Учебная работа. Изучение зависимости сопротивления полупроводника от температуры

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

изучение зависимости сопротивления полупроводника от температуры

План

1. Вводная часть

. Технические сведения

.1 Собственная проводимость полупроводников

.2 Примесная проводимость полупроводников

.3 Деление твердых тел на диэлектрики, проводники и полупроводники

. Результаты

1. Вводная часть

Цель работы:

1.Снять зависимость сопротивления полупроводника от температуры

2.Определить энергию его активации

Приборы и принадлежности:

1.Термостат (колба с водой)

2.Полупроводниковое сопротивление

.Цифровой амперметр B7-35

.электрическая плитка

Рис. 1 Блох схема установки: 1 — цифровой вольтметр; 2 — полупроводниковое термосопротивление; 3 — колба с водой; 4 — электроплитка; 5 — термометр

Рабочая формула:

k — 1,38 ∙10-23 ДжК — постоянная Больцмана;

∆Wn — энергия активного полупроводника;

2. Технические сведения

.1 Собственная проводимость полупроводников

Рис. 2 — Зонная диаграмма полупроводников

При изучении электронопроводности полупроводников в качестве примеров возьмем кремний (Si) или германий (Ge), но излагаемая теория может быть применима к любому полупроводнику.

Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной, а сами полупроводники собственными. Примерами таких полупроводников являются не только Si и Ge, но и селен (Se), мышьяк (As), теллур (Те), углерод в форме алмаза, многие химические соединения: PbS, InSb, GaAs, CdS и другие. При 0 К (см рис. 2, а) в зоне проводимости электроны отсутствуют, полупроводник ведет себя как диэлектрик. С ростом температуры повышается вероятность того, что электрон приобретет энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны ∆Wg и перехода в зону проводимости.

На рис. 2, б представлена зонная диаграмма собственного полупроводника при Т > 0, где — электроны в валентной зоне, ● — электроны в зоне проводимости, ○ — дырки, ∆Wg — ширина запрещенной зоны.

Кремний и германий, являясь элементами IV группы таблицы Менделеева, образуют решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными (парно — электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 3.

Рис. 3 — упрощенная плоска схема расположения атомов в кристалле германия: — валентные электроны; ○ — дырка; двойные линии — ковалентные связи

При достаточно высокой температуре тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон. Покинутое электроном место перестает быть электрически нейтральным, а в его окрестности возникает избыточный положительный заряд +е, т.е. образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон. При встрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют (соединяются). таким образом, проводимость полупроводников активационная: за счет термической активации растет число носителей тока: в зоне проводимости — электронов, в валентной зоне — дырок.

2.2 Примесная проводимость полупроводников

полупроводник германий кремний сопротивление

Электропроводность полупроводников весьма чувствительна даже к ничтожным количествам примесей, содержащихся в них. Так, введение в кремний всего лишь 0.001 % бора (В) увеличивает его проводимость при комнатной температуре примерно в 1000 раз. Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками.

рассмотрим проводимость, возникающую при введении в германий (Ge — элемент IV группы таблицы Менделеева) элементов V группы, например мышьяка (As). На установлении валентных связей с четырьмя ближайшими соседями As тратит четыре валентных электрона. пятый электрон оказывается очень слабо связанным со своим атомом, т.к. в среде с диэлектрической проницаемостью е электростатические силы уменьшаются в е раз, а энергия взаимодействия зарядов — в е2 раз.

например, для Ge е = 16, энергия связи уменьшается в 256 раз, становясь равной 0.015 эВ. При такой маленькой энергии связи пятый электрон легко отрывается от атома, становясь свободным, и диффундирует по кристаллу (рис. 4, а).

При включении электрического поля эти электроны начинают переносить ток, обеспечивая примесную проводимость. На языке зонной теории данный процесс описывается так. Электронам мышьяка, не участвующим в образовании валентных связей, соответствуют энергетические уровни ∆Wd, расположенные в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости, на 0.015 эВ ниже дна зоны проводимости (рис. 4, б).

Эти уровни называются донорными D. При нагревании полупроводника в зону проводимости в основном переходят электроны с таких уровней, обеспечивая его электронную проводимость, т.к. энергия активации ∆Wd этих примесей очень мала (0.015 эВ).

Рис. 4 упрощенная решетка германия с примесью пятивалентных атомов мышьяка (а); зонная диаграмма донорного полупроводника (б): — электроны в валентной зоне и на примесных уровнях D; ● — электроны в зоне проводимости; ○ — дырки в валентной зоне; + — ионизированные атомы доноров; ∆Wd — энергия активации донорных примесей

Собственная электронно-дырочная проводимость выражена слабо, т.к. для ее возбуждения требуется намного больше энергии (∆Wg 0.4 эВ). Поэтому имеющиеся в полупроводнике дырки также являются носителями тока, но это не основные носители тока, поскольку концентрация их очень мала по сравнению с концентрацией электронов.

Проводимость в таких полупроводниках электронная (ее часто называют донорной, а примеси — донорами, примесные полупроводники такого типа — донорными). Следует запомнить, что ионизованные атомы примеси, имеющие положительный ряд, в проводимости не участвуют, т.к. ионы примесей жестко закреплены в узлах кристаллической решетки.

2.3 Деление твердых тел на диэлектрики, проводники и полупроводники

Рис. 5 Зонная диаграмма для диэлектриков

Зонная структура полупроводников очень похожа на зонную структуру диэлектриков. Но ширина запрещенной зоны полупроводников намного меньше, чем у диэлектриков, и составляет всего ∆W 0.01…3.0 эВ. поэтому вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости намного порядков выше, чем у диэлектриков. Но при 0 К полупроводники ведут себя как хорошие диэлектрики: несмотря на узкую запрещенную зону, электроны не могут ее одолеть, т.к. тепловая энергия кТ близка к 0 (рис. 2, а). При повышении температуры все большее число электронов забрасывается в зону проводимости и полупроводник становится способным проводить электрический ток. Кроме того, остающиеся в валентной зоне нарушенные из за ухода электронов валентные связи ведут себя в электрическом поле как своеобразные заряды и тоже способны переносить ток (рис. 2, б). При обычных температурах удельное сопротивление полупроводников лежит в пределах 10-6 Ом ⋅ м≤ p≤108 Ом ⋅ м.

3. Результаты

Таблица результатов

№t, єCR, ОмT, K1/Т, K-1ln R∆WnДжэВ12519102983,367,550.6323015303033,307,3333512603083,247,1444010403133,196,945458403183,146,736507003233,096,557555803283,046,368604703333,06,159653903382,965,9610703203432,915,7611752703482,875,5912802303532,835,43

График зависимости логарифма сопротивления от температуры

График зависимости п/п от t

Вывод: в данном опыте я наблюдала зависимость сопротивления полупроводника от его температуры и определила энергию активации полупроводника.

Учебная работа. Изучение зависимости сопротивления полупроводника от температуры