Работа 5. Изучение зависимости сопротивления

ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1. Провести исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры

2.Определить энергию активации.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

 

К полупроводникам относят широкий класс веществ, характеризующийся значением удельного сопротивления r, промежуточным между удельным сопротивлением металлов 10^-6 – 10^-8 Ом^. м и удельным сопротивлением диэлектриков 10 ¹⁰- 10¹² Ом м. При абсолютном нуле температуры полупроводники ведут себя как диэлектрики. Характерные полупроводниковые свойства кристаллов появляются при нагревании и при введении в них примесей.

Сопротивление полупроводников в отличие от металлов уменьшается с повышением температуры. В широком интервале температур эта зависимость имеет экспоненциальный характер:

R = A exp() (27)

 

где E _g - энергия активации или ширина запрещенной зоны, ее значение может быть равным от сотых долей электрон вольт (эВ) до 2-3 эВ; А - коэффициент, слабо зависящий от температуры, k – постоянная Больцмана.

Формула (27) показывает, что для валентных электронов в полупроводнике энергия связи с атомами порядка E_g. С увеличением температуры часть электронов, пропорциональная

ехр (), становится свободной и участвует в создании тока проводимости.

Связь электронов с атомами может быть разорвана и другими воздействиями на них: электрическим полем, облучением светом или более жестким электромагнитным излучением и т.д.

Все полупроводники можно условно разбить на две группы: элементарные – чистые (германий, кремний и т.д.) и полупроводниковые соединения (оксиды, сульфиды, двойные соединения элементов третьей и пятой групп периодической системы А^III В^V, например, арсенид галлия GaAs и т.д.).

Исследования показывают, что носители тока в полупроводниках имеют как отрицательный, так и положительный заряды. В результате разрыва связи с атомами электроны переходят в пространство кристаллической решетки и участвуют в токе проводимости как отрицательные носители тока. Разорванная связь вдали от свободного электрона становится положительным носителем тока – дыркой, блуждающим по кристаллу. В элементарных полупроводниках концентрации электронов и дырок равны, но их вклад в электропроводность не одинаков, так как подвижность носителей тока различна. Проводимость чистых элементарных полупроводников носит название собственной проводимости.

Источниками носителей тока в полупроводниковых соединениях могут быть атомы примеси, дефекты кристаллической решетки и т.д. Примеси, дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в пространство кристаллической решетки избыточные электроны и создают электронную проводимость (полупроводники n-типа).

Акцепторы захватывают валентные электроны у атомов вещества, в кристаллической решетке которого они находятся, и создают дырочную проводимость (полупроводники р-типа).

Теоретическая модель проводимости полупроводников была разработана А. Вильсоном в 1931 году после создания квантовой теории твердого тела.

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

 

Схема установки и порядок проведения эксперимента те же, как и в работе 4. Сопротивление полупроводника измеряется здесь с помощью осциллографа С1-112.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

 

1.По экспериментальным данным построить график зависимости, откладывая по осям значения

lnR и 1/T. Линейный характер полученной зависимости свидетельствует об экспоненциальным

законе спадания сопротивления с увеличением температуры.

2.Значение энергии E _g может быть вычислено из формулы (27): если ее прологарифмировать, то

получим:

ln R = ln A + E _g / 2kT

 

Вводя обозначения: новые переменные lnR = y, 1/T = x и ln A = b, E _g /2k = a (28) - новые постоянные, приходим к зависимости вида y = ax + b.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

 

1.Что является носителями зарядов в металлах, в полупроводниках n и р - типа?

2.Что такое собственная и примесная проводимости полупроводников? За счет чего они

образуются?

3.Как объяснить полученную температурную зависимость сопротивления полупроводников?

(Сравнить с аналогичной зависимостью металлов).

 

ЛИТЕРАТУРА: [6. §166]