Изучение температурной зависимости электропроводности полупроводников
Определение электропроводности материалов. Зависимость концентрации собственных носителей от температуры. Описание лабораторной установки. Оценка электропроводности образца при всех температурах. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.01.2017 |
| Размер файла | 283,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лабораторная работа
Изучение температурной зависимости электропроводности полупроводников
Цель работы:
Изучить зависимость электропроводности полупроводникового образца от температуры. Определить ширину запрещенной зоны.
Основные теоретические сведения
Электропроводность у материалов определяется выражением:
(1)
где q+ и q- - соответственно величина заряда положительных и отрицательных носителей электрического заряда, n+ и n- - концентрация соответственно положительных и отрицательных носителей заряда, µ+ и µ- - подвижности положительных и отрицательных носителей заряда.
В лабораторной работе исследуется собственная электропроводность полупроводника. Поэтому положительными носителями заряда являются дырки, а отрицательными - электроны. Следовательно
|q+| = |q-| = e,
где е - элементарный заряд, и, поскольку полупроводник собственный, то
n+ = n- = n. Тогда
(2)
Здесь µn и µp - подвижность электронов проводимости и дырок соответственно.
Строго говоря, от температуры зависят и концентрация, и подвижности носителей заряда. Однако, во многих случаях в узком диапазоне температур зависимостью подвижностей от температуры можно пренебречь и считать подвижности постоянными, не зависящими от температуры. В данной работе рассматривается именно этот случай.
Зависимость концентрации собственных носителей от температуры описывается экспонентой:
(3)
Здесь Eg - ширина запрещенной зоны, k - постоянная Больцмана, T - температура образца, n0 - концентрация носителей при высоких температурах. Отсюда
(4)
Обозначим и условно назовем это электропроводностью образца при бесконечно большой температуре. В результате получим выражение для электропроводности образца:
(5)
Таким образом, зависимость электропроводности собственного полупроводника от температуры является экспоненциальной. Уравнение (5) поддается экспериментальной проверке и позволяет определить ширину запрещенной зоны полупроводника Eg.
Прологарифмируем формулу (5). Получим:
(6)
Отсюда следует, что график зависимости lnу от представляет собой прямую линию. Для вычисления ширины запрещенной зоны Eg поступим следующим образом. Построим прямую (6). В уравнении (6) имеем два неизвестных: ширину запрещенной зоны Eg и логарифм электропроводности при бесконечно большой температуре lnу0. Возьмем на прямой (6) две произвольные точки. Уравнение (6) для этих точек запишется как
(7)
Решив эту систему относительно Eg, получим:
(8)
Формула (8) является рабочей для вычисления ширины запрещенной зоны полупроводника.
В данной работе полупроводниковый образец выполнен в виде параллелепипеда, имеющего длину l, ширину a и высоту b. Для вычисления электропроводности образца воспользуемся законом Ома:
Отсюда электрическое сопротивление образца равно:
(9)
где U - электрическое напряжение на образце, I - сила тока через образец. полупроводник температура электропроводность
С другой стороны
,
где с - удельное сопротивление образца. Следовательно, . Приняв во внимание связь электропроводности и удельного сопротивления , найдем выражение для электропроводности полупроводникового образца
(10)
где S=ab - площадь поперечного сечения образца.
Описание лабораторной установки
Сила тока источника (1) не зависит от сопротивления нагрузки. Нагрузкой источника является образец (2).
Сила тока, протекающего через образец, регистрируется миллиамперметром (3), а напряжение на образце измеряется при помощи вольтметра (4).
Образец наклеен на электроизолирующую теплопроводную пластину и помещен в печь (5) с маслом.
Туда же помещен термометр (6) для измерения температуры образца.
Экспериментальная часть
1. Соберем схему
Установим ток I= 8,6 мА.
2. Изменяя температуру образца от 250С до 800С, через каждые 50С запишем соответствующие значения напряжения на образце.
3. Вычислим по формуле (10): электропроводности образца при всех температурах. Здесь S=ab - площадь поперечного сечения образца.
a=3 мм., b=1 мм., l=12,5 мм.
4. Прологарифмируем полученные значения электропроводности.
5. Вычислим абсолютные температуры образца Т = t+273, К. Все данные занесем в таблицу измерений.
6. Построим график зависимости lnу от
7. На графике выберем две точки в диапазоне температур от 400С до 800С: t1=75°C, t2=45°C. Определим для этих точек по графику величины lnу и : lnу1 = 2,70; lnу2 = 1,72; , .
Вычислим по формуле (8) ширину запрещенной зоны полупроводника:
Постоянная Больцмана
Выводы
В ходе выполнения работы исследовали зависимость электропроводности полупроводникового образца от температуры и определили ширину запрещенной зоны собственного полупроводника.
Из полученных результатов видно, что с ростом температуры собственного полупроводника его электропроводность увеличивается.
Построенный график зависимости lnу от представляет собой прямую линию, причем значение lnу уменьшается с ростом значения . Отсюда следует, что зависимость электропроводности собственного полупроводника от температуры является экспоненциальной и описывается выражением .
Рассчитанное значение ширины запрещенной зоны полупроводника равно Eg = 0,626 эВ. Такой результат вполне допустим, поскольку характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1--3 эВ.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Закон Ома электропроводности металлов. Состояние металла, возникающее в процессе электропроводности. Уравнение энергетического баланса процесса электропроводности в металлах. Деформационная поляризация металлов под действием электрического тока.
реферат [56,3 K], добавлен 26.01.2008Классификация веществ по электропроводности. Расчёт эффективной массы плотности состояний электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, концентраций свободных носителей заряда. Определение зависимости энергии уровня Ферми от температуры.
курсовая работа [913,5 K], добавлен 14.02.2013Исследование электропроводности высокодисперсных коллоидов ферромагнетиков. Механизм электропроводности магнитной жидкости и возникновение анизотропии электропроводности её при воздействии магнитных полей.
доклад [45,9 K], добавлен 14.07.2007Применение полупроводникового кремния. Характерные значения и методы определения ширины запрещенной зоны в полупроводниках, ее зависимость от температуры в кремнии. Экспериментальные и теоретические методы исследования зонной структуры твердых тел.
контрольная работа [301,6 K], добавлен 11.02.2014Энергетическая зонная структура и абсолютный минимум зоны проводимости у кремния. Измерение спектра собственного поглощения образца кремния с помощью электронно-вычислительного комплекса СДЛ-2. Оценка ширины запрещенной зоны исследуемого полупроводника.
курсовая работа [376,2 K], добавлен 08.06.2011Влияние ударно-волновых и краевых эффектов на измерение проводимости продуктов детонации контактной методикой. "Деформация" восстанавливаемого распределения электропроводности в зависимости от постановки эксперимента; существование двух зон проводимости.
дипломная работа [5,1 M], добавлен 02.06.2011Исследование металлов, хорошо проводящих электрический ток. Полупроводники - твердые тела с промежуточной электропроводностью. Проявление различия полупроводников и металлов в характере зависимости электропроводности от температуры. Уравнение Шредингера.
реферат [338,7 K], добавлен 18.02.2009Зависимость электропроводности магнитной жидкости с графитовым наполнителем от направления магнитного поля. Теория, объясняющая наблюдаемую зависимость электрической проводимости от направления магнитного поля.
статья [123,3 K], добавлен 14.07.2007Основы и содержание зонной теории твердого тела. Энергетические зоны полупроводников, их типы: собственные и примесные. Генерация и рекомбинация носителей заряда. Исследование температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 09.06.2015Полупроводниковый кремний как один из важнейших полупроводниковых материалов, используемых в настоящее время. Ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.
контрольная работа [417,4 K], добавлен 25.11.2012Расчет температурной зависимости концентрации электронов в полупроводнике акцепторного типа. Определение и графическое построение зависимости энергии уровня Ферми от температуры: расчет температур перехода к собственной проводимости и истощения примеси.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 15.02.2013Традиционные термоэлектрические материалы, теллуриды висмута и свинца. Улучшение термоэлектрической добротности однородных материалов. Термовольтаический эффект в поликристаллическом SmS. Выбор оптимальной концентрации носителей и ширины запрещённой зоны.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 11.07.2015Изучение электропроводности твердых растворов ферритов. Анализ результатов опыта, которые позволяют утверждать, что в исследованных твердых растворах системы CoXMn1-XS реализуются переходы типа металл-диэлектрик как по температуре, так и по концентрации.
реферат [1,8 M], добавлен 21.06.2010С ростом температуры кристалла за счет теплового расширения постоянная решетки увеличивается. Поэтому при повышении температуры у полупроводников, как правило, запрещенная зона уменьшается.
реферат [10,8 K], добавлен 22.04.2006Образование электрического тока в металлическом проводнике. Классификация жидкостей по степени электропроводности: диэлектрики, проводники (электролиты) и полупроводники. Определение понятия электролитической диссоциации и описание закона Фарадея.
презентация [413,8 K], добавлен 16.05.2012Главные приближения, лежащие в основе зонной теории. Кристаллическая решетка полупроводника, его энергетические уровни. Наличие электронов в зоне проводимости или наличие вакантных мест в валентной зоне, необходимое для возникновения электропроводности.
реферат [306,5 K], добавлен 30.06.2015Сущность механизма электропроводности. Волновая функция электрона в кристалле. Квазиимпульс и эффективная масса носителей заряда. Статистика электронов и дырок в полупроводнике. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник. Энергонезависимые элементы памяти.
курсовая работа [697,7 K], добавлен 14.02.2016Деление твердых тел на диэлектрики, проводники и полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводниковых материалов. Исследование изменений сопротивления кристаллов германия и кремния при нагревании, определение энергии их активации.
лабораторная работа [120,4 K], добавлен 10.05.2016Строение твердого тела. Понятие об энергетических уровнях. Классификация тел по электропроводности. Механизм образования электронной и дырочной проводимости. Примесные и собственные полупроводники. Области применения полупроводниковых материалов.
курсовая работа [475,6 K], добавлен 12.02.2014Определение относительной концентрации атомов донорной примеси полупроводника, уменьшение концентрации избыточных электронов на расстоянии; удельные сопротивления областей полупроводника. Режим работы и схема включения транзистора, полярность напряжений.
контрольная работа [982,1 K], добавлен 12.01.2012
