4.4.4. Содержание отчета по работе Отчет по работе должен содержать следующую информацию:

1. Название и цель работы.

2. Основные теоретические положения.

3. Последовательность проведения эксперимента.

4. Расчет характеристик, построение графиков, таблица результатов 8.

5. Вывод по работе.

6. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Классификация полупроводников

2. В чем сущность эффекта Холла?

3. Какой смысл имеет постоянная Холла?

4. Какие электрофизические свойства полупроводников можно исследовать с помощью эффекта Холла?

5. Почему под действием силы Лоренца электроны и дырки отклоняются в одну сторону?

6. Какие физические процессы определяют величину подвижности носителей заряда в полупроводниках?

7. Как объяснить природу возникновения дополнительной ЭДС, возникающей при исследовании эффекта Холла?

8. Как определить доминирующий механизм рассеяния носителей заряда?

9. В чем сущность эффекта Холла в полупроводниках со смешанным типом приводимости?

Библиографический список

к лабораторной работе № 4

1. Филиков В.А. Электротехнические и конструкционные материалы / В.А. Филиков, В.Н. Бородулин, В.Н. Матюнин, А.С. Воробьев – М.: «Академия», 2009. – 280 с.

2. Абрамов В.Б. Автоматизированная лабораторная установка для исследования свойств полупроводниковых материалов / В.Б. Абрамов., И.А. Аверин, О.В. Карпанин, С.П. Медведев, А.М. Метальников, Р.М. Печерская – Пенза, ПГУ, 2008, – 35 с.

Лабораторная работа № 5

Исследование проводниковых материалов

Цель работы

1. Изучить процессы, протекающие в проводниках в электрическом поле.

2. Исследовать основные свойства проводников по температурным зависимостям проводимости.

5.1. Основные теоретические положения

Электроны в металлах

Проводники электрического тока могут быть твердыми телами, жидкостями, а при выполнении ряда условий − и газами.

К твердым проводникам относятся металлы (металлические материалы) − немолекулярные гомо- и гетероядерные химические соединения и материалы на их основе с преобладанием в них металлической компоненты связи над ковалентностью (и ионностью) в виде кристаллических тел, характеризуемые комплексом специфических свойств (высокая электро- и теплопроводность, положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, непрозрачность и металлический блеск, способность к пластической деформации.

По величине удельного сопротивления  металлические проводники делятся на следующие группы:

– сверхпроводники;

– криопроводники;

– металлы и сплавы с высокой удельной проводимостью ;

– металлы и сплавы со средним значением ;

– металлы и сплавы с высоким значением .

Металлические проводники – основной тип проводниковых материалов, применяемых в микроэлектронике. Согласно классической электронной теории в металлах есть электронный газ, представленный свободными электронами. Именно электрон в металле переносит электрический заряд. Под действием электрического поля электроны приобретают направленное (хаотическое) движение, что получило выражение в законе Ома, законе Джоуля–Ленца.

Плотность тока j в проводнике при средней скорости теплового движения электрона V_T, средней длине свободного пробега l_ср пропорциональна напряженности электрического поля E (с учетом, что при движении электроны соударяются с узлами кристаллической решетки):

(5.1)

(5.2)

где, m₀ – масса покоя электрона, γ – электропроводность проводника

Электроны обладают определенным значением энергии, тем самым распределяются по энергетическим состояниям (уровням). В квантовой теории максимальное значение энергии, которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля называют энергией Ферми или уровнем Ферми. Поскольку концентрация свободных электронов в металле велика, энергия Ферми также оказывается высокой и в типичных случаях составляет 3–15 эВ. Таким образом электроны, расположенные в глубине от уровня Ферми, не могут обмениваться энергией с кристаллической решеткой металла.

Электронный газ в металлах при обычной температуре является «вырожденным». В состоянии вырождения средняя энергия электронного газа практически не зависит от температуры. Электронный газ в металле остается вырожденным до тех пор, пока любой из электронов не сможет обмениваться энергией с кристаллической решеткой, а это, в свою очередь, возможно лишь тогда, когда средняя энергия тепловых колебаний станет близкой к энергии Ферми. Для металлов температура снятия вырождения T_F по порядку величины составляет 10⁴ К, т.е. превышает не только температуру плавления, но и температуру испарения металлов.

Вследствие вырождения в процессе электропроводности могут принимать участие не все свободные электроны, а только небольшая часть их, имеющая энергию, близкую к энергии Ферми. Только эти электроны способны изменять свои состояния под действием поля. Электрический ток, возникающий в металле под влиянием разности потенциалов, отражает изменения в распределении электронов по скоростям. В соответствии с квантовой статистикой это распределение является производным от распределения по энергиям. Под действием электрического поля происходит рассеяние электронов под большими углами в процессе их упругих столкновений с узлами решетки. В результате этого возникает избыток быстрых электронов, движущихся против поля, и дефицит быстрых электронов с противоположным направлением скорости.

Ускоряясь полем на длине свободного пробега, свободные электроны в металле (и быстрые и медленные) приобретают добавочную скорость направленного движения.

При изменении температуры энергия Ферми W_F изменяется незначительно, что является спецификой вырожденного состояния электронного газа. Например, при нагревании серебра от 0 до 1000 К энергия Ферми у него уменьшается лишь на 0,2 %. Столь малые изменения в таком широком температурном диапазоне можно не учитывать.

Таким образом, проводимость определяется, в основном, средней длиной свободного пробега электронов, которая, в свою очередь, зависит от структуры проводника, т.е. химической природы атомов, элктронно-ядерной структурной организации и типа кристаллической решетки.