Лабораторные / ФТТ и квантовая / Методические указания к лабораторным занятиям ФТТ
.pdf11
где Eпр - энергия активации примеси.
Подвижность определяется в основном рассеянием на примесях. Тогда проводимость
пр пр0 |
|
Eпр |
|
e |
2kT , |
||
где пр0 - коэффициент, не зависящий от температуры.
Логарифмируя последнее выражение, находим
ln |
|
ln 0 |
|
Eпр |
. |
|
|
||||
|
пр |
пр |
|
2kT |
|
(8)
(9)
В координатах ln |
пр |
и |
1 |
получим прямую, образующую с осью абс- |
|
||||
|
T |
|||
цисс угол пр , тангенс которого пропорционален энергии активации примеси
Eпр .
tg |
пр |
|
E |
. |
(10) |
|
|||||
|
|
2k |
|
||
Таким образом, область ab отвечает примесной проводимости полу-
проводника, возникающей вследствие ионизации примесных атомов.
Область bc простирается от температуры истощения примесей TS до температуры перехода к собственной проводимости Ti . В этой области все примесные атомы ионизированы, но еще не происходит заметного возбуждения собственных носителей
АППАРАТУРА, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ Установка выполнена в виде двух функционально законченных блоков;
блока управления и индикации (БУИ) и блока нагревателя (БН). Общий вид установки показан на рис. 5.
На передней панели БУИ размещены органы управления, позволяющие включать и отключать нагреватель и вентилятор, а также фиксировать пока-
12
зания температуры и сопротивления. На блоке нагревателя имеются пере-
ключатели для переключения типа образца (металл - 1,
полупроводник -2,3). Цифрами обозначены следующие органы управления: 1 - клавиша "СТОП ИНД" - фиксация показаний; 2 - клавиша
"Нагрев" - включение и выключение нагревателя; 3, клавиша "вент" - вклю-
чение и выключение вентилятора. В блоке нагревателя; 4 - переключатель типов образцов (положение 1 – металл, положения 2,3 – полупроводник); 5 - клавиша «сеть». Температура и сопротивление образца контролируются по индикаторам "°С " и "Ом, кОм, Для фиксации показаний температуры и сопротивления необходимо нажать клавишу 1, при этом на индикаторах ус-
тановится значение, соответствующее моменту нажатия. Для нагрева образ-
цов необходимо нажать клавишу 3 "Нагрев". При включенном нагревателе на панели загорается индикатор "Нагрев". Пределы измерения устанавливаются автоматически.
БУИ БН
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|||||||||||||||
Рисунок 5 – Общий вид установки МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Включить тумблер "Сеть" на БУИ и нажать клавишу "Сеть" на БН.
При этом должны загореться индикаторы "Сеть".
2.Переключить тумблер 4 на БН в положение 1, т.е. подключить металлический образец.
3.Включить нагрев образца клавишей 2 "Нагрев" и наблюдать по
13
индикатору температуры нагрев образца.
4. Снять показания индикаторов температуры и сопротивления с шагом 5°С до максимальной температуры 120°С. Результаты занести в таблицу 1.
Таблица 1
Номер |
1 |
2 |
3 |
…… |
|
|
|
|
|
t, град Цельсия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.По достижении 120°С выключить нагрев образца клавишей 2 и
нажать клавишу 3 "вент". Снять показания температуры и сопротивления металлического образца при остывании с шагом 5 градусов от максимальной температуры до 30 град Цельсия. Результаты занести в таблицу 1.
6.Переключить тумблер 4 и повторить эксперимент для образца 2
или 3 по указанию преподавателя, занося данные в таблицу 2.
Таблица 2
Номер |
1 |
2 |
3 |
….. |
|
|
|
|
|
t, град Цельсия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T 1, K-1 |
|
|
|
|
R, кOм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lnR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.Нажатием тумблера и клавиши "Сеть" отключить установку.
8.По данным таблицы 1 построить зависимость lnR f t . Экстрапо-
ляцией определить значение R0 :
l R
9.По формуле , вычислить значение температурного ко-
R0 T
эффициента сопротивления металла и оценить его погрешность. По
14
известным табличным значениям температурного коэффициента сопротивления определить, какой это металл.
10. По результатам вычислений, сведенных в. таблицу 2, построить
1
график lnR f .
T
1
11. По виду графика lnR f определить тип полупроводника
T
(собственный или примесный) - Выделить прямолинейные участки.
12. По формулам E 2k tg |
и Ef |
|
1 |
E рассчитать ширину запре- |
|
||||
|
|
2 |
|
|
щенной зоны, энергию ионизации атомов примеси (для примесного полупро-
водника), энергию Ферми (для собственного полупроводника).
ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ
1. Объяснить с точки зрения зонной теории различное поведение элек-
тропроводности металлов и полупроводников при изменениях температуры. 2. Что такое температурный коэффициент сопротивления металла?
З. Что представляет собой зонная структура металла и полупроводни-
ка?
4. Каковы особенности собственной и примесной проводимости полу-
проводников?
5. Что такое энергия Ферми?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРА
1. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.:
Наука, Высшая школа, 1999.
2. Савельев, И.В. Курс общей физики, Т. 3 / И.В. Савельев. – М.: Лань,
2007.
3. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Издательский центр «Академия», 2001.
15
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.1.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить температурную зависимость сопротивления металлов и полупроводников. Измерение температурной зависимости элек-
тропроводности меди и германия в диапазоне температур ~ 300-400 К.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ Смотреть лабораторную работу 8.1
АППАРАТУРА, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ Общий вид установки показан на рис. 5. На передней панели установки
размещены органы управления, позволяющие включать и отключать нагре-
ватель, переключатели для переключения типа образца (металл, полупровод-
ник) и датчики фиксации показаний температуры и сопротивления. 6
нагрев
Т Ω,kΩ
металл п/п |
сеть |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 8 1
Рисунок 5 – Общий вид установки
Цифрами обозначены следующие органы управления: 6 – клавиша "На-
грев" – включение и выключение нагревателя; 8 – переключатель типов об-
разцов (левый – металл, правый – полупроводник). Температура и сопротив-
ление образца контролируются по индикаторам – 1 и – 2.
Принципиальная схема показана на рис. 6. 4 – медный образец; 5 – германиевый образец; 7 – печь.
16
4 5 6
Ω |
3 |
1 |
2 |
7
8
Рисунок 6 – Принципиальная схема установки МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Нажать клавишу "Сеть". При этом должен загореться индикатор
"Сеть".
2. Переключить тумблер 8 в положение металл, т.е. подключить метал-
лический образец.
3. Включить нагрев образца клавишей 6 "Нагрев" и наблюдать по ин-
дикатору температуры нагрев образца.
4. По достижении максимального значения температуры выключить нагрев образца клавишей 6. Снять показания температуры и сопротивления металлического образца и полупроводника при остывании с шагом 5 граду-
сов от максимальной температуры до 30 град Цельсия. Результаты занести в таблицу 3.
Таблица 3.
Номер |
1 |
2 |
3 |
…… |
|
|
|
|
|
t, град Цельсия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Нажатием тумблера и клавиши "Сеть" отключить установку.
17
6. По полученным экспериментальным результатам необходимо по-
строить зависимость сопротивления металла от температуры R f T и про-
1
водимости полупроводника от температуры lnR f .
T
1
7. По виду графика lnR f определить тип полупроводника (соб-
T
ственный или примесный) – выделить прямолинейные участки.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ
1.Объяснить с точки зрения зонной теории различное поведение элек-
тропроводности металлов и полупроводников при изменениях температуры. 2.Что такое температурный коэффициент сопротивления металла.
З.Что представляет собой зонная структура металла и полупроводника. 4.Каковы особенности собственной и примесной проводимости полу-
проводников?
5.Что такое энергия Ферми.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРА
1. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М.: Нау-
ка, Высшая школа, 1999.
2. Савельев, И.В. Курс общей физики, Т. 3 / И.В. Савельев. – М.: Лань,
2007.
3. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Издательский центр «Академия», 2001.
18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получение вольтамперных характеристик фотосопро-
тивления при различной освещенности; получение зависимости проводимо-
сти полупроводника от освещенности.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Внутренний фотоэффект
При освещении полупроводника в нем возможно перераспределение электронов по энергетическим состояниям и увеличение концентрации носи-
телей заряда. Это явление называют внутренним фотоэффектом.
Под воздействием света электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости (рис. 7а).
Ec |
|
Ec |
|
|
EД |
||
|
|
||
|
hν |
∆Eg |
|
Ev |
Ev |
||
|
Ec hν 
∆EД
∆EА |
hν |
EА |
Ev |
а б в
Рисунок 7 – Внутренний фотоэффект в собственных и примесных по-
лупроводниках
Для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости необ-
ходимо сообщить ему энергию, равную или большую энергии запрещенной зоны. Энергия фотона h должна быть равной или большей Eg , т.е.
h Eg .
В полупроводнике n-типа возможен переход электронов с примесных
19
уровней в зону проводимости (рис. 7б). Энергия фотона в этом случае
h EД .
В полупроводнике p-типа фотоны возбуждают переходы электронов из
валентной зоны на уровень акцепторов. Энергия фотона h EA (рис. 7в).
Электропроводность полупроводника, обусловленную фотоэффектом,
называют фотопроводимостью.
Полная электропроводность полупроводника складывается из тем-
новой проводимости тем , осуществляемой равновесными носителями заря-
да, и фотопроводимости фот:
тем фот . |
(11) |
Роль фотопроводимости в общей электропроводности тем больше, чем ниже температура (при условии Т 0 К ), т.е. чем ниже темновая электро-
проводность.
Оптические свойства полупроводников
Рассмотрим зависимость коэффициента поглощения K полупроводни-
ков от частоты оптического излучения (рис. 8). K
Поглощение
0
E
Рисунок 8 – Кривая оптического поглощения Очевидно, что собственный полупроводник будет поглощать в интер-
вале частот, соответствующих условию h Eg , и не поглощать, если
20
h Eg .
Поглощение полупроводников можно изменять, вводя легирующие примеси, которые увеличивают поглощение в области низких частот, кото-
рые соответствуют энергиям значительно меньше Eg (материалы n-типа или р-типа).
АППАРАТУРА, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
mA
3 6
V
1 |
2 |
4 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 9 – Принципиальная схема установки |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
6 |
|
|
V |
mA |
E E |
E |
E |
E |
E |
2 1 3
Рисунок 10 – Передняя панель установки
Для получения вольтамперной характеристики фотосопротивления при различной освещенности используется установка, принципиальная схема и