Физика 3 · Лабораторная работа 2 · ФДО ТУСУР

Ширина запрещённой зоны полупроводника: расчёт электронного отчёта онлайн

Введите температуру и обратный ток диода для восьми замеров. Страница посчитает значения для всех 14 шагов отчёта в личном кабинете в том виде, в каком их принимает система.

8 замеровОтчёт из 14 шаговВидео 3:30

Расчёт отчёта по шагам

Нажмите на любое значение, чтобы скопировать его, и вставьте в поле отчёта. Маленькая цифра на значении — номер замера.

Данные из журнала

Сейчас в таблице пример. Замените его своими числами.

№T, КJобред.

Ток вводите так, как его показывает система, вместе с единицей: амперметр сам переключает диапазон, и у разных замеров единицы могут отличаться.

  1. Шаг 1

    Отметьте серию из восьми измерений

    Система показывает все замеры с галочками. Отметьте восемь подряд, в которых температура постоянно растёт с шагом 8–12 К, и именно те, что вы ввели в таблицу на этой странице.

  2. Шаг 2

    Данные из журнала измерений

    Вводить ничего не нужно

    Система просто показывает выбранные восемь замеров. Проверьте, что числа и единицы тока совпадают с таблицей на этой странице, и нажмите «Далее».

  3. Шаг 3

    Обратные значения температуры 1/T

    Делим единицу на температуру и записываем результат в виде X · 10⁻³ К⁻¹, то есть X = 1000 / T. Четыре знака после точки. Для первого опыта:

    1T=1308=0.0032468…≈3.2468·10−3
    Введите в отчёт
    X:
    Система не принимает шаг 3? Напишите нам
  4. Шаг 4

    Абсолютная погрешность температуры

    Погрешность термометра (п. 4 на стр. 4 пособия Риппа): единица последнего разряда, то есть 1 К.

    Введите в отчёт
    σT =К
    Система не принимает шаг 4? Напишите нам
  5. Шаг 5

    Погрешности σ(1/T)

    Формула из таблицы 7.1 пособия Риппа для величины 1/T: σ(1/T) = σT / T². Результат тоже записываем как x · 10⁻³ и оставляем одну значащую цифру. Для первого опыта:

    σ(1T)=σTT2=13082=0.01054…·10−3≈0.01·10−3

    Чем выше температура, тем меньше погрешность, поэтому у последних опытов она уже 0.009 или 0.008.

    Введите в отчёт
    x:
    Система не принимает шаг 5? Напишите нам
  6. Шаг 6

    Округлённые значения 1/T

    Каждое X из шага 3 округляем до того же разряда, что и его погрешность из шага 5 (п. 8 на стр. 8 пособия Риппа). Если погрешность 0.01, оставляем два знака, если 0.009 — три. Поэтому в одной строке нормально видеть и 3.25, и 3.012.

    3.2468≈3.252.7473≈2.747
    Введите в отчёт
    X:
    Система не принимает шаг 6? Напишите нам
  7. Шаг 7

    Натуральные логарифмы ln Jобр

    Сначала переводим ток в амперы, потом берём натуральный логарифм. Шесть знаков после точки. Для первого опыта:

    ln⁡Jобр=ln⁡(2.131·10−6)=−13.058919

    Логарифм тока меньше одного ампера всегда отрицательный. Если получилось положительное число, ток не переведён в амперы.

    Введите в отчёт
    ln J:
    Система не принимает шаг 7? Напишите нам
  8. Шаг 8

    Погрешности измерения тока σJобр

    Погрешность амперметра (п. 4 на стр. 4 пособия Риппа): единица последнего разряда на его табло. Показания идут с четырьмя значащими цифрами, поэтому у 2.131 мкА погрешность 0.001 мкА, а у 12.85 мкА уже 0.01 мкА. Вводите в тех же единицах, что показывает система.

    Введите в отчёт
    σJ:
    мкАмкАмкАмкАмкАмкАмкАмкА
    Система не принимает шаг 8? Напишите нам
  9. Шаг 9

    Погрешности σ(ln Jобр)

    Формула из таблицы 7.1 пособия Риппа для логарифма: σ(ln J) = σJ / J. Ток и погрешность берутся в одних единицах, поэтому переводить в амперы не нужно. Одна значащая цифра. Для первого опыта:

    σ(ln⁡Jобр)=σJобрJобр=0.0012.131=0.000469…≈0.0005
    Введите в отчёт
    σ ln J:
    Система не принимает шаг 9? Напишите нам
  10. Шаг 10

    Округлённые значения ln Jобр

    Логарифмы из шага 7 округляем до разряда их погрешности из шага 9.

    −13.058919≈−13.0589
    Введите в отчёт
    ln J:
    Система не принимает шаг 10? Напишите нам
  11. Шаг 11

    Параметры прямой K и B

    Через точки (1/T; ln J) проводим прямую ln J = K · 1/T + B методом наименьших квадратов. По оси X берём 1/T с четырьмя знаками из шага 3, по оси Y — ln J из шага 10.

    Опытx = 1/T · 10³y = ln J
    13.2468−13.0589
    23.1646−12.5835
    33.0864−12.1260
    43.0120−11.6810
    52.9412−11.2622
    62.8736−10.8585
    72.8090−10.4765
    82.7473−10.1051
    Среднее2.98511−11.51896
    K=∑(xi−x‾)(yi−y‾)∑(xi−x‾)2=−5.9203…≈−5.92·103 К
    B=y‾−Kx‾=6.1538…≈6.15

    Оба числа округляем до трёх значащих цифр. K вводится в тысячах кельвинов: множитель 10³ уже стоит в поле.

    Введите в отчёт
    K =· 10³ К,B =
    Система не принимает шаг 11? Напишите нам
  12. Шаг 12

    График зависимости ln Jобр от 1/T

    2.82.933.13.2−13−12−11−101/T · 10³, К⁻¹ln JобрОпыт 1: 1/T = 3.2468·10⁻³ К⁻¹, ln J = −13.0589Опыт 2: 1/T = 3.1646·10⁻³ К⁻¹, ln J = −12.5835Опыт 3: 1/T = 3.0864·10⁻³ К⁻¹, ln J = −12.1260Опыт 4: 1/T = 3.0120·10⁻³ К⁻¹, ln J = −11.6810Опыт 5: 1/T = 2.9412·10⁻³ К⁻¹, ln J = −11.2622Опыт 6: 1/T = 2.8736·10⁻³ К⁻¹, ln J = −10.8585Опыт 7: 1/T = 2.8090·10⁻³ К⁻¹, ln J = −10.4765Опыт 8: 1/T = 2.7473·10⁻³ К⁻¹, ln J = −10.1051
    Вводить ничего не нужно

    Система строит такой же график сама. Точки должны лечь почти на прямую. Если одна выбивается, проверьте единицу тока у этого замера.

  13. Шаг 13

    Ширина запрещённой зоны ΔE

    Формула (2.4) методички: ΔE = |K| · k. Чтобы получить ответ в электронвольтах, делим на заряд электрона. k = 1.38·10⁻²³ Дж/К, e = 1.6·10⁻¹⁹ Кл.

    ΔE=|K|·ke=5.92·103·1.38·10−231.6·10−19=0.51060…≈0.511 эВ
    Введите в отчёт
    ΔE =эВ
    Система не принимает шаг 13? Напишите нам
  14. Шаг 14

    Работа сдана

    Лабораторная работа успешно завершена.

Система не принимает значение?

Напишите нам во ВКонтакте номер шага и свои замеры. Разберёмся и, если ошибка в расчёте, поправим его для всех.

Написать во ВКонтакте

Что происходит в опыте

Ширина запрещённой зоны ΔE — энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы он перешёл из валентной зоны в зону проводимости. В работе её находят по тому, как обратный ток диода растёт при нагреве.

  1. 1

    Нагрев диода

    Диод стоит в воздушном термостате с электроплиткой. Термостат нагревают, а термометр показывает температуру в кельвинах.

  2. 2

    Замеры обратного тока

    Диод включён в запирающем направлении. Через каждые 8 К записывают температуру и обратный ток. Амперметр сам переключает диапазон, поэтому единицы тока меняются от замера к замеру.

  3. 3

    Прямая в координатах ln J от 1/T

    Обратный ток создают неосновные носители, и он растёт с температурой экспоненциально. Если отложить ln J против 1/T, точки ложатся на прямую, и по её наклону находят ΔE.

Обратный ток диода, формула (2.2) методички (J₀ — постоянная для данного диода):

Jобр=J0⁢exp⁡(−ΔEkT)

После логарифмирования получается уравнение прямой y = B + K·x, где x = 1/T, формула (2.3):

ln⁡Jобр=ln⁡J0−ΔEk·1T

Наклон прямой K = −ΔE/k, отсюда формула (2.4):

ΔE=|K|·k

k = 1.38·10⁻²³ Дж/К — постоянная Больцмана. Чтобы получить ответ в электронвольтах, результат делят на заряд электрона 1.6·10⁻¹⁹ Кл. По методичке для германия так выходит значение примерно на 0.02 эВ ниже истинного.

На чём чаще всего ошибаются

  • Логарифм не от амперов

    ln J берут от тока в амперах: 2.131 мкА = 2.131·10⁻⁶ А. Логарифм от «2.131» даст 0.757 вместо −13.059.
  • Не та единица у одного замера

    Амперметр сам переключает диапазон: у первых замеров могут быть нА, а дальше мкА. Проверьте единицу в каждой строке.
  • Разное число знаков при округлении

    На шагах 6 и 10 значения округляют до разряда своей погрешности, поэтому 3.25 и 3.012 в одной строке — это правильно.
  • K без множителя

    Поле для K уже содержит · 10³ К, поэтому вводится −5.92, а не −5920.

Вопросы

Какие восемь замеров отмечать на первом шаге?

Восемь подряд, в которых температура растёт с шагом 8–12 К. Если замеров больше, выберите любую такую серию и введите на этой странице её же.

Почему погрешность тока у одних замеров 0.001, а у других 0.01?

Погрешность прибора — единица последнего разряда на его табло. Амперметр показывает четыре значащие цифры: у 8.453 мкА последний разряд — тысячные, у 12.85 мкА — уже сотые.

Почему σ(1/T) у последних замеров меньше?

σ(1/T) = σT / T². Температура растёт, T² растёт ещё быстрее, поэтому при σT = 1 К погрешность падает с 0.01 до 0.008 (в единицах 10⁻³ К⁻¹).

Где расчёт для других работ по физике?

Список всех работ, для которых есть расчёт, — на странице лабораторных по физике. Ссылки на соседние работы есть и внизу этой страницы.