Свойства полупроводников
Появление носителей заряда в полупроводниках. Термоэлектрические явления в полупроводниках, эффект Холла. Перераспределение основных носителей заряда в полупроводнике. Эффект Пельтье и эффект Томпсона. Изготовление термоэлементов охлаждающих устройств.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | отчет по практике |
Язык | русский |
Дата добавления | 04.10.2019 |
Размер файла | 349,4 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/
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОТЧЕТ ПО УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ
ПО ПОЛУЧЕНИЮ ПЕРВИЧНЫХ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ УМЕНИЙ И НАВЫКОВ
Выполнил студент:
2 курса, Группы МТМ-б-о-17-1
Каримов Махмадулло
Направление подготовки
22.03.01 Материаловедение и технологии материалов
Руководитель:
Штаб А. В
Ставрополь 2019
Введение
К полупроводникам относятся материалы, свойства которых частично схожи со свойствами проводников, частично со свойствами диэлектриков. К ним относится большое количество веществ с электронной электропроводностью.
Основной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства под влиянием различных внешних воздействий (изменение температуры, приложение электрического или магнитного полей.).
Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. С введением примеси изменяется не только значение проводимости, но и характер её температурной зависимости.
Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Появление носителей заряда в полупроводниках определяется химической частотой и температурой.
Среди полупроводниковых материалов электронные полупроводники, полупроводниковые химические соединения и твердые растворы.
Электрические свойства полупроводников определяются зонной структурой и содержанием примесей.
При любой температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупроводнике за счет теплового возбуждения происходит генерация свободных электронов и дырок. Однако с процессом генерации обязательно протекает обратный процесс - рекомбинации носителей заряда. Основной характеристикой рекомбинации является время жизни.
Основным материалов полупроводниковой электроники является кремний. Для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники используют как монокристаллические, так и поликристаллические материалы.
1. Литературный обзор
1.1 Термоэлектрические явления в полупроводниках Эффект Холла
К термоэлектрическим явлениям, то есть к явлениям, связанным со взаимным превращением тепловой энергии и энергии электрического поля в проводниках и полупроводниках, относятся три эффекта: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.
Термоэлектрические явления
Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) был открыт в 1821 г. Он заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух различных полупроводников (или полупроводника и металла), места соединения (спаи) которых находятся при различных температурах, возникает электрический ток, который называется термоэлектрическим. На концах такой разомкнутой цепи появляется разность потенциалов Uт, которая носит название термоЭДС. Величина этой разности потенциалов характеризуется коэффициентом a.
Uт =•Т
где Т - разность температур спаев;- удельная термоЭДС (или коэффициент термоЭДС), который зависит от вида материалов термопары и интервала температур (вплоть до изменения знака), в котором термопара применяется.
Механизм образования термоЭДС заключается в следующем. Пусть один из концов однородного полупроводника нагрет больше чем второй. Свободные носители заряда у горячего конца будут иметь более высокие энергии и скорости, чем у холодного. Кроме того, в виду значительной зависимости концентрации свободных носителей в полупроводнике от температуры у горячего конца концентрация свободных носителей заряда окажется больше, чем у холодного. В силу этих причин поток свободных носителей заряда от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему.
Если концентрации свободных электронов и дырок в полупроводнике (или их подвижности) неодинаковы, то концы полупроводника окажутся противоположно заряженными.
Состояние равновесия наступит при равенстве потока свободных носителей заряда, обусловленного градиентом температур, потоку, вызванному действием электрического поля, возникшего в результате разделения зарядов.
В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны. В полупроводнике п-типа поток электронов от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему. В результате на холодном конце накопится избыточный отрицательный заряд, а на горячем останется не скомпенсированный положительный заряд, образованный ионами донорной примеси. Возникшее электрическое поле будет вызывать поток электронов от холодного конца к горячему. Стационарное состояние установится при равенстве этих потоков.
заряд полупроводник термоэлемент томпсон
Рис. Перераспределение основных носителей заряда в полупроводнике n-типа (а), в полупроводнике р-типа (б) при наличии градиента температуры вдоль полупроводника (Т2 > Т1)
У дырочного полупроводника б) на холодном конце возникает избыточный положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.
ТермоЭДС изменяется не пропорционально разности температур спаев Т. Поэтому для характеристики термоэлектрических свойств какой-либо пары используют дифференциальную термоЭДС, возникающую при разности температур спаев в 1 °С:
a = dUT/dТ.
Дифференциальную термо ЭДС можно рассчитать по формуле Н.Л. Писаренко:
,
где k - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; n и p - концентрация электронов и дырок;n и p - подвижность электронов и дырок; me* и mp* - эффективные массы электронов и дырок; h - постоянная Планка. В учитывается вклад, вносимый в термоЭДС и электронами, и дырками.
При низких температурах в чистых веществах, при наличии градиента температур, проявляется эффект увлечения электронов фононами, которые движутся от нагретого конца к холодному. Это приводит к образованию дополнительной термоЭДС, которая значительна при низких температурах.
1.2 Эффект Пельтье
Электротермический эффект, обратный явлению Зеебека, открыт 1834 г. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников (или полупроводника и проводника) происходит нагревание или охлаждение контакта в зависимости от направления тока. Количество выделившегося (или поглощенного) тепла QП в месте контакта пропорционально прошедшему через контакт количеству электричества:
QП = ± П ЧIЧ t,
где П - коэффициент Пельтье; I - ток, протекающий через контакт; t - время прохождения тока. Коэффициент Пельтье зависит от природы контактирующих материалов, температуры и направления тока. Он показывает количество тепла, выделившегося (+) или поглотившегося (-) на контакте при прохождении через него единицы заряда.
Причина возникновения эффекта состоит в том, что внешнее электрическое поле переносит электроны или дырки из одного материала в другой, причём равновесная энергия электронов или дырок в обоих материалах различна и электроны, пришедшие из одного материала через спай, имеют избыток или недостаток энергии по сравнению с остальными электронами в данном материале. Этот избыток (или недостаток) энергии отдаётся решетке (или пополняется за счёт решетки), в результате чего температура спая растёт Томпсон, применив к термоэлектрическим явлениям первое и второе начала термодинамики в 1856 г., установил связь между коэффициентами термоЭДС и коэффициентом Пельтье:
= П / Т,
где Т - абсолютная температура. Он также предсказал существование третьего явления, названного в дальнейшем эффектом Томпсона, который заключается в следующем.
При пропускании тока через проводник (или полупроводник), вдоль которого имеется градиент температуры, в дополнении к теплоте Джоуля в объёме материала в зависимости от направления тока выделяется или поглощается некоторое количество тепла.
1.3 Эффект Томпсона
Объясняется тем, что при наличии в полупроводнике градиента температуры, в нём возникает термоЭДС. Если направление напряженности возникшего электрического поля совпадает с направлением напряженности внешнего поля, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником. Часть работы совершается за счёт тепловой энергии самого полупроводника, в результате чего он охлаждается. При смене направления напряженности внешнего поля оно будет совершать дополнительную работу, что приведёт к выделению тепла, дополнительного к теплоте Джоуля.
Теплота Томпсона QТ пропорциональна силе тока I, времени t и перепаду температур вдоль проводника Т:
QТ =ТI t,
где - коэффициент Томпсона, зависящий от свойств материала. Коэффициент термоЭДС пары материалов a связан с коэффициентами Томпсона этих материалов 1 и2 соотношением:
d/dT = (1 - 2)/T,
где d/dT - скорость изменения коэффициента термоЭДС с изменением температуры; Т - средняя температура полупроводника. Из и определений и следует связь всех трёх коэффициентов:
= dП/dТ + (1 - 2).
Таким образом, все три термоэлектрических явления связаны друг с другом. Они считаются обратимыми при слабых токах и стационарном тепловом режиме, то есть изменяют знак, как с изменением разности температур, так и с изменением направления тока.
Полупроводниковый прибор, основанный на использовании эффектов Зеебека или Плетье и предназначенный для непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию и обратно, называется полупроводниковым термоэлементом. Полупроводниковые термоэлементы используются в устройстве термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и холодильников.
1.4 Термоэлектрический генератор
Теорию ТЭГ и холодильников разработал А.Ф. Иоффе. ТЭГ остоит из блока термоэлементов, электрически соединенных между собой, нагревателя, обеспечивающего приток тепла к их горячим спаям, и системы охлаждения их холодных спаев. Положительные ветви термоэлементов изготавливают из сплава сурьмы и цинка (ZnSb), или сплава Sb, Te и Bi. Отрицательные ветви изготавливают из сплава висмута с сурьмой, либо из константановой проволоки.
Например, в ТЭГ марки ТКК-3 положительные ветви изготовлены из сплава ZnSb с примесью олова и свинца, а отрицательные из константановой проволоки, запрессованной в противоположные торцы термоэлементов. Термоэлементы соединены в две батареи, одна служит для питания цепей накала (2 В, 0,5 А или 1,2 В, 0,36 А), другая - для анодных батарей (2 В, 2 А). Нагревателем служит 20-линейная керосиновая лампа с укороченным стеклом. Охладителем служат 17 крыльев из Al, прикрепленных к внешним поверхностям термоэлементов.
Основным параметром, характеризующим ТЭГ, является его коэффициент полезного действия ():
= P/Q ,
где Р - электрическая мощность; Q - тепловая мощность. Коэффициент полезного действия зависит от свойств применяемых материалов (V, , ), разности температур холодных и горячих частей; отношения сопротивления нагрузки и сопротивления термоэлемента. Максимальное значение коэффициента полезного действия = 7…19 %. Применяются ТЭГ (в комбинации с изотопными) в космосе, на автоматических метеостанциях, на ретрансляторах, маяках и т. д.
1.5 Термоэлектрический холодильник
Состоит из блока термоэлементов, составленных из некоторого числа последовательно соединенных чередующихся электронных и дырочных полупроводниковых элементов. Последовательное соединение термоэлементов в батарею осуществляется таким образом, что получается две системы спаев - по одну и по другую стороны батареи. Если через такую батарею пропустить электрический ток, то на одних спаях будет выделяться тепло Пельтье, а на других - поглощаться. Если спаи, где выделяется тепло, поддерживать при постоянной температуре Т0, то другие спаи будут охлаждаться до такой температуры Т, при которой суммарная теплота, поступающая из окружающей среды Q0, теплота теплопроводности Qи половины тепла Джоуля 1/2 Q станет равной поглощающейся в них теплоте Плетье QП. Для стационарного процесса это условие запишется в виде:
QП= Q0 + Q+ 1/2Q.(7.8)
Для изготовления термоэлементов охлаждающих устройств используются твердые растворы на основе Те, Bi, Sb, Se и т.п.
Эффект Холла
Рис 2
Рис. 2. Схема возникновения ЭДС Холла в полупроводнике n-типа
1.6 Эффект Холла
Относится к гальваномагнитным эффектам, то есть он связан с действием магнитного поля Н на электрические свойства полупроводников и металлов, по которым протекает электрический ток. Он состоит в следующем. Если полупроводник, вдоль которого течет электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярно направлению тока (рис. 7.2), то в полупроводнике возникает поперечное электрическое поле, перпендикулярное току и магнитному полю. Возникающая поперечная ЭДС получила название ЭДС Холла.
Движущиеся электроны, создающие ток I вдоль полупроводника, отклоняются силой Лоренца (по правилу левой руки) к задней грани полупроводника. У передней грани останутся не скомпенсированные ионы донорной примеси. Вследствие такого разделения зарядов появляется поперечное электрическое поле, которое препятствует дальнейшему отклонению электронов к задней грани пластины. Состояние равновесия установиться при равенстве силы, действующей на электроны со стороны поперечного поля Ех, силе Лоренца. ЭДС Холла, то есть разность потенциалов, соответствующая равновесному состоянию, находится из выражения
Ux = RхЧIЧН/а ,
где I - ток, протекающий по полупроводнику; Н - напряжённость магнитного поля; а - толщина пластины; Rх - коэффициент Холла [м3/Кл].
В обозначениях рис. 7.2 можно выразить поперечную разность потенциалов:
Ux = bЧЕх ,
где b - ширина пластины; Ех- напряженность поперечного электрического поля. Сила Лоренца, действующая на электрон:
F = еЧ[ vэЧ Н] ,
где е - заряд электрона; vэ- дрейфовая скорость электрона; Н - напряжённость магнитного поля. В равновесии еЧЕх=- еЧvэЧН, из (7.10) получим:
Ux = -bЧvэЧН.
Сила тока есть произведение плотности тока j = nЧeЧvэ (0.1) на площадь поперечного сечения S= ab:
I= (nЧeЧvэ)Чab.
Из (7.13) bvэ= I/(nЧeЧa) и, следовательно, (7.12) можно переписать в виде:
Ux = -IЧH/(nЧeЧa).
Сравнивая (7.14) с (7.9), для электронного полупроводника получим:
Rx = -1/ ( eЧn ).
Нетрудно показать, что если носителями заряда являются не электроны, а положительно заряженные дырки, то знак поперечной разности потенциалов (7.10) изменится на противоположный. Поэтому, для полупроводника р-типа получим:
Rx = 1/(eЧр). (16)
Выражения (15) и (16) получены без учёта рассеивания свободных носителей заряда на тепловых колебаниях решетки и примесях. В простейшем случае учёт влияния решётки приводит к появлению в (15) и (16) множителя А = 3/8 1,178.
Если полупроводник обладает электропроводностью смешанного типа, то выражение для Rx становится более сложным и зависит от Н. В случае очень слабого и очень сильного поля эта зависимость исчезает и в слабых полях:
.
В этом случае Rx> 0 при р2Чр >n2Чп, и наоборот, Rx< 0 при р2Чр <n2Чп. Если р2Чр =n2Чп, то Rx= 0, и в таком полупроводнике ЭДС Холла не возникает (Ux = 0, согласно (9)). Кроме того, при р = 0, выражение (17) переходит в (15), а при п = 0 - в
Для собственного полупроводника, где концентрации электронов и дырок равны: n = p, Rxотличен от нуля благодаря неравенству подвижностей электронов и дырок:
.
Поперечная ЭДС Холла Ux, ток I, напряжённость магнитного поля Н и толщина пластины а легко могут быть измерены. Зная эти величины, легко найти постоянную Холла Rx. Измерение постоянной Холла для полупроводников с одним типом свободных носителей заряда позволяет определять знак, плотность и «холловскую» подвижность носителей заряда.
Список использованных источников
1.Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - Учеб. Для студентов по спец. ”Полупроводники и диэлектрики” - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986.
2. Коновалов О.М. Полупроводниковые материалы. Х.: Издательство Харьковского ордена трудового красного знамени государственного университета имени А.М.Горького, 1963.
3.Н.И.Слипченко, В.А.Антонова, О.В.Бородин, Ю.О.Гордиенко. Материалы электронной техники. Учебн. пособие - Х.: ХТУРЭ, 2001.
4.А.И.Курносов. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных схем. М.: Высшая школа, 1980.
5. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электрические материалы - 6-е изд., перераб. - Л.:Энергия, 1977.
6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.
7.Шалимов К.В. Физика полупроводников: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
8.Ф.Блат. Физика электронной проводимости в твердых телах. М.: Мир, 1971.
9.К.В.Шалимов. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам.- М.: Высшая школа, 1968.
10.Пасынков В.В., Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. - М.: Высшая школа, 1977
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Сущность внутреннего фотоэффекта. Фотопроводимость при наличии поверхностной рекомбинации и диффузии носителей заряда. Эффект Дембера. Измерение фотоэлектромагнитного эффекта. Особенности p-n переходов в полупроводниках, барьер Шоттки для электронов.
курсовая работа [788,8 K], добавлен 27.11.2013Суть гальваномагнитных явлений в полупроводниковых материалах. Эффекты Холла, Эттингсгаузена и Нернста. Закономерности, структура и химическая связь соединений типа АIIIВV. Изопериодные гетероструктуры. Подвижность носителей заряда в полупроводниках.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 09.12.2010Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории. Эффект Холла в ферромагнетиках и полупроводниках. Датчик ЭДС Холла. Угол Холла. Постоянная Холла. Измерение эффекта Холла. Эффект Холла при примесной и собственной проводимости.
курсовая работа [404,9 K], добавлен 06.02.2007Поглощение света свободными носителями заряда. Электрография и фотопроводимость полупроводников. Влияние сильных электрических попей на электропроводность полупроводников. Подвижность носителей в ионных кристаллах и полупроводниках с атомной решеткой.
реферат [1,6 M], добавлен 28.03.2012Понятие и свойства полупроводника. Наклон энергетических зон в электрическом поле. Отступление от закона Ома. Влияние напряженности поля на подвижность носителей заряда. Влияние напряжённости поля на концентрацию заряда. Ударная ионизация. Эффект Ганна.
реферат [199,1 K], добавлен 14.04.2011Эффект поля в Германии при высоких частотах, применение эффекта поля. Дрейфовый и диффузный токи в полупроводниках. Образование обедненных, инверсионных, обогащенных слоев в полупроводнике. Характеристики полевого транзистора, приборы с зарядовой связью.
курсовая работа [4,4 M], добавлен 24.07.2010Экспериментальные методы измерения подвижности носителей зарядов в диэлектриках. Эффект переключения диэлектрических пленок в высокопроводящее состояние. Исследование подвижностей носителей заряда времяпролетным методом. Изготовление пленочных образцов.
дипломная работа [484,3 K], добавлен 13.10.2015Открытие, объяснение эффекта Пельтье. Схема опыта для измерения тепла Пельтье. Использование полупроводниковых структур в термоэлектрических модулях. Структура модуля Пельтье. Внешний вид кулера с модулем Пельтье. Особенности эксплуатации модулей Пельтье.
курсовая работа [499,8 K], добавлен 08.11.2009Сущность 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 14.02.2016Как устроен пьезоэлектрический полупроводник. Поглощение и усиление звука. Нелинейные эффекты при усилении звука. Усиление акустических шумов и связанные с этим явления. Звукоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект.
реферат [29,3 K], добавлен 11.01.2004Геометрия эксперимента по наблюдению эффекта Холла. Идеальный датчик Холла, свойства и технология изготовления. Внутренняя схема линейного датчика Холла и график его характеристики преобразования. Конструкции датчиков тока. Расходомер, принцип действия.
курсовая работа [998,0 K], добавлен 18.05.2012Значение дробного квантового эффекта Холла для исследований в области физики твердого тела и квантовой электродинамики. Двумерный электронный газ и его свойства. Причины возникновения эффекта Холла. Электроны и кванты потока, композиционные частицы.
реферат [843,4 K], добавлен 01.12.2014Удельное сопротивление полупроводников. Строение кристаллической решетки кремния. Дефекты точечного типа и дислокации. Носители заряда и их движение в электрическом поле. Энергетические уровни и зоны атома. Распределение носителей в зонах проводимости.
презентация [150,3 K], добавлен 27.11.2015Распределение примеси и носителей заряда в полупроводнике при изменении типа проводимости. Определение дебаевской длины в собственном полупроводнике. Знаки нормальных и касательных напряжений. Градировочная таблица термопары платинородий-платина.
контрольная работа [499,5 K], добавлен 29.06.2012Традиционные 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 11.07.2015Основные свойства полупроводников. Строение кристаллов. Представления электронной теории кристаллов. Статистика электронов в полупроводниках. Теория явлений переноса. Гальваномагнитные и термомагнитные явления. Оптический свойства полупроводников.
книга [3,8 M], добавлен 21.02.2009Основы 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 09.06.2015Открытие явления сверхпроводимости. Первые экспериментальные факты. Эффект Мейснера, изотопический эффект. Теория сверхпроводимости. Щель в энергетическом спектре. Образование электронных пар. Квантование магнитного потока (макроскопический эффект).
дипломная работа [2,7 M], добавлен 24.08.2010Пьезоэлектрический эффект в кристаллах. Диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект. Прямой и обратный эффект пьезоэлектриков. Сжатие пьезо-электрической пластинки. Основные виды поликристаллических пьезоэлектриков. Основные свойства пьезоэлектриков.
презентация [582,4 K], добавлен 14.11.2016Определение длины проволоки для намотки резистора. Концентрация электронов и дырок в собственном и примесном полупроводнике. Диффузионная длина движения неравновесных носителей заряда в полупроводниковом материале. Проводимость конденсаторной керамики.
контрольная работа [89,8 K], добавлен 12.11.2013