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Elektrisches und optisches Verhalten von Halbleitern. VI. Leitfhigkeitsmessungen an Pulvern

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216
Anizalen der Physik. 5. Folge. Band 14. 1932
Elektrisches mad optisches VerhaZtm
von Ealbledterm. VI
LeltfiJhlgbeitsrnessungen an P u l u e r n
Vom
P. G u i Z l e r y
(Mitteilung aus dem Physiknlischen Institut der Universitat Erlangen)
(Mit 4 Figmen)
Unter Anwendung einer neuartigen Methode wird die Leitfithigkcit
einer Anzahl von Halbleitern untersucht und z. T. wesentlich groBer
gefunden, als die bisher ublichen Pastillenmessungen angeben.
In der vorstehenden drbeit von
Verfahren zur Leitfihigkeitsmessung
Da es wesentlich bessere Ergebnisse
iibliche Pastillenverfahren, wurde es
suchung einiger Substanzen benutzt.
,4.V61kl wird ein neues
yon Pulvern beschrieben.
verspricht, als das bisher
im folgenclen zur Unter-
XeBmethode
Die zu Grunde liegende Theorie, sowie die Einzelheiten
der Versuchsanordnung finden sich bei Volkl. I) Verandert
wurde die Apparatur insofern, als an Stelle des Zweifadenelektrometers ein Rohrenvoltmeter benutzt wurde, bei einer
Eraeiterung des Sendebereiches auf Rellenlangen von 50 bis
15000 m. Zur Messung wurde der bei V o lk l an zweiter
Stelle behandelte und als ,,Isothermenmethode" bezeichnete
Weg gewiihlt: Die Dampfung eines Kondensators, in dessen
Dielektrikum (Si0,-Pulrer) das zu untersuchende halbleitende
Pulver eingebettet war, wurdc bei konstant gehaltener Wechselfrequenz in Abhiingigkeit von der Temperatnr gemessen. Fur
eine bestimmte Temperatur ergibt sich ein ausgesprochenes
Dampfungsmaximum und die zu diesem Temperaturpunkt gehorige Leitfahigkeit des eingebetteten Pulvers, x , berechnet
sich aus der Gleichnng:
-x .
(0
-
i k f21+2p'
.P) (el
f
2+P
l--p
' %)
4 n c' lo-!'
I) A. V o l k l , Ann. d. Phys.
[a] 14. S. 103. 1932.
- 1.
P. Guillery. Elektr. und opt. Verhalten von Halbleitern. V I 217
el und E~ sind die Dielektrizitatskonstanten des Halbleiters
und des Si0,-Pulvers, (1) die Frequenz. p, die Volumkonzentration des Halbleiters im Versuchskondensator, betrug in
allen Fallen 10-15 Proz.
Die Messung selbst wurde in folgender Weise vereinfacht:
Der Versuchskondensator mit der eingelagerten Leitersubstanz
wurde in den Resonanzkreis eingeschaltet und die auftretende
Resonanzspannung, V,, am Rohrenvoltmeter abgelesen. Sodann
wurde er ersetzt durch einen zweiten Kondensator, der nur
reines Si0,-Puloer enthielt, dem ersten aber im iibrigen vollig
gleich war, and wiederum die Resonanzspannung, V,, .gemessen.
Bezeiohnet man die Dgmpfung im ersten Ii'alle mit a,, im
zweiten mit a,, so gilt die Beziehung:
-3,= - . V"
$0
VI
Die durch den eingebetteten Halbleiter hervorgerufene zusatzliche Dampfung betragt also:
Da hier die 9-Kurven bei festgehaltener m'ellenlange aufgenommen werden, ist 9, eine Konstante. Sie wurde willkiirlich = 1 gesetzt, da sie nur die Hohe des Maximums,
nicht aber seine Lage bestimmt. Die Messung beschrankt
sich also auf die Bestimmung des Verhaltnisses V,/V, bei
rerschiedenen Temperaturen, mas sich ,leicht und sehr genau
durchfiihren 1BBt.
Ebenso wie bei den friiheren Arbeiten enthielt der Resonanzkreis einen geeichten Kreisplattenkondensator, der die durch den
Halbleiter bedingte Kapazititsvermehrung, A C , nngab.
Ergebnieee
Eine nochmalige Priifung des Verfahrens bestatigte die
Geschmolzenes KNO, , das offenbar frei
Angaben von Vo 1:k!
von irgendwelchen Ubergangswiderstanden ist, wurde gepulvert
und seine Leitfahigkeit in der beschriebenen Weise durch
Dampfungsmessungen gefunden. Zum Vergleich wurden an
zylindrischen Stiicken der gleichen Schmelze gewohnliche
Widerstandsmessungen im Wechselstromkreis vorgenommen.
Die auf beiden Wegen gefundenen x-Werte befinden sich
untereinander, sowie mit den Angaben anderer Beobachter in
Ubereinstimmung (Fig. 1).
Eine Reihe von Substanzen wurde daraufhin auf ihre
Leitfahigkeit untersucht und zwar stets gleichzeitig durch
218
Annalen der Physik. 5. Folge. Bawl 14. 1932
Tabelle 1
I
t in OC
1
~~
Fe,O,.
TiO, .
Mn6 .
.. .
. . .
. . .
uo, . . . .
Nb,O,. . . .
1
+
+
1
'
Pastille
_ _ __ _
20
< 10-8
< 10-8
< 10-8
20
20
bis lo-'
10-6bis10-7
+200
i
Kondensator
~
1
1
~
~~
_
-~
~
< 10-8
< 10< 10-8
lo-'
lo-"
bis
bis 10-7
bis
I
Chromoxyd. .
+
I
Dampfungsmessnngen und durch einfache Widerstandsbestimmungen an der gepreBten Pastille. Bei einigen von ihnen
stimmen die auf beiden
Wegen gefundenen Werte
in der GroBenordnung
uberein, d. h. die Prage
nach wesentlich storenden
Grenzschichten ist zu ver- -6
neinen und das iibliche -7
Pastillenverfahren zulassig
(Tab. 1).
-*
.Kondensator
Pastille
+ Eenra'h.
Fog
faOf726
qooz
Fig. 1. KSOs
7
7Fig. 2. ZnO
I m Gegensatz dazu stehen jedoch die Ergebnisse an ZnO,
SnO,, Sic und CuO, bei denen die Pastillenmessung x-Werte
liefert, die gegeniiber den irn Kondensator gemessenen urn
GroBenordnungen zu klein sind. Diesen vier Substanzen ist
iiberdies gemeinsam, daB bei ihnen die Widerstinde stark
spannungsabhiingig sind uud schon dadurch auf das Vorhandensein von Grenz- und Zwischenschichten hinweisen.
ZnO: Bei amorphen ZnO wurde nach beiden Methoden
die gleiche Leitfahigkeit von 10-7 bis 10-8 gefunden. Wesent-
oberen Teil der Zeichnung sind die aus diesen
Kurven errechneten Leitfahigkeiten zugleich mit
der an Pastille gemessenen eingetragen. Der
Pastillenwert liegt rund
zwei Zehnerpotenzen zu
tief. Ein Umwandlungspunkt, der diese Differenz
erklaren konnte, ist nicht
wahrscheinlich, da sich
ein solcher auch in
den 8-Kurven anzeigen
muBte.
-3-
/./
-#-5 - /qx
/+
+*
+-
-7-8I8 -
2. $700~
"- -p,
A cinm
l47270-
220
Annalen der Physik. 5. Folye. Band 14. 1932
Sic: Fig. 4 gibt ein ahnliches Bild wie bei SnO,. Trotz
des Pastillenwertes von 10-B ist auch hier die Leitfahigkeit
bei - 200° noch wesentlich groBer als
CuO: An gepreBter Pastille fand ich Werte, die bei Zimmertemperatur mit den kurzlich von L e R l a n c und S a c h s e angegebenen ubereinstimmen (bei Zimmertemperatur
bis
bei - 190" < lo-'). Andererseits aber sprechen gerade
die Beobachtungen an Cu0 am starksten gegen dieses MeBverfahren. E s lag ein Praparat von S c h u c h a r d t vor, das besonders auf Oxydulfreiheit untersucht war. Es bestand aus
sehr harten, unregelmaBigen Kristallitstucken bis zu einer BroBe
von etwa 1 ccm. Der Widerstand eines solchen Stuckes betrug
wenige Ohm. Das gleiche Material, fein gepulvert und unter
starkem Druck zu Stucken ahnlicher Gr6Be wieder zusammengepreBt, hatte einen Widerstand, der um das 1000- bis 2000fache groBer war. Im Kondensator dagegen lieferte dieses
Pulver 9.- und A C-Kurven von der Art der Figg. 3 und 4,
d. h. die Dkmpfung war im Temperaturbereich von -200 bis
+ 200 O fast verschwindend, bei einer konstanten, starken
Kapazitatsvermehlung von nahezu 50 Proz. Es ergibt sich
demnach eine Leitfahigkeit von
bei - 200° im Einklang
mit den Kristallitmessungen und mit einem Unterschied von
mehr als drei Zehnerpotenzen gegenuber den Pastillenwerten.
>
Zusammenfassung und SchluB
Es sei darauf hingewiesen, daB die angegebenen Werte
nicht als Materialkonstanten aufgefaBt werden sollen, insofern,
als vorwiegend kiiufliche Substanzen untersucht wurden. Das
Ziel der vorstehenden Mitteilung ist vielniehr der Hinweis auf
die Cnzuverlassigkeit cles Pastillenverfahrens sowie die Feststellung, daB einer Reihe von Halbleitern eine wesentlich grogere
Leitfahigkeit zukommt , als die u blichen Pulvermessungen angeben. Ein ahnliches Ergebnis an gepreBten Metallpulvern wurde
kiirzlich von 0. K a n t o r o w i c z veroflentlicht. Es sind Versuche im Gange, das beschriebene MeBverfahren auf Gemenge,
wie sie vermutlich Selen und Phosphor darstellen, anzuwenden.
.Fur zahlreiche Anregungen und steten Rat danke ich
Hrn. Prof. Dr. Gudden. Den Vereinigten fimerstoffwerken
G. m. b. H. Nurnberg sind wir fu r kostenlose Uberlassung von
flussiger Luft, der Siemens-Reiniger Veifa B.-G. fur Geldun terstutzung zu groBem Dank verpflichtet.
1) M. L e E l a n c u. H. Sachse, Ztschr. f. Phys. t?.S.8SS. 1931.
2) 0. K a n t o r o w i c z , Ann. d. Phys. [5] 12. S. 1. 1932.
(Eingegangen 3. Miirz 1931)
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