Обложка

Изучение температурной зависимости полупроводников и металлов

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 6.5

по дисциплине «Физика»

Владивосток

2014

Титул

Министерство образования и науки Российской Федерации

Дальневосточный федеральный университет

Школа естественных наук

Изучение температурной зависимости полупроводников и металлов

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 6.5

по дисциплине «Физика»

Владивосток

Дальневосточный федеральный университет

____________________________________________________________________________________________________________

Оборот титула

УДК 53 (о76.5)

ББК 22. 343

Э41

Составитель: О.В.Плотникова

Изучение температурной зависимости полупроводников и металлов Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 6.5 по дисциплине «Физика»/ Дальневосточный федеральный университет, Школа естественных наук [сост. О.В.Плотникова]. – Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2014. - с.

Пособие, подготовленное на кафедре общей физики Школы естественных наук ДВФУ, содержит краткий теоретический материал по теме «Электрический ток в металлах и полупроводниках» и инструктаж к выполнению лабораторной работы «Изучение температурной зависимости полупроводников и металлов» по дисциплине «Физика».

Для студентов-бакалавров ДВФУ.

УДК 53 (о76.5)

ББК 22. 343

©ФГАОУ ВПО «ДВФУ», 2014

Цель работы: изучить электрические свойства металлов и полупроводников, построить графики зависимости сопротивления от температуры у металлов и полупроводников, определить температурный коэффициент сопротивления металлов и ширину запрещенной зоны у полупроводников.

Краткая теория

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Проводники – это вещества, содержащие в большом количестве свободные заряды. К проводникам относятся, прежде всего, металлы, в которых носителями заряда являются свободные электроны. В диэлектриках (изоляторах) свободные заряды отсутствуют, или их очень мало. Полупроводниками называют вещества, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами.

От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом и т.п., то есть дополнительным источником энергии. Вблизи абсолютного нуля полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

Полупроводники - это материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач. В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов.

ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ПРОВОДИМОСТИ

Изолированные атомы характеризуются определенной системой энергетических уровней. В твердом теле, где атомы, образующие кристаллическую решетку, находятся на близких расстояниях, необходимо учитывать их взаимодействие. Оно приводит к расщеплению каждого энергетического уровня на столько уровней, сколько имеется взаимодействующих атомов. Эти новые уровни расположены очень близко друг к другу и образуют энергетическую зону. Зона может быть заполнена электронами полностью либо частично, возможны и пустые зоны (на верхних уровнях). Эти зоны, объединяющие допустимые значения энергии, называются разрешенными, причем на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов (принцип Паули). Разрешенные зоны отделены друг от друга энергетическими интервалами, в которых электрон не может находиться, называемыми запрещенными зонами.

Разрешенная зона, содержащая значения энергии, соответствующие валентным электронам в основном состоянии атома, называется валентной. Более высокие разрешенные зоны свободны от электронов.

Степень заполнения валентной зоны электронами и ширина запрещенной зоны являются критерием, позволяющим отнести твердое тело к проводнику, полупроводнику или диэлектрику. В металлах, например, валентная зона частично заполнена электронами, являясь, таким образом, зоной проводимости. Достаточно сообщить электрону совсем небольшую энергию (порядка 10 ^-22 эВ), чтобы перевести его на более высокий уровень. Эту энергию можно сообщить, действуя на электрон электрическим полем.

У полупроводников и диэлектриков валентная зона заполнена полностью, поэтому, чтобы перевести электрон на более высокий уровень, надо перебросить его в свободную зону, то есть сообщить ему энергию не меньшую, чем ширина запрещенной зоны, расположенной между валентной и соседней свободной зоной. У полупроводников ширина запрещенной зоны невелика (порядка нескольких десятых эВ). Поэтому может быть легко осуществлен переброс части электронов в свободную зону за счет энергии внешнего источника (нагревание, облучение). Свободная зона станет для них зоной проводимости. Одновременно станет возможным переход электронов в валентной зоне, поскольку в ней освобождаются верхние уровни, возникают вакансии (дырки).

Если же ширина запрещенной зоны велика (более 2 эВ), то энергии теплового движения оказывается недостаточно, чтобы забросить в свободную зону заметное число электронов, и вещество относится к диэлектрикам.

СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

К полупроводниковым материалам относится большинство минералов, неметаллические элементы IV, V, VI групп периодической системы Менделеева, неорганические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, органические красители. Примером могут служить кремний, германий. Их кристаллическая решетка представляет собой тетраэдр, по вершинам которого расположены четыре атома, окружающие атом, находящийся в центре тетраэдра. Здесь каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентной связью, так как каждый из них имеет четыре внешних валентных электрона.

При температурах около абсолютного нуля в идеальном кристалле кремния или германия все ковалентные связи заполнены, а все электроны связаны с атомами и не могут участвовать в процессе электропроводности. Чтобы электрон мог являться носителем электрического тока, нужно затратить некоторую работу для его освобождения из ковалентной связи.

Это происходит при нагревании или освещении кристалла. Инфракрасное и видимое излучение, как известно, представляет собой поток частиц - фотонов, или квантов. Если энергия фотона больше или равна энергии разрыва связи, то электрон может стать свободным и сможет принимать участие в процессе электропроводности. С точки зрения зонной теории происходит переход электронов из заполненной валентной зоны в зону проводимости. При этом вместо ушедшего электрона в кристалле появляется незаполненная связь. Вакансия, называемая «дыркой», может быть занята электроном из другой какой-нибудь связи. Она при этом в ранее заполненной зоне образуется дырка. Таким образом, незаполненная связь или дырка может перемещаться по кристаллу. Эта незаполненная связь эквивалентна положительной частице, двигающейся по кристаллу под действием внешнего электрического поля. Очевидно, что в идеальном кристалле количество дырок будет равно количеству свободных электронов.

С прекращением освещения либо нагревания электропроводность кристалла начнёт уменьшаться, так как электроны, которые освободились, получив дополнительную энергию, будут опять задействованы в связях, т.е. произойдёт рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс продолжается в течение тысячных долей секунды или меньше, и кристалл снова перестаёт проводить электрический ток.

Наименьшая энергия, которая необходима для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, определяет собой величину энергетического интервала между этими двумя зонами, то есть ширину запретной зоны.

В идеальных кристаллах, где количества электронов и дырок равны, проводимость называется собственной. Сопротивление идеальных кристаллов называют собственным сопротивлением полупроводника. Так как удельное сопротивление идеальных кристаллов полупроводников зависит только от температуры, то величина его может служить характеристикой данного полупроводника. Например, для кремния при 300°К собственное удельное сопротивление равно 63600 омсм (636 омм), а для германия при той же температуре 47 омсм (0.470омм).