6 Вказівки із оформлення звіту

Звіт повинен містити:

6.1 Рішення задач.

6.2 Відповіді на контрольні запитання.

7 Контрольні запитання

7.1 Що називають питомим опором матеріалу? В яких одиницях він вимірюється?

7.2 Які фактори впливають на значення питомого опору матеріалу?

7.3 Як визначається питомий опір провідника довільних розмірів?

7.4 Що називають питомою провідністю. Одиниці вимірювання?

7.5 Що показує температурний коефіцієнт питомого опору.

7.6 Які матеріали високої провідності ви знаєте, де їх застосовують?

7.7 Що таке біметалічний провідник? З якою метою він використовується?

Практичне заняття № 6

Тема:” Властивості та характеристики напівпровідникових матеріалів ”

1 Мета заняття

Вивчити основні властивості та область застосування напівпровідників.

2 Програма заняття

2.1 Вивчити загальні властивості та характеристики напівпровідникових матеріалів.

2.2 Вивчити призначення та область застосування напівпровідників

3 Вказівки із підготовки до практичного заняття

1. Вивчити теоретичний матеріал [1, с. 69-71; 2, с. 265-290; 3, с.283-292; 4. с. 99-105; 5. с.197-213].

2. Дати відповіді на контрольні запитання.

4 Загальні відомості

Напівпровідники – це речовини та матеріали, що за значенням питомого опору, яке знаходиться в діапазоні від 10^-6 до 10⁹ Омм, займають проміжне місце між металами та діелектриками. За шириною забороненої зони до напівпровідників відносяться матеріали, для яких це значення дорівнює від 0,1 до 3,0 еВ.

Напівпровідники мають декілька характерних лише для них властивостей, що відокремлюють їх від провідників, а саме:

- у значному інтервалі температур їх опір зменшується, тобто вони мають від’ємний температурний коефіцієнт питомого опору;

- при введені до напівпровідника навіть незначної кількості домішок їх питомий опір суттєво змінюється;

- напівпровідники значно чутливі до різного роду зовнішнього впливу: освітлення, температури, тиску, деформації, ядерного випромінювання тощо.

За хімічним складом напівпровідники поділяються на прості та складні, природні та синтетичні, органічні та неорганічні.

За агрегатним станом вони можуть бути рідкими або твердими, за структурою речовини – кристалічними або аморфними. Відповідно до кристалічної структури напівпровідники поділяють на 2 групи: монокристали та полікристали. До першої групи можна віднести германій, кремній та інші. До другої групи - селен, карбід кремнію тощо.

Найважливішими параметрами напівпровідників є: питома електрична провідність, концентрація електронів та дірок, температурний коефіцієнт питомого опору, ширина забороненої зони, енергія активації домішок, коефіцієнт дифузії носіїв заряду та інше.

До фундаментальних параметрів відносяться щільність, постійна кристалічної решітки, коефіцієнт теплопровідності, температура плавлення.

Як і в металах електричний струм в напівпровідниках пов’язаний із рухом носіїв заряду, але на відміну від металів поява носіїв заряду в напівпровідниках визначається рядом факторів, найважливішими серед яких є чистота матеріалу та температура. В залежності від ступеня чистоти напівпровідники поділяються на власні та домішкові.

Напівпровідники в яких в результаті розриву зв’язків утворюється однакова кількість електронів та дірок називаються власними.

Для більшості напівпровідникових приладів застосовуються домішкові напівпровідники (в них вид електропровідності визначається матеріалом домішки). Домішки бувають донорні та акцепторні. Донорна домішка віддає електрони, і в цьому випадку вони виступають як основні носії зарядів, а дірки – як неосновні. Напівпровідники з такою домішкою називаються електронними, або n – типу.

Якщо введена до напівпровідника домішка забирає електрони, то вона називається акцепторною, а напівпровідник має назву діркового або р – типу. В такому матеріалі основними носіями заряду є дірки, а неосновними – електрони.

Напівпровідник називають скомпенсованим, якщо в ньому одночасно містяться як донорна так і акцепторна домішки.

Процес, зворотній утворенню носіїв заряду носить назву рекомбінації. Розрізняють пряму рекомбінацію та рекомбінацію з участю пасток.

З хімічних елементів, що мають властивості напівпровідників найбільше застосування в техніці отримали германій, кремній та селен. З напівпровідникових хімічних сполук та матеріалів на їх основі найважливішими для електротехніки є: карбід кремнію; арсенід і фосфід галію; антимонід індію; сульфід свинцю, вісмуту та кадмію; закисі (цинку, міді, титану).

Застосування напівпровідникових матеріалів та сполук засновано на явищах та ефектах серед яких можна виділити наступні: випрямляючий, підсилюючий, фотоелектричний, термоелектричний та гальваномагнітний ефекти.

Випрямлюючим ефектом володіє електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність р-типу, а інша – n-типу, при прикладені до такого напівпровідника змінної напруги р-n перехід буде пропускати струм тільки однієї півхвилі напруги.

До найбільш застосовуваних термоелектричних явищ слід віднести ефекти Зеєбека, Пельтьє та Томпсона.

Сутність ефекту Зеєбєка у наступному – в електричному колі, яке складається з двох послідовно з’єднаних напівпровідників виникає термо-ЕРС, якщо місця спаїв матеріалів мають різні значення температур. Значення термоЕРС обчислюється за формулою:

Е=α·(Т2 – Т1)(9)

де α – коефіцієнт термоЕРС, що залежить від матеріалів напівпровідника, В;

Т2, Т1– значення температур,⁰С.

Явище Пельтьє зворотне до явища Зеєбека і полягає в тому, що при проходженні струму через місце контакту двох різнорідних напівпровідників відбувається поглинання або виділення теплоти, в залежності від напряму струму. Кількість теплоти при цьому пропорційна силі струму І:

Q_п = П·І·t (10)

де t – час проходження струму;

П – коефіцієнт Пельтьє, залежить від напряму струму, матеріалу та температури.

На відміну від двох попередніх явищ ефект Томпсона спостерігається при проходженні струму через однорідний матеріал, але в цьому матеріалі повинен існувати градієнт температури. Тоді в залежності від напряму струму матеріал буде нагріватись або охолоджуватись. Теплота Томпсона:

Q_т = τ·(Т2 – Т1) І t(11)

де τ – коефіцієнт Томпсона.

Гальваномагнітними в напівпровідниках називаються такі ефекти, що виникають при одночасній дії на напівпровідник електричного та магнітного полів. Гальваномагнітні ефекти поділяються на поперечні (виявляють свою дію на гранях, паралельних до електричного та магнітного полів), та повздовжні – проявляють себе вздовж зразка напівпровідника. До поперечних відносяться ефекти Холла та Еттинсгаузена, до повздовжніх – зміна опору зразка в магнітному полі та ефект Ернста.

Реалізація вищевказаних ефектів зробила напівпровідники основними компонентами електронного обладнання. Найбільш часто застосовуються напівпровідникові діоди (для випрямлення сигналів), та транзистори (для підсилення сигналів).

Основна функція напівпровідникових приладів – керування напругою або струмом. Напівпровідники мають наступні переваги – малі розміри та вага, низьке споживання енергії, високий к.к.д, висока надійність, здатність працювати в складних умовах, безінерційність, невисока вартість та ін.

До недоліків можна віднести високу сприйнятливість до температури та різних видів випромінювання, легку пошкоджуваність при перевищені експлуатаційних параметрів (перегрів, зміна полярності живлення, перевищення струму або напруги).