11292

Электропроводность полупроводников

Лабораторная работа

Физика

Электропроводность полупроводников Указания содержат краткие сведения об электропроводности полупроводников основы зонной теории твердых тел и порядок выполнения лабораторной работы. Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы студен...

Русский

2013-04-05

666 KB

90 чел.

Электропроводность полупроводников

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".

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 между металлами (= (106 - 108) Ом-1 м-1) и  диэлектриками          (= (10-10 - 10-11) Ом-1 м-1) (значения указаны при комнатной температуре). Главная особенность полупроводников - их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий (температуры, освещения, электрического и магнитного полей и др.); при этом  может изменяться до 108 раз. От металлов полупроводники отличаются характером зависимости проводимости от температуры: у металлов она слабо уменьшается, а у полупроводников – существенно  увеличивается с ростом температуры.

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 ). Разделение твердых тел на металлы, изоляторы и полупроводники определяется степенью заполнения валентной зоны и шириной зоны запрещенных состояний (рис. 1).

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 диэлектриков валентная зона заполнена электронами полн
остью, а запрещенная зона достаточно велика (порядка 3 - 5 эВ). Для получения заметной электропроводности кристалл необходимо нагреть до высоких температур.

У полупроводников валентная зона заполнена полностью, а ширина запрещенной зоны соизмерима с тепловой энергией электронов (не более 2,5-3,0 эВ; ). При абсолютном нуле (Т=0) зона проводимости свободна и электропроводность полупроводников равна нулю. С ростом температуры часть валентных электронов может получить тепловую энергию, достаточную для переброса их в зону проводимости и тогда, при приложении внешнего электрического поля, эти носители      заряда смогут принять участие в электропроводности.

Экспериментально установлено, что электропроводность полупроводников увеличивается с повышением температуры Т по экспоненциальному закону:

,                                     (1)

где 0 – удельная электропроводность полупроводника при  температуре, когда все электроны из валентной зоны перешли в зону проводимости,
– постоянная Боль
цмана,  - ширина запрещенной зоны.        

Рис. 1. Зонные схемы твердых тел.

             Собственные полупроводникиэто 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 (). Следовательно, электрон и дырка рождаются одновременно – парой. При наличии электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне полупроводник проводит электрический ток. Полную удельную электропроводность собственного полупроводника можно представить в виде суммы двух слагаемых:


                              ,                   (2)

где n и р - концентрации электронов и дырок, - подвижности электронов и дырок соответственно. Подвижность определяет среднюю скорость частицы в единичном электрическом поле и измеряется в м2/(Вс). В большинстве случаев подвижность электронов больше подвижности дырок. Следовательно, при равных концентрациях n и р электронная составляющая электропроводности будет больше дырочной, т. е. собственная проводимость полупроводника будет электронной (n - типа). Следует отметить, что одновременно с процессом генерации электронов и дырок в полупроводниковом кристалле идет процесс рекомбинации - процесс возврата электронов в валентную зону.  Рис. 2 иллюстрирует механизм возникновения собственной проводимости полупроводника. В обычных условиях собственной электропроводностью могут обладать лишь идеально чистые кристаллы.

      

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
электронной (n - тип) проводимостью, а примесь называется донорной. Введение в кристаллическую решетку полупроводника атомов примеси с меньшей валентностью (например, примесь BIII в SiIV) приводит к тому, что атом примеси захватывает один из электронов у атома полупроводника, который может захватить электрон у соседнего атома – возникает “дырка”. Электропроводность в этом случае будет дырочной (p - тип), а примесь - акцепторной. Уровни атомов донорной или акцепторной примесей называют соответственно донорными или акцепторными  примесными уровням. Примесные донорные уровни располагаются в запрещенной зоне на расстоянии нескольких десятых или сотых долей электронвольта (эВ) от нижнего края зоны проводимости, а для акцепторной примеси - вблизи от верхней границы валентной зоны.

            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
пол
упроводников.

        

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:

,                                      (3)

где - константа для данного полупроводника, k  постоянная Больцмана; – энергия активации примеси - энергия, необходимая для перевода электронов с уровня донорной примеси в зону проводимости или для захвата электронов из валентной зоны на акцепторный уровень.

              Для определения энергии активации прологарифмируем выражение для R:  . Построив график зависимости , по наклону прямой (рис. 5) можно определить энергию активации примесного уровня полупроводника, т.к. . В итоге энергия активации равна

,                                       (4),

где =1,3810 - 23 Дж/K (постоянная Больцмана).

Рис. 5. Зависимость  для примесных полупроводников.

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
    предел 15
    mA, для вольтметра предел указан на рабочем месте. Определить цены деления миллиамперметра и вольтметра.
  2.  Подключить источник постоянного тока (клеммы 0 -100 В на блоке питания ВУП 2М).
  3.  Устанавливая с помощью регулятора напряжения  1  (см. рис. 6) значения силы тока в пределах от 1 до 12 mA с шагом 1 mA, снять зависимость напряжения U от силы тока I. Результаты занести в таблицу 1.
  4.  Построить зависимость U(I) (ВАХ) термистора (см. рис. 4).

Рис. 6. 1 - источник постоянного тока ВУП 2М, 2  - миллиамперметр,
3 - воль
тметр, 4 – терморезистор.

Таблица 1

I, mA

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

U, B

Задание 2. Изучение температурной зависимости сопротивления
полупроводникового термистора и определение энергии активации
пр
имеси.

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 и
    (см. рис. 5).
  5.  По графику зависимости определить  и по формуле (4) вычислить энергию активации примеси , выразить ее в электронвольтах ().

            

Рис. 7. 1 - источник переменного тока ВУП 2М,
2 - нагреватель, 3 – термометр, 4 - терморезистор, 5 – мультиметр.

Таблица 2

t, oC

T, К

R, Ом

lnR

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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

26519. Дискуссии в отечественной и зарубежной историографии о периодизации ВФ буржуазной революции, ее характере, движущих силах и итогах 44 KB
  Ленин развил мысли Маркса и Энгельса; показал решающую роль крестьянства и плебейского элемента городов в победе революции высоко оценил роль якобинцев и диктатуры. революции роль перешла к историкам радикального направления. атлантической революции.
26520. Проблемы якобинской диктатуры в историографии 34 KB
  Якобинцы: Террор декрет о подозрительных каждый кто своими делами помыслами мешает революции подлежит суду в лице революционного трибунала Якобинцам нужно накормить город установить республику Закон о реквизициях обещали в будущем заплатить оставляли только семейный запас. принудительный займ у богачей в 1млрд франков Вся нация мобилизовалась до полной победы революции Попытка ввести новую религию. Революции восходящей линии см. 20 века стали задаваться вопросом о классовой природе революции чьи интересы она...
26521. Внутренняя и внешняя политика Фр. в период консульства и 1-й империи Наполеона. Наполеоновская эпоха в исторической науке 38.5 KB
  давно мечтал о власти; Манфред: чтобы не проиграть. Для закрепления своей власти Н. оставалась республикой но власть в руках 1го консула главнокомандующий армией назначал членов всех органов законодательной власти выбирал их из кандидатов которые избирались гражданами на 5 лет он назначал перфекты заменивших местное самоуправление назначал министров которые ему непосредственно подчинялись. начались 100 дней период кратковременного возвращения Бонапарта к власти.
26522. Революции 1848-1849 гг. в Европе. Общие черты и особенности 74.5 KB
  Австрийская монархия: препятствием для развития был национальный гнет т. было насильственно объединены разные национальности т. задачей революции являлось создание независимых национальных государств. Германия: нац объединение освобождение крестьян уничтожение феодализма.
26523. Объединение Германии и Италии. Общие черты и особенности 30 KB
  Малогерманский вариант во главе с Пруссией и без Австрии; 2. Бисмарк предложил Австрии и Пруссии воевать с Данией и в результате войны Шлезенгер отошел Пруссии а Гольдштейн Австрии. Здесь Бисмарк резко заявил что доводить до конца не надо а от Австрии потребовать только отказ от объединения Германии вокруг Австрии. Перед ними стояла цель надо найти союзника для того чтобы избавиться от гнета Австрии.
26524. Движущие силы, характер, периодизация и итоги Второй Американской революции 43.5 KB
  поделили в пользу Юга территорию к западу от р. активизировалось движение против рабства аболиционисты они организовывали тайные маршруты для беглецов с Юга. в отличие от юга здесь индустрия работала на полную мощность на благо фронту. Осенью взяли промышл центр Юга Атланту.
26525. Франко-германская война 1870-1871 гг. и парижская Коммуна 1871 г. и их место в историческом процессе 40 KB
  Прусская война была осознана в Германии как война за национальное существование и независимость поэтому против Фр. провозглашена республика создано Вп Нац обороны в которое вошли представители политические силы оппозиционные империи. прошли выборы в Нац Собрание которое должно было утвердить прелиминарный мирный договор формальное согласие м д воюющими государствами относительно прекращения военных действий соглашение установления условий прекращения огня в общей форме очерчивается предполагаемая территория договариваются о судьбе...
26526. Общие черты и особенности эк. и П. развития стран Западной Европы и США в конце 19- начале 20 века 61.5 KB
  Внедрение капиталистического производства вызвало ряд изменений: 1. По темпам ежегодного приращивания производства 1 место США 2 место Германия. Еще 1й закономерностью развития стран было образование монополий добровольных объединений независимых предпринимателей обладающие исключительным правом производства или торговли. переход от независимого производства к концентрации производства: спрос = предложение = прибыль = обострение конкуренции = нерегулируемое производство = кризис перепроизводства = концентрация производства.
26527. Международные отношения в последней трети 19-нач.20 века 31 KB
  Герм. надолго была ослаблена а Герм. Германия пыталась добиться гегемонии готовила для себя плацдарм. в результате добилась союза 3х императоров1873 Герм.