Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лабник_МЭТ.doc
Скачиваний:
105
Добавлен:
12.11.2019
Размер:
5.06 Mб
Скачать

Температурная зависимость электропроводности

Зависимость электропроводности полупроводника от температуры (рис. 10) определяется температурными зависимостями концентрации основных носителей (см. рис. 8) и подвижности (см. рис.9):

.

В области истощения примеси концентрация электронов постоянна, поэтому ход кривой σ(T) определяется только зависимостью μ(T) и подобен таковому в металлах.

Рис.10. Температурная зависимость электропроводимости полупроводника n-типа.

В областях ионизации примеси и собственной проводимости, где концентрация экспоненциально растет с температурой, можно пренебречь слабой (степенной) зависимостью μ(T). В этих областях ход кривых σ(T) и n(T) практически не различается, что позволяет использовать температурную зависимость электропроводности в области собственной проводимости для определения ширины запрещенной зоны.

Используя выражения (3) и (9), электропроводность полупроводника в области собственной проводимости можно записать в виде:

,

где в=n/p.

Величина (NcNv)½ пропорциональна . Примем, что зависимости подвижности электронов и дырок от температуры одинаковы. Поскольку в области собственной проводимости преобладает рассеяние на тепловых колебаниях решетки, величина µp пропорциональна . В результате σi можно записать в виде

, (10)

где С - некоторая константа.

Величина ∆Е, вычисленная по формуле (10), дает истинное значение ширины запрещенной зоны лишь при E=const. В действительности E зависит от температуры. Это обусловлено, во-первых, тем, что действующий на все электроны периодический потенциал решетки может меняться с температурой из-за теплового расширения кристалла; во-вторых, тем, что влияние амплитуды и частотного спектра колебаний решетки на зонную структуру будет проявляться по-разному при разных температурах. В общем случае эти два эффекта приводят к тому, что ширина запрещенной зоны зависит линейно от температуры при комнатной температуре и квадратично при очень низких температурах (рис. 11). Для линейного участка зависимость ∆Е(Т) можно представить в виде

, (11)

где Е0 - ширина запрещенной зоны, полученная экстраполяцией линейной зависимости к абсолютному нулю; γ - температурный коэффициент.

Величины ∆Е(300К), ∆Е(0) и γ для наиболее важных полупроводников приведены в табл.3.

Подставляя зависимость (11) в выражение (10) и логарифмируя, получаем

или

. (12)

Рис.11. Типичная температурная зависимость ширины запрещенной зоны полупроводника.

Tаблица3

Ширина запрещенной зоны некоторых полупроводников

Полупроводник

Е(300К), эВ

Е(0), эВ

γ, эВ/град

Германий

0,67

0,75

4,4x10-4

Кремний

1,12

1,17

4,1х10-4

Арсенид галлия

1,4

1,43

5х10-4

В координатах lni=f(1/T) выражение (12) представляет собой прямую линию (рис.12). Ширина запрещенной зоны определяется из значения производной функции d(lni)/d(1/T):

.

Окончательно ширина запрещенной зоны (в эВ), полученная экстраполяцией к абсолютному нулю, равна

. (13)

Для нахождения ширины запрещенной зоны при комнатной температуре необходимо воспользоваться формулой (11).

Рис. 12. Зависимость электропроводности от температуры с учетом температурной зависимости ширины запрещенной зоны.

Рассмотренный способ не позволяет определить ширину запрещенной зоны при низких температурах, когда зависимость Е(Т) отклоняется от линейной.

Наиболее точно ширину запрещенной зоны при любой температуре можно определить экспериментально с помощью одного из оптических методов, основанных на исследовании спектральных зависимостей поглощения, фотопроводимости или люминисценцни.