- •Министерство сельского хозяйства российской федерации
- •Введение
- •Лабораторная работа № 1 Изучение электростатического поля методом моделирования
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •3.1 Задание 1 Фокусировка электронного луча и регулирование его положения на экране
- •3.2 Задание 2 Определение чувствительности осциллографа и чувствительности электроннолучевой трубки
- •3.3 Задание 3 Наблюдение формы различных сигналов и измерение входного напряжения
- •3.4 Задание 4 Получение фигур Лиссажу и определение частоты исследуемого сигнала
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 Изучение принципа работы электронных ламп и определение характеристик вакуумного триода
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 Изучение электропроводности жидкостей и определение электрохимического эквивалента меди
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Библиографический список
4 Контрольные вопросы
4.1 Что представляет собой ток в металлах?
4.3 Как зависит сопротивление металлического проводника от температуры?
4.4 Как зависит сопротивление проводника правильной формы от его размеров?
4.5 Какими причинами обусловлено сопротивление проводников?
Лабораторная работа № 4
Изучение температурной зависимости сопротивления
полупроводника
Цель и задача работы: Изучение теории проводимости полупроводниковых материалов, получение экспериментальной зависимости сопротивления полупроводника от температуры и определение энергии активации электрона (ширины запрещенной зоны).
1 Общие сведения
В отличие от металлических проводников, сопротивление полупроводников уменьшается ростом температуры. Это объясняется современной физикой твердого тела, где обосновано, что в твердом теле энергетические уровни отдельных атомов объединяются в систему близко расположенных уровней, называемых разрешенными энергетическими зонами. Разрешенные зоны разделены запрещенными зонами ─ интервалами энергии, которой не могут обладать электроны в данном кристалле.
В полупроводнике при температуре 0 К все зоны, в которых имеются электроны, полностью заполнены, и он является диэлектриком. При повышении температуры некоторые электроны в зоне, заполненной валентными электронами (валентная зона), могут получить избыточную энергию , достаточную для перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Энергияназывается энергией активации. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости ведет к образованию в валентной зоне вакантного места, соответствующего положительному заряду и получившего название дырка. Химически чистые, беспримесные полупроводники называются собственными, концентрации электронови дырокв них одинаковы.
На рисунке 1 приведена диаграмма энергетических зон собственного полупроводника. Электрические свойства полупроводников обусловлены валентными электронами в валентной зоне V, которая отделена запрещенной зоной Z от следующей разрешенной зоны C, называемой зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны Z у полупроводников составляет примерно 1 эВ.
Рисунок 1 Диаграмма энергетических зон для собственного
полупроводника: С – зона проводимости; Z – запрещенная зона;
V – валентная зона; WC - минимальная энергия электрона в зоне проводимости; WF - уровень Ферми; WV – максимальная энергия электронов в валентной зоне; Wa – энергия активации
В собственных полупроводниках концентрация электронов в зоне проводимости и соответственно дырокв валентной зоне определяется формулой:
, (1)
где - собственная концентрация носителей заряда; - энергия Ферми (уровень Ферми) для данного полупроводника;Т – абсолютная температура; - постоянная Больцмана,.
Уровень Ферми в собственных полупроводниках расположен в середине запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости, т. е.:
. (2)
Подставив (2) в (1), получим концентрацию носителей заряда:
. (3)
При помещении полупроводника в электрическое поле в нем появляется электрический ток, образованный движением электронов, попавших в зону проводимости, и дырок, имеющихся в валентной зоне. Плотность тока зависит от концентрации электронов и дырок, величины их зарядаи средней скоростиих направленного движения и определяется формулой:
, (4)
где индексы иотносятся соответственно к электронам и дыркам. Так как в собственных полупроводниках концентрациии, то (4) можно переписать:
. (5)
Плотность тока связана с удельной электропроводностью законом Ома в дифференциальной форме:
(6)
где - удельное электрическое сопротивление; - напряженность электрического поля.
Обозначим удельную электропроводность при температуре 0К,:
. (7)
Из выражений (5), (6) и (7) найдем что:
. (8)
Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью. С точки зрения зонной теории это обстоятельство объясняется так: с повышением температуры растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, соответственно растет и число дырок, что увеличивает концентрацию заряженных частиц, участвующих в создании электрического тока.