Лещенко Т.Г. Фізика 36

^{(Дата виконання)}

Лабораторна робота № 1

Дослідження температурної залежності

електропровідності твердих тіл

(Дослідження залежності опору напівпровідника від температури.)

Мета роботи: 1. Познайомитися з роботою терморезистора.

2. Навчитись знімати температурну характеристику

терморезистора.

Обладнання:

1. Терморезистор на колодці.

2. Омметр М-471 або прилад Ц4323.

3. Термометр лабораторний від 0^о до 100 ^оС з поділками 1 ^оС.

4. Нагрівник електричний або електроплитка лабораторна.

5. Висока склянка з льодом.

6. Джерело електроживлення для практикуму ИЗПП-1.

7. Комплект проводів з’єднувальних.

Схема дослідження.

Рис.1

Теоретичні відомості.

Напівпровідники – це широкий клас речовин, які за своєю електропровідністю займають проміжне положення між металами та діелектриками.

Основні властивості напівпровідників такі:

а) їх електропровідність і концентрація носіїв струму дуже залежить від зовнішніх впливів ( температури, домішок, опромінення та ін.);

б) з підвищенням температури електропровідність електропровідників зростає і не пов’язана з перенесенням речовини ( їх провідність має електронний та дірковий характер).

Властивості кристалічних напівпровідників задовільно пояснюються зонною теорією твердого тіла. Енергетичний спектр електронів в напівпровідниках зумовлений їх взаємодією не тільки з своїм атомом, а й з сусідніми. Це приводить до утворення так званих енергетичних зон (дозволених та заборонених). Ширина дозволених зон становить кілька електрон-вольт. Кожна з дозволених зон складається з великого, але скінченого числа енергетичні рівні яких утворюють дану зону.

З она, яка містить N рівнів, може згідно з принципом Паулі містити 2N електронів. Зона, що складається з повністю заповнених електронами рівнів, називається валентною.

Зона, для якої не всі рівні зайняті електронами, називається вільною або зоною провідності (рис.3а).

Якщо зона валентна відділена від зони провідності інтервалом енергії W (ширина забороненої зони) порядку 1 еВ або менше, то при кімнатних температурах 1 вище для чистих кристалів є характерною помітна електропровідність, зумовлена рухом електронів в зоні провідності 1 дірок у валентній зоні. Такі чисті речовини з вузькою забороненою зоною називаються власними напівпровідниками.

У напівпровідників при Т=0К валентна зона повністю заповнена електронами, а зона провідності повністю вільна (рис.3б).

З підвищенням температури інтенсивність теплового руху зростає і електрон може дістати додаткову кінетичну енергію (порядку КТ) для переходу в зону провідності. У валентній зоні звільняються квантові стани, не зайняті електронами. Такі валентні стани називаються дірками. Провідність, зумовлену рухом дірок у валентній зоні, називають дірковою провідністю p- типу на відміну від звичайної електронної провідності n-типу. (Дійсними носіями струму є електрони, а не формально введені дірки).

Напівпровідники з електронною і дірковою провідностями називаються власними. Введення в чистий напівпровідник (Ge, Si, Ga, As) певних домішок дістають домішкову провідність n- або p- типу. Наприклад, індій захоплює електрони германію Ge зі стану 1 (валентної заповненої зони), створюючи вакансії – “дірки”, які поводять себе як позитивні носій струму.

Провідність Ge з вкрапленням індію різко зростає. Індій приймає електрони і тому його звуть акцептором.

Якщо ввести в германій сурму Sb, то вона віддає свої зовнішні електрони, які перейдуть у зону провідності 2 германію і створять n – провідність (електронну провідність).

Одна з ознак напівпровідників, якою вони відрізняються від металів, - залежність їх питомої провідності від температури. При низьких температурах питома провідність, при абсолютному нулі напівпровідник перетворюється на ізолятор. При високих температурах електропровідність напівпровідників наближається до електропровідності металів. Наприклад, при кімнатній температурі питомий опір кремнію має величину 6 · 10² Ом·м, а при температурі 973К – 10^-3 Ом·м.

Валентні електрони напівпровідників набагато міцніше зв’язані з атомами ядра, ніж в металах. Тому взаємодія атомів у напівпровідниках ще не достатня для відриву електронів від атомів.

Питома провідність чистих напівпровідників виражається формулою

(1)

де ΔW – ширина забороненої зони, енергія активації;

А – стала, яка залежить від природи напівпровідника;

k – стала Больцмана, яка дорівнює k=1,38·10^-23 Дж/К.

Позначимо сталу А = ₀, тоді

, (2)

Прологарифмуємо це рівняння:

(3)

Отже, логарифм електропровідності напівпровідників є функцією від величини .

Зв'язок між електричним опором та електропровідністю: