Лабораторная работа № 2-4Б

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2-4Б

ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКА

Приборы и принадлежности: печь, термометр, полупроводник, магазин сопротивлений (или милиамперметр и вольтметр).

Цель работы: Изучить на опыте особенности температурной зависимости сопротивления полупроводников, научиться обращаться с современными физическими приборами, приобрести навыки графического метода обработки результатов измерений. Определение сопротивления полупроводников при различных температурах. Расчет энергии активации полупроводника.

1. Краткая теория

Полупроводники, как особый класс веществ, были известны еще с конца 19 века, но только развитие квантовой теории твердого тела позволило понять их особенности (30-е годы 20 века). В настоящее время в радиоэлектронике и приборостроении используются полупроводниковые диоды и транзисторы, интегральные микросхемы. Созданы полупроводниковые лазеры, обладающие малыми размерами, малой инерционностью и возможностью спектральной перестройки.

Полупроводники характеризуются значениями удельного сопротивления, промежуточной между значениями удельного сопротивления проводников (~10^–7 Ом м) и диэлектриков (~10⁸ Ом м). В научном и практическом отношении наибольший интерес представляют твердые полупроводники: Si, Ge, Te и др. – элементы IV, V и VI групп периодической системы Менделеева и их химические соединения. В отличие от металлов полупроводники имеют следующие основные особенности:

1) сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры;
2) электрический ток в полупроводниках обусловлен перемещением не только свободных, но и связанных (с атомами) электронов;
3) небольшое количество примеси может очень сильно наменять сопротивление полупроводника (сотни доли процента изменяют сопротивление в десятки тысяч раз).
Классическая теория электропроводности, хорошо объясняющая проводимость металлов в широком диапазоне температур, не и состоянии объяснить особенности электропроводности полупроводников.

На эти и многие другие вопросы отвечает квантовая теория.
Большой раздел квантовой физики занимает зонная теория твердых тел. При объединении атомов в кристаллическое тело структура энергетических уровней электронов претерпевает важные изменения. У одиночных атомов одного и того же элемента энергия соответствующих уровней в точности одинакова.

При сближении N атомов эти уровни расщепляются так, как это изображено на рис. 13а, и образуют совокупности N уровней, называемых зонами (обозначены на рис.13 цифрами 1 и 3).

Ширина зон определяется величиной связи между атомами и не зависит от числа атомов в кристалле. В то же время количество уровней в зоне равно числу атомов. Таким образом, расстояние между уровнями оказывается столь незначительным, что говорить о положении отдельных уровней в зоне не имеет смысла.

В то же время количество уровней сохраняет вполне ясный смысл, так как при сближении атомов число возможных состояний (а, следовательно, и число электронов, которые могут занять эти со-стояния) не изменяется. Электропроводность кристаллов определяется распределением электронов по уровням.

В металлах электроны частично заполняют последнюю из занимаемых зон - зону проводимости, незаполненные уровни в ней являются свободными состояниями (рис.13в). В присутствии поля электроны зоны могут занимать эти состояния, что равносильно получению электронами импульса, т.е. кристалл проводит ток.

Интернет-магазин