Федеральное Агентство по образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра физики

ОТЧЕТ

Лабораторная работа по курсу "Общая физика"

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ПОЛУПРОВОДНИКА ПО ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ОБРАТНОГО ТОКА ДИОДА

Преподаватель Студент группы 645-1

___________ /____________. / __________ / ____________ /

___________200_ г. __________ 200_ г.

200_

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является исследование температурной зависимости обратного тока диода и определение ширины запрещенной зоны полупроводника.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Э кспериментальная установка состоит из нагревателя, в котором находится германиевый диод, термометра для измерения температуры и электрической схемы. Электрическая схема включения диода представлена на рис. 2.1. Она состоит из понижающего трансформатора Т, выпрямителя V1-V4 и микроамперметра P1 для измерения тока через исследуемый диод V5.

Рисунок 2.1 - Электрическая схема экспериментальной установки.

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

,

Абсолютные погрешности измерений

, где - системная погрешность термометра

, где - системная погрешность амперметра

где J_обр- обратный ток диода, k-коэффициент Больцмана, Дж/К, Т – абсолютная температура, -ширина запрещенной зоны.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ АНАЛИЗ.

Таблица 4.1 – Результаты прямых и косвенных измерений.

Т, К	1/Т·10-3, К-1	Iобр мкА	ln Iобр	σ(ln Iобр)·10-3	σ(1/T)·10-6, К-1
304	3,289	680·10-6	-21,109	1,471	10,82
312	3,205	1,43·10-3	-20,366	6,993	10,27
320	3,125	2,77·10-3	-19,704	3,61	9,766
330	3,03	5,96·10-3	-18,938	1,678	9,181
341	2,932	13·10-3	-18,158	7,692	8,597
350	2,857	24,3·10-3	-17,533	4,115	8,162
360	2,777	47,9·10-3	-16,854	2,088	7,712
371	2,695	95,8·10-3	-16,161	1,044	7,263
380	2,631	166·10-3	-15,611	6,024	6,922
390	2,564	285·10-3	-15,071	3,509	6,574

Системные погрешности приборов:

=1 К

=0,001÷1 нА

По полученным результатам построим график зависимости

ln I_обр=f(1/T).

Найдем ширину запрещенной зоны

5. ВЫВОДЫ

Исследована зависимость обратного тока германиевого диода от температуры и вычислена ширина запрещенной зоны германия

6. ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков смысл понятий «валентная зона», «зона проводимости», «запрещенная зона»?

Валентная зона – самая высшая энергетическая область разрешенных электронных состояний в твердом теле. В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0 К все энергетические состояния заняты и все электроны находятся в валентной зоне. Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и образование дырок может осуществиться за счет внешних источников энергии, например, теплового воздействия, поглощения материалом энергии света, энергии потока электронов и ядерных частиц, энергии электрических и магнитных полей и т. Д

Зона проводимости - частично заполненная или пустая (при абсолютном нуле температуры) верхняя разрешенная энергетическая зона в электронном спектре твердого тела. Заполнение зоны проводимости может начаться, только если электроны в валентной зоне получат дополнительную энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера, равного ширине запрещенной зоны. Электроны, попавшие в зону проводимости, обусловливают электропроводность тела.

Запрещенная зона - область значений энергий в энергетическом спектре кристалла, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле. Запрещенная зона отделяет одну разрешенную зону от другой. Физические свойства кристаллов определяются в основном верхними зонами, еще содержащими электроны. У полупроводников и диэлектриков под запрещенной зоной обычно понимают энергетический интервал, отделяющий валентную зону от проводимости зоны, так как ее ширина  определяет электрические и оптические свойства кристаллов.

2. Что такое «дырка» с точки зрения зонной теории?

Дырка - квантовое состояние, не занятое электроном. Термин «дырка» применяется в зонной теории твердого тела, как вакантное состояние в разрешенной заполненной зоне. Дырка — положительно заряженный носитель заряда в полупроводнике.

3. Каков физический смысл уровня Ферми?

Уровень Ферми соответствует значению энергии, ниже которой при температуре абсолютного нуля Т=0 К, все энергетические состояния системы частиц, подчиняющихся Ферми — Дирака статистике, заняты, а выше — свободны.

4. Каким образом создается в полупроводниках p- или n-типа проводимость?

Электронная (n-типа) проводимость образуется при введении в собственный полупроводник донорной примеси. Донорами являются атомы пятой группы таблицы Менделеева (например, P, As, Sb). Дырочная или проводимость р-типа образуется при введении в полупроводник акцепторной примеси. Акцепторная примесь – атомы трехвалентных элементов (например, Al, Zn, Ga).

5. Объясните механизм электропроводности собственных и примесных полупроводников.

Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, т. е. появляется только под действием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и т. д.) Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда.В полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются химическая чистота материала и температура. В зависимости от чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. Так как в полупроводниках запрещенная зона не очень широкая, в собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости абсолютно свободна: он не обладает электропроводностью и ведет себя подобно идеальному диэлектрику. При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется конечная вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых флуктуаций (неравномерного распределения тепловой энергии между частицами) преодолеют потенциальный барьер и окажутся в зоне проводимости. Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости зависит от температуры и ширины запрещенной зоны. В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки  в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом и некоторой эффективной массой. Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда (электронов и дырок). Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно идет и обратный процесс, процесс рекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электронов в валентную зону с исчезновением пары носителей заряда. В результате протекания двух конкурирующих процессов в полупроводнике при любой температуре устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов и дырок, которые равны друг другу в собственном полупроводнике (равновесная концентрация электронов n_i = равновесной концентрации дырок p_i)

Электрофизические свойства примесного полупроводника определяются в первую очередь типом и концентрацией примеси, которая создает дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные энергетические уровни являются дискретными, т. е. не расщепляются в зону, как это имеет место для уровней основных атомов кристаллической решетки. Роль дискретных уровней могут играть и всевозможные дефекты структуры, в первую очередь, вакансии и междоузельные атомы. Примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей -донорными уровнями. Основными носителями тока в таких полупроводниках являются электроны, возникает электронная проводимость. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями. Основные носители заряда в таких полупроводниках - дырки. В них наблюдается дырочная проводимость. В полупроводниках всегда присутствуют оба типа носителей заряда. Основными называют носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, неосновными - носители заряда, концентрация которых меньше. В полупроводнике n - типа основные носители заряда - электроны, неосновные - дырки, в полупроводнике p-типа дырки - основные, а электроны - неосновные.  Если в полупроводнике n - типа увеличить концентрацию доноров, то возрастет число электронов, переходящих в единицу времени с примесных уровней в зону проводимости. Соответственно возрастет скорость рекомбинации носителей заряда и уменьшится равновесная концентрация дырок. Характерная особенность полупроводников — рост электропроводности с увеличением температуры — обусловлена ростом концентрации носителей при увеличении температуры.