![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Электропроводность полупроводников
Электропроводность полупроводников
по физике (раздел «Оптика»)
Ростов-на-Дону 2011
Составители: С.М. Максимов, Н.В. Пруцакова, А.Я. Шполянский
УДК 530.1
Электропроводность полупроводников. Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011 - 10 с.
Указания содержат краткие сведения об электропроводности полупроводников, основы зонной теории твердых тел и порядок выполнения лабораторной работы. Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика») и " Физическим основам измерений".
Печатается по решению методической комиссии факультета
Научный редактор к.ф.-м.н., доц. Лемешко Г.Ф.
© С.М. Максимов, Н.В. Пруцакова, А.Я.Шполянский, 2011
© Издательский центр ДГТУ, 2011
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Цель работы: снятие вольтамперной характеристики и исследование температурной зависимости сопротивления полупроводникового термистора. Краткая теория
Полупроводники – это широкий класс веществ, занимающих промежуточное положение по значению удельной электропроводности В основе описания свойств полупроводников лежит зонная теория твердых тел. Энергетический спектр электронов в кристалле имеет зонную структуру. На каждом уровне, согласно представлениям квантовой механики (принципу Паули) может находиться не более двух электронов. Электропроводность кристаллов определяется степенью заполнения электронами самой верхней, заполненной валентными электронами, зоны разрешенных состояний. Эту зону принято называть валентной зоной (или v -зона). Следующая зона разрешенных состояний электронов называется зоной проводимости (или c -зона). Между ними находится энергетический промежуток, в котором электроны находиться не могут - запрещенная зона (ее энергетическую ширину обычно обозначают У металлов валентная зона заполнена частично или перекрывается с зоной проводимости. При приложении электрического поля к кристаллу валентные электроны получают дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетические уровни, что с точки зрения зонной теории рассматривается как протекание электрического тока. У полупроводников валентная зона заполнена полностью, а ширина запрещенной зоны соизмерима с тепловой энергией электронов (не более 2, 5-3, 0 эВ; Экспериментально установлено, что электропроводность полупроводников увеличивается с повышением температуры Т по экспоненциальному закону:
где
Рис. 1. Зонные схемы твердых тел.
Собственные полупроводники – это химически чистые полупроводники (например, 4-валентные Si, Ge, 6-валентный Se) или химические соединения (GaAs, CdS и др.). Собственной проводимостью полупроводника называется проводимость, обусловленная носителями, образовавшимися вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. При температуре, близкой к абсолютному нулю, все уровни в валентной зоне полностью заполнены, а в зоне проводимости – свободны, и полупроводник по свойствам близок к диэлектрику. Повышение температуры приводит к тому, что часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости; каждый такой электрон оставляет после себя в валентной зоне свободное место – “дырку”, рассматриваемую как эквивалентный электрону положительный заряд (
где n и р - концентрации электронов и дырок,
Рис. 2. Собственная проводимость полупроводников.
Примесная проводимость полупроводников обусловлена наличием примесей. Введение примеси (порядка 0, 01%) изменяет энергетическую структуру полупроводника, в запрещенной зоне появляются локальные энергетические состояния. Если атом примеси имеет валентность большую, чем атомы полупроводника (например, примесь AsV в GeIV), то один из электронов примеси оказывается слабо связанным с ядром, и уже при малых энергиях возбуждения он может стать свободным. Поскольку электрический ток в этом случае обусловлен в основном движением именно таких, слабо связанных электронов, то говорят, что полупроводник обладает При температуре T=0 донорные уровни полностью заполнены электронами, а акцепторные - свободны (т. е. заполнены дырками). С повышением температуры начинается ионизация примесей. Электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости, а дырки – в валентную зону (рис. 3), что приводит к увеличению электропроводности полупроводника и уменьшению его сопротивления. С повышением температуры все существеннее становится вклад в электропроводность носителей заряда, связанных с собственной проводимостью. При высоких температурах преобладает собственная проводимость.
Рис. 3. Электронная (а) и дырочная (б) проводимость примесных
Принцип действия термосопротивлений
Термосопротивления (термисторы) - полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на зависимости электрической проводимости полупроводников от температуры. Сопротивление терморезисторов при комнатной температуре лежит в пределах от нескольких Ом до десятков MОм. Вольтамперная характеристика (ВАХ) терморезистора (рис. 4) представлена тремя основными участками: ОА, АВ и ВС. На начальном участке ОА характеристика линейна, т.к. при малых токах мощность, выделяющаяся в термисторе за счет джоулева тепла, мала и заметно не влияет на его температуру. На участке АВ линейность характеристики нарушается. С ростом тока температура термистора за счет джоулева тепла повышается, а его сопротивление, вследствие увеличения концентрации носителей зарядов (электронов и дырок) уменьшается. На конечном участке ВС характеристика становится почти параллельной оси абсцисс, что делает возможным применение некоторых типов терморезисторов для стабилизации напряжения.
Рис. 4. Вольтамперная характеристика терморезистора.
Зависимость сопротивления полупроводника от температуры При повышении температуры сопротивление примесного полупроводника уменьшается по закону:
где Для определения энергии активации
где
Рис. 5. Зависимость
Порядок выполнения работы
Задание 1. Снятие вольтамперной характеристики терморезистора.
Приборы и оборудование: блок питания ВУП 2М, терморезистор, вольтметр, миллиамперметр, соединительные провода.
1. Собрать схему (рис.6); для миллиамперметра использовать 2. Подключить источник постоянного тока (клеммы 0 -100 В на блоке питания ВУП 2М). 3. 4. Построить зависимость U(I) (ВАХ) термистора (см. рис. 4).
Рис. 6. 1 - источник постоянного тока ВУП 2М, 2 - миллиамперметр, Таблица 1
Задание 2. Изучение температурной зависимости сопротивления Приборы и оборудование: блок питания ВУП 2М, терморезистор, нагреватель, термометр, мультиметр (электронный многопредельный прибор для измерения напряжений и сопротивлений), соединительные провода. 1. Собрать схему на рис. 7 (термометр и мультиметр получить у инженера), для мультиметра использовать предел R max = 2 кОм. 2. Подключить нерегулируемый источник переменного тока (клеммы 6.3 В на блоке ВУП 2М). 3. В процессе нагрева термистора через каждые 5о снимать показания мультиметра в интервале температур начиная от комнатной до 60 оС. Измерения занести в таблицу 2. 4. По данным таблицы 2 построить графики 5. По графику зависимости
Рис. 7. 1 - источник переменного тока ВУП 2М, Таблица 2
Контрольные вопросы (для защиты)
1. В чем отличие полупроводников от металлов и диэлектриков? 2. Чем различаются зонные схемы металлов, полупроводников и диэлектриков? 3. Чем обусловлена собственная проводимость полупроводников? 4. Какие полупроводники называют полупроводниками n-типа и p-типа? 5. Каков механизм электронной и дырочной примесной проводимости полупроводников? 6. Как зависит сопротивление полупроводника от температуры? 7. Что такое энергия активации примеси и как ее определяют в данной работе?
Правила техники безопасности. При выполнении работы необходимо убедится, что все токоведущие части электрической схемы изолированы. Категорически запрещается касаться руками или другими предметами зажимов цепи, находящихся под напряжением. По окончании работы обязательно отключите электрическую схему от источника напряжения.
|