Теория лабораторной работы. Количество носителей заряда в полупроводниках существенно зависит от вида

Количество носителей заряда в полупроводниках существенно зависит от вида полупроводника и его температуры. Зонные диаграммы полупроводников и типов приведены на рисунке 10, где - уровень Ферми, а) собственный полупроводник (уровень Ферми посередине запрещённой зоны), б) примесный донорный полупроводник, в) примесный акцепторный полупроводник, – ширина запрещённой энергетической зоны.

В собственных полупроводниках концентрация собственных носителей (электронов и дырок) увеличивается с температурой экспоненциально:

,

где – постоянная величина, – постоянная Больцмана, – абсолютная температура.

Рис. 10.

Прологарифмировав это выражение, получим:

Отсюда видно, что зависимость концентрации носителей от температуры описывается прямой в координатах .

В примесных полупроводниках образование носителей происходит генерацией их как собственно атомами, так и с примесных центров, и поэтому зависимость от температуры носит сложный характер. В общем случае зависимость проводимости от температуры определяется концентрацией и типом примесных центров (акцепторов и доноров), а также типом полупроводника, т.е. шириной запрещённой зоны.

Промышленное использование некоторых типов полупроводниковых приборов основано на зависимости их проводимости от температуры (термисторы).

В качестве рабочего элемента выбираются полупроводники на основе специальных окислов. Вследствие этого температурная зависимость проводимости подобных полупроводников аналогична зависимости для собственных полупроводников и имеет вид:

. (1)

Определяя экспериментально зависимость от T можно определить ширину запрещённой зоны и температурный коэффициент сопротивления термистора.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Схема измерительной установки приведена на рисунке 11.

С помощью обогревателя 1 повышается температура полупроводника 2, контроль температуры осуществляется термопарой 3.

А. Статическая вольт-амперная характеристика снимается путём измерения зависимости тока от напряжения при постоянной температуре. Данные заносятся в таблицу 1.

Сопротивление полупроводника определяется по графику , построенному по данным таблицы 1.

Рис. 11.

Удельное сопротивление и электропроводность определяются с учётом параметров полупроводника (приводятся на стенде).

Таблица 1

№ измерения		I

 

В. Зависимость силы тока от температуры снимается в процессе медленного нагревания полупроводника. Данные заносятся в таблицу 2. Прологарифмировав выражение (1) получим:

. (2)

Таблица 2. № измерения

Из (2) следует, что зависимость представляет собой прямую с наклоном равным , где – ширина запрещённой зоны в эВ, – постоянная Больцмана .

По данным таблицы 2 построить график зависимости от обратной температуры .

С. По результатам измерений и графику рассчитать ширину запрещённой зоны , коэффициент температурочувствительности: , температурный коэффициент сопротивления (TKR) равный:

(3)

Так как TKR зависит от температуры, то необходимо указать температуру, при которой коэффициент определён. Сравнить результат, полученный из (3) с вычислением по формуле:

(4)

Результаты записать в таблицу 3.

Таблица 3

 

Проанализировать результаты, сделать вывод.

Параметры терморезистора: ; .

Контрольные вопросы

1. Объясните механизм проводимости в полупроводниках.

2. Как объясняется электрическое сопротивление полупроводников?

3. Как изменяется (увеличивается или уменьшается) с ростом температуры электрическое сопротивление:

4. - металлов,

5. - полупроводников,

6. - электролитов.

7. Что называется температурным коэффициентом сопротивления? От чего он зависит? Единица измерения?

8. Объясните, как определяются в работе значения сопротивлений при t=0⁰ C.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3-х т. М.: Наука, 1982. Т.1.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Механика. М.: Наука, 1979.

3. Майсова Н.Н. Практикум по курсу физики.- М.: Высш. школа, 1970.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. школа, 1985.

5. Хайкин С.Э. Физические основы механики.- М.: Наука, 1971

6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1985.