Дослідження температурної залежності електропровідності напівпровідників і визначення енергії активації
Власна провідність напівпровідників. Енергія, потрібна електрону для міжзонального переходу. Концентрація вільних носіїв у верхній частині валентної зони і нижній частині зони провідності. Відстань між рівнями в зоні провідності і валентній зоні.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 28.07.2017 |
| Размер файла | 117,1 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/
ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ та НАУКИ УКРАЇНИ
Кафедра фізики
Лабораторна робота № 8-1
На тему: Дослідження температурної залежності електропровідності напівпровідників і визначення енергії активації
Виконали: ст.гр.ЕЗ-02 Тихий М.В.
Сьотка В.Д.
Оленчук С.Б.
Перевірив: Касіяненко В.Х.
2003
Лабораторна робота № 8-1
дослідження температурної залежності електропровідності напівпровідників і визначення енергії активації
Мета роботи: ознайомитись з одним із методів визначення ширини забороненої зони в напівпровідниках.
Прилади і матеріали: установка для вивчення температурної залежності електропровідності напівпровідників.
Теоретичні відомості
При відсутності зовнішніх полів носії струму в тілах, які проводять струм, перебувають лише в тепловому русі Якщо ж зразок провідного тіла розмістити в зовнішньому полі Е, то характер руху носіїв зміниться, поряд з тепловим рухом виникне направлений рух позитивних зарядів поля і негативних зарядів -- проти напрямку поля. Таке переміщення електричних зарядів під дією електричного поля називається дрейфом.
Скориставшись другим законом Ньютона можна показати, що середня дрейфова швидкість пропорційна напруженості , тобто:
(1)
причому величина U називається рухливістю (це середня швидкість, набута частинкою в електричному полі напруженістю 1 В/м).
Розглянемо зразок провідного тіла, концентрація носіїв струму в якому n. Виділимо в зразку два перерізи площею S на відстані , як це показано на рис. 8-1 1.
Всі носії перетинають заштрихований переріз за t=l с, в результаті чого через цей переріз проходить заряд q = enSVД. Сила струму в цьому зразку:
(2)
де е -- елементарний заряд, рівний 1,610-19 Кл.
Рис. 8-1 1
Поділивши (2) на площу перерізу S, одержимо густину струму:
j=enUE (3)
де враховано співвідношення (1).
Порівнюючи вираз (3) з законом Ома в диференціальній формі j = СТЕ, одержимо зв'язок питомої електропровідності з концентрацією носіїв струму:
=enU (4)
Власна провідність напівпровідників
Власна електропровідність напівпровідників зумовлена переміщенням електронів власних атомів, які входять до складу структурних елементів кристалічної ґратки. Вона буває електронною і дірковою. Пояснимо її механізм.
Під дією зовнішніх факторів (опромінення, нагрів і т. п.) в якомусь атомі нейтрального напівпровідника порушився ковалентний зв'язок. При цьому якийсь електрон залишив своє місце і перейшов до іншого іона. Тоді атом, який віддав свій електрон, стає позитивним іоном. Говорять, що на місці електрона виник надлишок позитивного заряду або «позитивна дірка». Ця дірка поводить себе, як елементарний заряд, що чисельно дорівнює заряду електрона. На місце дірки перейде електрон від іншого атома, і дірка виникне в іншому місці. Цей процес переходу електронів і утворення нових дірок відбувається безладно в усій масі напівпровідника: дірки переходять від одного атома до іншого.
Власну провідність напівпровідників можна пояснити на основі зонної теорії. За рахунок додаткової енергії частина електронів переходить з валентної зони в зону провідності -- ці електрони стають вільними (рис. 8-1 2).
Рис. 8-1 2
Енергія, потрібна електрону для міжзонального переходу, називається енергією активації (Ед). Для германію вона дорівнює 0,72 еВ, для кремнію -- 1,1 еВ.
Відстань між рівнями в зоні провідності і валентній зоні 10-28 еВ. Електрони, що перейшли зону провідності під впливом електричного поля, утворюють струм з переходом електрона у верхню зону провідності, у валентній зоні з'являються вільні енергетичні рівні, або позитивні дірки. Електрони, які залишились у валентній зоні, під впливом поля переходять з нижчих енергетичних рівнів цієї зони на вищі, де були вільні місця. При цьому виникають нові дірки, які рухаються в напрямі, протилежному до напряму переміщення електронів.
Отже, в чистих напівпровідниках (в яких немає дефектів кристалічної решітки) електричний струм зумовлений двома провідностями; електронною і дірковою.
Досліди показують значне зростання електропровідності напівпровідника з ростом температури. Позначивши рухливості електронів і дірок Un і Up, співвідношення (4) для власної провідності запишеться так:
=e(Un+Up)n (5)
де враховано, що концентрації електронів і дірок однакові. Рухливості носіїв струму Un і Up залежать від температури, однак ця залежність досить слабка і в значній мірі не впливає на результати дослідів. Оскільки розрив ковалентних зв'язків обумовлений тепловим рухом, то слід очікувати значного росту концентрації при зростанні температури. При звичайних температурах (300 К) концентрація носіїв струму в германії nGe1019 м-3 і кремнії nSi1016 м-3. При інших температурах концентрації носіїв знаходять, використовуючи статистику Больцмана, згідно з якою:
(6)
Перехід електрона в зону провідності потребує додаткової енергії Ед. Оскільки в результаті цього з'являються два носії, то енергія Е, яка необхідна для генерації (утворення) одного носія дорівнює .
Відповідно
(7)
Підставивши (7) в (5) одержимо вираз для температурної залежності електропровідності власного напівпровідника:
(8)
напівпровідник електрон валентний енергія
що узгоджується з експериментом.
Домішкова провідність напівпровідників
Якщо у власному напівпровіднику деякі атоми замінити атомами з іншою валентністю (наприклад, атоми Ge замінити атомами As), одержимо домішковий напівпровідник. Навіть незначна кількість домішкових атомів (1 домішковий атом на ІО5 атомів основного напівпровідника) суттєво змінює фізичні властивості напівпровідників. Домішки відіграють подвійну роль. В одних випадках вони є додатковими постачальниками електронів у кристалі (атоми таких домішок називаються донорами), а в інших -- центрами захоплення електронів у кристалах (атоми таких домішок називаються акцепторами -- одержувачами). Домішкова провідність напівпровідників буває електронна і діркова.
1. Розглянемо домішкову електронну провідність на прикладі германію з домішками атомів миш'яку. Германій -- чотиривалентний елемент, а миш'як -- п'ятивалентний. Коли в кристалічній гратці атом германію заміщується атомом миш'яку, чотири електрони миш'яку утворюють міцний ковалентний зв'язок з чотирма сусідніми атомами германію, а п'ятий електрон миш'яку слабо зв'язаний із своїм атомом, легко робиться вільним навіть при кімнатній температурі. Домішкові атоми миш'яку є донорами електронів. Тому електропровідність такого напівпровідника називається електронною, а напівпровідник -- n -- типу.
На основі зонної теорії домішкова електронна провідність пояснюється так. Енергія домішкових електронів менша від енергії нижчого рівня зони провідності напівпровідника. Тому енергетичні рівні домішкових електронів (донорні рівні) лежать у забороненій зоні напівпровідника, причому ближче до зони провідності (рис. 8-1 3). Оскільки енергія Е'д дуже мала (наприклад, для кремнію з домішками Asa;0,054 eB), то за рахунок теплової енергії електрони домішок з донорного рівня переходять у зону провідності напівпровідника.
Рис. 8-1 3
Рис. 8-1 4
2. Домішкову діркову провідність германій матиме тоді, коли домішковий елемент буде тривалентний, наприклад, індій. Коли атом германію замішується атомом індію, останній утворює мінний зв'язок тільки з трьома валентними електронами германію і для утворення повного ковалентного зв'язку не вистачає одного електрона. Тому один з електронів сусіднього атома германію заповнює в атомі індію валентний четвертий зв'язок. Атоми індію при цьому стають центрами захоплення електронів. На місці електрона, який відірвався від германію, з являється «позитивна дірка». Ця дірка заповнюється електронами від сусіднього атома германію. Процес повторюється: дірки безладно перемішуються в об'ємі напівпровідника. Під впливом електричного поля дірки утворюватимуть струм.
За зонною теорією домішкові акцепторні атоми вносять додаткові незайняті енергетичні рівні, які лежать в області забороненої зони ближче до верхнього рівня валентної зони напівпровідника (рис. 8-1 4). Раніше заповнена валентна зона напівпровідника стає зоною діркової провідності. Такий тип провідності напівпровідника називається дірковою домішковою провідністю або провідністю р -- типу.
При низьких температурах провідність напівпровідників здійснюється за рахунок домішок, тобто Ед»Е'д і Еа»Е'а і для цього потрібна менша енергія.
З ростом температури іонізується все більша кількість атомів домішок. Настає температура, при якій всі домішкові атоми іонізовані (область виснаження). При більш високих температурах Т зростання електропровідності пояснюється власною провідністю. Характер залежності електропровідності о від Т подано на рис. 8-1 5.
Рис. 8-1 5
Практично при дослідженні температурної залежності електропровідності напівпровідників часто користуються не провідністю а просто опором напівпровідника. Для тих температур, для яких формули (7) і (8) мають місце, можна записати:
а) для власного напівпровідника
(9)
де Е -- ширина забороненої зони;
б) для напівпровідника n -- типу
(10)
де Ед -- енергія іонізації донорів;
в) для напівпровідника р-типу
(11)
де Е, -- енергія іонізації акцепторів;
г) для домішкового напівпровідника з обома видами домішок
(12)
де Е -- ширина забороненої зони.
Хід роботи
Термоелектричний напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від температури і який може бути використаний для фіксування зміни температури навколишнього середовища, називається терморезистором або термістором. Напівпровідникові терморезистори, як правило, містять обидва види домішок
Для одержання температурної характеристики терморезистор розміщують в термостаті або в нагрівній пічці на одному рівні з термопарним датчиком, з'єднаним з вимірювальним містком. Опір напівпровідника при цьому вимірюється мультиметром. Після ознайомлення з лабораторною установкою вимірюють опір терморезистора і відповідну температуру в пічці починаючи від кімнатної температури і закінчуючи температурою 75-80°С. Результати вимірювань заносять в окрему таблицю.
|
T°C |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
75 |
80 |
|
|
T, K |
|||||||||||||
|
R, Ом |
|||||||||||||
|
lnR |
За одержаним значенням R будують графік R=f(T), а також lnR=f(l/T). Коефіцієнт температурної чутливості В визначають із даних вимірювання опору терморезистора при будь-яких двох температурах Т1 і Т2:
Розділивши почленно ці вирази, одержують
Звідки
Енергію активації знаходять за формулою:
Е=кВ,
де к -- стала Больцмана, рівна 1,38-10'23 Дж/К.
Обробка експериментальних даних
1. З графіка залежності In R = f -- визначити енергію активації. В цьому випадку
Одержані результати звіряють із значеннями, відомими з теорії.
2. Визначають коефіцієнт температурної чутливості В терморезистора.
3. Всі розрахунки виконують з допомогою мікроЕОМ.
Контрольні запитання
1. Власна і домішкова провідності напівпровідників з точки зору зонної теорії.
2. Температурна залежність провідності напівпровідників.
3. Концентрація вільних носіїв у верхній частині валентної зони і нижній частині зони провідності.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Навчальна програма для загальноосвітніх шкільних закладів для 7-12 класів по вивченню теми "Напівпровідники". Структура теми: електропровідність напівпровідників; власна і домішкова провідності; властивості р-п-переходу. Складання плану-конспекту уроку.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 29.04.2014Оцінка ймовірності знайти електрон на рівні Е у власному напівпровіднику при кімнатній температурі. Визначення положення рівня Фермі, розрахунок температурної залежності власної концентрації носіїв заряду у вихідному напівпровіднику та побудова графіка.
контрольная работа [2,8 M], добавлен 18.12.2009Елементи зонної теорії твердих тіл, опис ряду властивостей кристала. Постановка одноелектронної задачі про рух одного електрона в самоузгодженому електричному полі кристалу. Основні положення та розрахунки теорії електропровідності напівпровідників.
реферат [267,1 K], добавлен 03.09.2010Електроліти, їх поняття та характеристика основних властивостей. Особливості побудови твердих електролітів, їх різновиди. Класифікація суперпріонних матеріалів. Анізотпрапія, її сутність та основні положення. Методи виявлення суперіонної провідності.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 12.02.2009Акумуляція енергії в осередку. Анізотропія електропровідності МР, наведена зовнішнім впливом. Дія електричних і магнітних полів на структурні елементи МР. Дослідження ВАХ МР при різних темпах нагружения осередку. Математична теорія провідності МР.
дипломная работа [252,7 K], добавлен 17.02.2011Вивчення зонної структури напівпровідників. Поділ речовин на метали, діелектрики та напівпровідники, встановлення їх основних електрофізичних характеристик. Введення поняття дірки, яка є певною мірою віртуальною частинкою. Вплив домішок на структуру.
курсовая работа [1002,2 K], добавлен 24.06.2008Методи створення селективних сенсорів. Ефект залежності провідності плівки напівпровідникових оксидів металів від зміни навколишньої атмосфери. Види адсорбції. Природа адсорбційних сил. Установка для вимірювання вольт-амперних характеристик сенсора.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 27.05.2013Прості матеріали високої провідності та їх сплави. Надпровідники та кріопровідники. Параметри надпровідникових матеріалів. Сплави високого опору та спеціальні сплави. Контактні матеріали. Неметалеві провідники. Характеристика, властивості інших металів.
реферат [52,3 K], добавлен 25.11.2010Дослідження стану електронів за допомогою фотоелектронної й оптичної спектроскопії. Аналіз електронної й атомної будови кристалічних і склоподібних напівпровідників методами рентгенівської абсорбційної спектроскопії. Сутність вторинної електронної емісії.
реферат [226,5 K], добавлен 17.04.2013Світ шукає енергію. Скільки потрібно енергії. Альтернативні джерела енергії. Вітрова енергія. Енергія річок. Енергія світового океану. Енергія морських течій. Енергія сонця. Атомна енергія. Воднева енергетика. Сучасні методи виробництва водню.
дипломная работа [40,8 K], добавлен 29.05.2008Визначення методу підсилення пасивації дефектів для покращення оптичних та електричних властивостей напівпровідників. Точкові дефекти в напівпровідниках та їх деформація. Дифузія дефектів та підсилення пасивації дефектів воднем за допомогою ультразвуку.
курсовая работа [312,3 K], добавлен 06.11.2015Енергія як фізична величина. Загальний огляд основних її видів. Характеристика потенціальної енергії, особливості визначення цієї характеристики у деформованої пружини. Кінетична енергія об’єкту, її залежність від швидкості руху та від маси тіла.
презентация [20,6 M], добавлен 15.12.2013Характеристики та класифікація напівпровідників. Технологія отримання напівпровідників. Приготування полікристалічних матеріалів. Вплив ізохорного відпалу у вакуумі на термоелектриці властивості і плівок. Термоелектричні властивості плюмбум телуриду.
дипломная работа [4,4 M], добавлен 09.06.2008Розрахунок магнітних провідностей: робочого та неробочого зазору. Розрахунок питомої магнітної провідності розсіювання, тягових сил. Складання схеми заміщення та розрахунок параметрів. Алгоритм розрахунку розгалуженого магнітного кола електромагніта.
курсовая работа [46,3 K], добавлен 29.09.2011Характеристика альтернативних джерел енергії, до яких належать сонячна, вітрова, геотермальна, енергія хвиль та припливів, гідроенергія, енергія біомаси, газу з органічних відходів та газу каналізаційно-очисних станцій. Вторинні енергетичні ресурси.
презентация [3,6 M], добавлен 14.11.2014Найпростіша модель кристалічного тіла. Теорема Блоха. Рух електрона в кристалі. Енергетичний спектр енергії для вільних електронів у періодичному полі. Механізм електропровідності власного напівпровідника. Електронна структура й властивості твердих тіл.
курсовая работа [184,8 K], добавлен 05.09.2011Фізико-хімічні основи процесів в галузях хімічних технологій, визначення швидкості законами теплопередачі. Процеси перенесення маси енергії і кількості руху, рівняння нерозривності суцільності потоку. Гідростатична подібність, емпіричні залежності.
лекция [2,3 M], добавлен 17.07.2011Визначення кінетичної та потенціальної енергії точки. Вирішення рівняння коливання математичного маятника. Визначення сили світла прожектора, відстані предмета і зображення від лінзи. Вираження енергії розсіяного фотона, а також швидкості протона.
контрольная работа [299,7 K], добавлен 22.04.2015Баштовий кран - поворотний кран зі стрілою, закріпленою у верхній частині вертикально розташованої башти. Будова, принцип роботи, технічна характеристика крану, вимоги до його електроустаткування. Розрахунок параметрів електродвигуна баштового крану.
дипломная работа [7,1 M], добавлен 05.11.2010Вільний рух як найпростіший рух квантової частинки, його характеристика та особливості. Методика визначення енергії вільної частинки, властивості її одновимірного руху в потенціальному ящику. Обмеженість руху квантового осцилятора, визначення енергії.
реферат [319,3 K], добавлен 06.04.2009
