ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Провести исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры

2.Определить энергию активации.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

К полупроводникам относят широкий класс веществ, характеризующийся значением удельного сопротивления r, промежуточным между удельным сопротивлением металлов 10^-6 – 10^-8 Ом^. м и удельным сопротивлением диэлектриков 10 ¹⁰- 10¹²Ом м. При абсолютном нуле температуры полупроводники ведут себя как диэлектрики. Характерные полупроводниковые свойства кристаллов появляются при нагревании и при введении в них примесей.

Сопротивление полупроводников в отличие от металлов уменьшается с повышением температуры. В широком интервале температур эта зависимость имеет экспоненциальный характер:

R = A exp( ) (27)

где E_g- энергия активации или ширина запрещенной зоны, ее значение может быть равным от сотых долей электрон вольт (эВ) до 2-3 эВ; А - коэффициент, слабо зависящий от температуры, k – постоянная Больцмана.

Формула (27) показывает, что для валентных электронов в полупроводнике энергия связи с атомами порядка E_g. С увеличением температуры часть электронов, пропорциональная

ехр ( ), становится свободной и участвует в создании тока проводимости.

Связь электронов с атомами может быть разорвана и другими воздействиями на них: электрическим полем, облучением светом или более жестким электромагнитным излучением и т.д.

Все полупроводники можно условно разбить на две группы: элементарные – чистые (германий, кремний и т.д.) и полупроводниковые соединения (оксиды, сульфиды, двойные соединения элементов третьей и пятой групп периодической системы А^IIIВ^V, например, арсенид галлия GaAs и т.д.).

Исследования показывают, что носители тока в полупроводниках имеют как отрицательный, так и положительный заряды. В результате разрыва связи с атомами электроны переходят в пространство кристаллической решетки и участвуют в токе проводимости как отрицательные носители тока. Разорванная связь вдали от свободного электрона становится положительным носителем тока – дыркой, блуждающим по кристаллу. В элементарных полупроводниках концентрации электронов и дырок равны, но их вклад в электропроводность не одинаков, так как подвижность носителей тока различна. Проводимость чистых элементарных полупроводников носит название собственной проводимости.

Источниками носителей тока в полупроводниковых соединениях могут быть атомы примеси, дефекты кристаллической решетки и т.д. Примеси, дефекты делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают в пространство кристаллической решетки избыточные электроны и создают электронную проводимость (полупроводники n-типа).

Акцепторы захватывают валентные электроны у атомов вещества, в кристаллической решетке которого они находятся, и создают дырочную проводимость (полупроводники р-типа).

Теоретическая модель проводимости полупроводников была разработана А. Вильсоном в 1931 году после создания квантовой теории твердого тела.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Схема установки и порядок проведения эксперимента те же, как и в работе 4. Сопротивление полупроводника измеряется здесь с помощью осциллографа С1-112.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1.По экспериментальным данным построить график зависимости, откладывая по осям значения

lnR и 1/T. Линейный характер полученной зависимости свидетельствует об экспоненциальным

законе спадания сопротивления с увеличением температуры.

2.Значение энергии E _g может быть вычислено из формулы (27): если ее прологарифмировать, то

получим:

ln R = ln A + E _g / 2kT

Вводя обозначения: новые переменные lnR = y, 1/T = x и ln A = b, E _g /2k = a (28) - новые постоянные, приходим к зависимости вида y = ax + b.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.Что является носителями зарядов в металлах, в полупроводниках n и р - типа?

2.Что такое собственная и примесная проводимости полупроводников? За счет чего они

образуются?

3.Как объяснить полученную температурную зависимость сопротивления полупроводников?

(Сравнить с аналогичной зависимостью металлов).

ЛИТЕРАТУРА: [6. §166]

РАБОТА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

1.Исследовать работу полупроводникового диода в качестве выпрямителя.

2.Провести осциллографическое исследование вольт-амперной характеристики

полупроводникового диода.

3.Снять вольтамперную характеристику диода с помощью амперметра и вольтметра.

4.Определить значение элементарного заряда.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Полупроводниковый диод – распространенный прибор для выпрямления переменного тока. Выпрямители – устройства, обладающие односторонней проводимостью, вольт-амперная характеристика их несимметрична. Для полупроводнико –

вого диода она имеет вид, указанный на рис.11.

Полупроводниковый диод представляет собой кристалл,

содержащий две области с различным типом проводимости

(см. работу 5), причем переход от проводимости n-типа к

р-типу осуществляется плавно. Толщина р-n перехода состав-

ляет величину порядка 10^-4 см.

Рассмотрим качественно физические процессы, происходя-

щие в р-n переходе. В области р-типа основными носи-

телями заряда являются дырки, а не основными – элек-

троны, т.к. число дырок значительно превышает число

свободных электронов.

В области n-типа наоборот количество свободных электронов превышает число дырок.

Если между этими областями существует контакт (рис.12а), то вследствие диффузии основных носителей через р-n переход возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии основных носителей через переход, контактная разность потенциалов определяет высоту потенциального барьера По. Через эту граничную область диффундируют и не основные носители, создавая ток I_S, называемый дрейфовым. В отсутствие внешнего электрического поля или другого воздействия на р-n переход дрейфовый ток уравновешивается

диффузионным током I_r основных носителей, результирующий ток через контакт равен нулю.

Пусть на p-область накладывается отрицательный, а на n-область положительный внешний потенциал (рис.12б), в результате чего разность потенциалов между этими областями увеличивается. Основные носители в обеих областях уходят от р-n перехода, ток I _rблизок к нулю, дрейфовый ток Is, создаваемый неосновными носителями, также мал. Результирующий ток через контакт, хотя и не равен нулю, но очень мал (обратный ток - нижняя ветвь на рис.11).

Этот факт можно трактовать как увеличение сопротивления переходного слоя при обеднении его носителями тока.

Пусть на p-область накладывается положительный, а на n-область - отрицательный потенциал (рис.12в). Это приводит к снижению высоты потенциального барьера в p-n переходе. Ток I_r при этом становится значительно больше, чем ток I_s, так как основные носители движутся к p-n переходу навстречу друг другу. Увеличение числа свободных зарядов снижает сопротивление перехода. Результирующий ток с увеличением напряжения, приложенного к p-n переходу, резко возрастает (прямой ток на рис.11).

Зависимость результирующего тока p-n перехода от приложенного напряжения описывается формулой

I = I_S [еxp ( ) -1]

где: I_S - предельное значение обратного тока,

U - внешнее напряжение, приложенное к p-n переходу,

k - постоянная Больцмана, T - температура,

При температурах, близких к комнатной и выше, и напряжениях U > 0, 1B, единицей по сравнению с экспонентой можно пренебречь и считать, что

I = I _S exp ( ) (29)

где n - коэффициент, зависящий от типа диода (n=4).

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Для проведения лабораторной работы используется стенд, на котором смонтированы три схемы 1 - источник питания для снятия вольт-амперных характеристик;

2 - для наблюдения осциллограммы вольт-амперной характеристики;

3 - для изучения работы однополупериодного выпрямителя.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ 1. Принцип работы выпрямителя.

Подключите схему 3 стенда (рис.13) к осциллографу. При включенной развертке получите на экране кривую изменения во времени напряжения на резисторе R в двух случаях: при замкнутом и при разомкнутом ключе К.

В отчете дать вид осциллограмм, скопированный с экрана, и их объяснение

ЗАДАНИЕ 2. Наблюдение вольт-амперной характеристики.

Для выполнения задания необходимо воспользоваться схемой 2 стенда (рис.14) и осциллографом.Генератор развертки осциллографа должен быть отключен. В отчете привести вид вольт-амперной характеристики, скопированной с экрана, и пояснения ее хода.

ЗАДАНИЕ 3. Снятие вольт-амперной характеристики.

Используется схема 1 стенда, к которому подключаются амперметр и вольтметр через дополнительную схему, содержащую диод. Регулировка напряжения производится резисторами схемы 1. При проведении измерений следует учитывать, что измерительные приборы имеют собственное сопротивление и поэтому изменяют режим работы исследуемой цепи. При снятии вольт-амперной характеристики для прямого тока при подключении к стенду приборов необхо-

димо использовать схему рис.15а, для обратного тока – схему рис.15б.

ЗАДАНИЕ 4. Пользуясь вольтамперной характеристикой p-n перехода и формулой ( 29 ), определить величину элементарного заряда.

1 234