Контрольні запитання:

1. Які механізми зумовлюють виникнення термо-е.р.с. у напівпровідниках?

2. Пояснити залежність коефіцієнта термо-е.р.с. у напівпровідниках від матеріалу і температури.

3. Чому напівпровідникові термоелементи мають значно більшу термо-е.р.с. ніж термоелементи із металів?

4. Пояснити будову і принцип роботи напівпровідникових термоелектричних генераторів і холодильників.

5. Які механізми обумовлюють явище Пельтьє?

6. Вивести співвідношення (П = αТ) між коефіцієнтом термо-е.р.с. α і коефіцієнтом Пельтьє П для термопари.

Лабораторна робота №5 Вивчення залежності електропровідності напівпровідників від напруженості електричного поля.

Мета роботи: Дослідити залежність електропровідності напівпровідникового зразка від напруженості електричного поля при різних температурах. Визначити критичні напруженості поля досліджуваних зразків у широкому інтервалі температур.

Завдання: Зняти статичні вольт-амперні характеристики варистора при 4-5 значеннях температур. Розрахувати провідність матеріалу варистора при різних прикладених напругах. Побудувати вольт-амперні характеристики , для різних температур варистора. За графіком визначити значення критичної напруженості поля для досліджуваних температур. Розрахувати статичні і динамічні опори, коефіцієнт нелінійності для досліджуваного варистора в робочій точці. Розрахувати температурний коефіцієнт зміни струму, температурний коефіцієнт опору , енергію активації у робочому інтервалі температур.

Обладнання: варистори, вольтметр В7-21, мікроамперметр, джерело живлення ВС-24, осцилограф, термопари з напівпровідникових матеріалів в установці, термостат, напівпровідникові зразки.

Література: [8], [7]

Теоретичні відомості

Під час розгляду явищ переносу і рекомбінації припускаємо, що струм через кристал визначається із закону Ома

(5.1)

Це означає, що величина  залишалася постійною під час дії електричного поля напруженістю Е на кристал, тобто поле не змінювало ні концентрації ні рухливості носіїв заряду.

Рухливість носіїв заряду

(5.2)

де - теплова швидкість носіїв заряду.

Незмінність рухливості носіїв заряду під час дії слабкого поля дозволяє стверджувати, що при цьому залишається постійною швидкість електрона. В той же час при вивченні явищ переносу розглядають впорядкування руху носіїв заряду під впливом електричного поля, тобто розглядається зміна їх швидкості. В цьому немає протиріччя, оскільки слабке електричне поле змінює швидкість лише за напрямком, але абсолютна величина швидкості залишається незмінною. В дійсності електричне поле змінює (збільшує) теплову швидкість на деяку величину , але до тих пір, поки є малим в порівнянні з , електричне поле можна вважати слабким. Якщо відносна зміна складає 10%, то поле, яке викликає таку зміну, вважають сильним. Напруженість електричного поля, що викликає десятипроцентну зміну швидкості носіїв заряду, називають критичним полем і позначають . Критична напруженість електричного поля залежить від природи напівпровідника, його температури і концентрації домішок. При напруженостях поля вищих від критичної закон Ома вже не справджується, тобто величина густини струму не буде пропорційна напруженості поля, так як починає залежати від напруженості поля. Напруженість визначається тією умовою, що додаткова дрейфова швидкість , набута носієм заряду в полі, стає співмірна з тепловою швидкістю. При зменшенні температури кристала зменшується, так як залежить від рухливості носіїв заряду, яка із зменшенням температури зростає.

В атомних кристалах (Ge, Si) при тепловому механізмі розсіяння довжина вільного пробігу не залежить від швидкості , а зростає із збільшенням напруженості , рухливість U зменшується із збільшенням напруженості поля:

(5.3)

Під час розсіяння носіїв заряду на іонізованих домішках , рухливість U збільшується із збільшенням напруженості поля :

(5.4)

Однак зміна рухливості носіїв заряду, як показують результати дослідів, незначна. Із збільшенням напруженості поля більш суттєво зростає концентрація носіїв заряду.

Основними причинами зміни концентрації носіїв заряду в сильних електричних полях можуть бути термоелектронна іонізація Френкеля, ударна і електростатична іонізація.