных пар, а также требует тонкой настройки и подготовки высококвалифицированных специалистов для его применения.
Известна лабораторная установка ФКЛ-10 (см. Методическое руководство по выполнению лабораторной работы «Изучение зависимости сопротивления полупроводника от температуры. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника», НПО учебной техники «ТулаНаучПрибор»). Установка содержит термостат, представляющий собой узкую длинную электропечь, куда помещены полупроводниковые резисторы из Si, Ge и Se. Температура в электропечи измеряется цифровым термодатчиком, также введенным в полость электропечи. Сигнал с термодатчика подается через встроенное АЦП на измерительный прибор ИП. Сопротивление резисторов измеряется с помощью комбинированного цифрового измерительного прибора. Все измеренные и контролируемые параметры (мощность нагрева Р, температура в электропечи, сопротивление образца R) выводятся на LCD дисплей.
К недостаткам можно отнести наличие внешних измерительного прибора ИП и ЖКД дисплея, поскольку лишает установку полной автономности и делает его зависимым от наличия или отсутствия этого внешнего прибора.
В лабораторном практикуме «Физика твердого тела, атома и атомного ядра» (см. А.С. Яскин, И.Г. Махро, Е.Т. Агеева, Д.И. Левит. Лабораторный практикум «Физика твердого тела, атома и атомного ядра». Братск, 2008 г.) описана учебная лабораторная установка для измерения ширины запрещенной зоны полупроводника, которая содержит нагревательный элемент в виде электроплитки с регулятором мощности, воздушный термостат, в котором находится исследуемый диод, термометр, блок питания и цифровой вольтметр.
Недостатками указанной лабораторной установки являются большое энергопотребление вследствие низкой эффективности конструкции для равномерного нагрева всех деталей с использованием обычного жидкостного термометра, большой термоинертностью и небольшим диапазоном изменения температуры (до 60 0С).
В руководстве к лабораторной работе №11 «Определение ширины запрещенной зоны полупроводника» (см. Руководство к лабораторной работе №11 «Определение ширины запрещенной зоны полупроводника». ЯГПУ им. К.Д. Ушинского. Ярославль, 2007 г.) описана учебная лабораторная установка, в которой исследуемый образец в специальном зажиме помещается в сушильный шкаф. Ток к образцу подается от источника Б5-50. Для измерения тока и напряжения используются внешние приборы: потенциометр постоянного тока Р-307 и микроамперметр М2020.
Недостаток известного устройства заключается в громоздкости, обусловленной, главным образом, установкой и использованием внешних приборов.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является лабораторная установка, описанная в руководстве к лабораторной работе (см. В.А. Мухачев, М.В. Федоров, Руководство к лабораторной работе «Определение ширины запрещенной зоны полупроводника по температурной зависимости обратного тока диода». ТУСУР, Томск, 2009 г.), которая включает в себя воздушный термостат, представляющий собой металлическую полость, и расположенные в нем: исследуемый диод, электронагреватель и термопару. При этом э.д.с. термопары измеряется цифровым прибором, а ток диода - стрелочным микроамперметром.
Недостатками этого известного устройства являются громоздкость конструкции, высокое энергопотребление и недостаточная, низкая эргономичность, а именно, приведения теплового контакта за счет того, что для функционирования устройства необходимо изготовить металлическую коробку полости отдельно с электронагревателем.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, выражается в обеспечении эргономических показателей при работе с установкой, а именно, в создании простого и надежного устройства лабораторной установки для изучения явления термогенерации электронно-дырочных пар.
Для решения поставленной задачи установка для измерения ширины запрещенной зоны полупроводника по температурной зависимости обратного тока диодов, содержащий нагревательный элемент, воздушный термостат, в котором находятся исследуемые германиевый и кремниевый диоды, и измеритель температуры. Отличительной особенностью является то, что нагревательный элемент в виде цилиндрической трубчатой структуры, внутренняя полость которого одновременно является воздушным термостатом, а в качестве измерителя температуры используется интегральный датчик температуры. Основная часть прибора конструктивно представляют собой единое целое в виде керамического трубчатого сопротивления типа ПЭВ, изолированной от окружающей среды термоизолирующей оболочкой, в полости которого содержатся, приведенные в тепловой контакт, исследуемые диоды и интегральный датчик температуры.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в создании компактной установки в виде автономного модульного блока для измерения ширины запрещенной зоны по температурной зависимости обратного тока диодов, обеспечивающего получение хорошо воспроизводимых экспериментальных результатов.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, создание простой по конструкции в сочетании с оригинальными схемотехническими решениями установки, отличающейся компактностью выполнения в виде автономного модульного блока, действующего независимо от наличия внешних измерительных приборов.
Технический результат предлагаемой полезной модели «Лабораторная установка для измерения ширины запрещенной зоны полупроводника по температурной зависимости обратного тока диодов» заключается простоте и надежности конструкции устройства в сочетании с компактным исполнением в виде автономного модульного блока. Размещение нагревательного элемента и воздушного термостата в одном модульном блоке обеспечивает равномерность нагрева полости термостата. Использование недорогих встроенных измерительных средств дает независимость устройства от внешних измерительных приборов.
Устройство иллюстрируется чертежом, где на фигуре показана принципиальная электрическая схема измерительной части устройства.
Установка заявленного устройства включает в себя стабилизаторы VD1, VD2, выпрямительные диоды VD4, VD5 (2) (см. фиг.), стабилизатор положительного напряжения 7812, интегральный датчик температуры К1019ЕМ, германиевый исследуемый диод Д9Ж, кремниевый исследуемый диод КД521 В, панельные цифровые вольтметры, например, типа РМ-213А, понижающий трансформатор (1), источники питания на ±12 В и +10 В, цепь питания электронагревателя, нагревательный элемент в виде эмалированного трубчатого сопротивления, например, типа ПЭВ, в полости которого находятся исследуемые германиевый (Ge) и кремниевый (Si) диоды, температурные датчики с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры, например, типа К1019ЕМ1.
Нагревательный элемент в термоизоляционной оболочке помещен в корпус прибора, что исключает необходимость конструирования отдельного термостата, например, в виде отдельной металлической полости. Кроме того, диоды Si, Ge и датчик температуры находятся в температурном контакте, что обеспечивает точную выдачу температуры элементов в данный промежуток времени.
С применением миниатюрных панельных цифровых вольтметров, например, типа РМ-213А для измерения тока и напряжения диода исключается необходимость применения внешних измерительных приборов. Встроенные источники питания на ±12 В и +10 В обеспечивают автономность, малые габариты и удобство при эксплуатации.
Конструктивно прибор представляет собой компактное и полностью автономное устройство.
п
Цепь питания состоит из понижающего трансформатора Т (1), двух выпрямительных диодов VD4-VD5 (2), двух стабилизаторов на ±12 В (см. фиг.).
1
2
Двумя панельными цифровыми милливольтметрами V и V (5) измеряют температуру и обратный ток через исследуемые диоды. Милливольтметры запитаны от отдельного источника напряжения +10 В, которые собраны на отдельном небольшом трансформаторе (на фигуре не показаны).
Температура непосредственно считывается с милливольтметра, например, в °С. Для этого может быть собран разностный усилитель на ОУ с коэффициентом усиления К=1. Напряжение с выхода температурного датчика (К1019ЕМ1) подается на неинвертируемый вход ОУ (4), а на инвертируемый вход (3) подается опорное напряжение 2,77 В от резистивного делителя. С выхода ОУ сигнал подается на вход милливольтметра, который показывает комнатную температуру 23°С до включения нагревателя.
Конструктивная простота собранного таким образом устройства является залогом его и надежности в работе. Использование встроенных милливольтметров освобождает зависимость устройства от внешних измерительных приборов, обеспечивая ему полную автономность. Отсутствие в составе устройства редких и сложных для изготовления частей делает его себестоимость небольшим, не снижая при этом потребительские качества. Небольшая масса термостата прибора приводит к сокращению времени рутинных измерений и снижению энергопотребления нагревательного элемента и прибора в целом. Все это делает прибор наиболее перспективным для его использования в учебном процессе учебных заведений.