Физические основы современных технологий

Министерство транспорта Российской Федерации

федеральное государственное БЮДЖЕТНОЕ

образовательное учрежедение

высшего профессионального образования

Московский государственный

технический университет

Гражданской авиации

Иркутский филиал

Кафедра естественно-научных дисциплин

А.А. Вайчас

 

 

Физические основы современных технологий

Пособие по выполнению лабораторных работ

 

 

для студентов очной и заочной форм обучения

специальностей 162500, 25.03.02

 

Иркутск – 2015

Рецензент: канд. физ.-мат. наук, доц. Д.В. Хазанов

 

А.А. Вайчас

Физические основы современных технологий: пособие по выполнению лабораторных работ. – И.: ИФ МГТУ ГА, 2015. – 62 с.

 

Данное пособие издается в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины «Физические основы современных технологий» по Учебному плану для студентов 2 курса очной формы обучения и студентов 3 курса заочной формы обучения специальностей 162500, 25.03.02

Пособие включает в себя описания лабораторных работ. В описании каждой работы кратко изложен теоретический материал, приведены вывод расчетных зависимостей, описание экспериментальной установки, порядок выполнения лабораторной работы и контрольные вопросы.

Рассмотрено и одобрено на заседаниях кафедры ЕНД, протокол №8 от 11.02.2015г. и методического совета по специальностям 160903 и 162500 Иркутского филиала МГТУ ГА, протокол №24 от 20.02.2015.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………..
Лабораторная работа №1.	Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектриков………………………………….
Лабораторная работа №2.	Внутренний фотоэффект. Исследование характеристик фоторезистора……………………..
Лабораторная работа №3.	Исследование характеристик фотодиода…………
Лабораторная работа №4.	Исследование электропроводности металлов и полупроводников……………………………………
Библиографический список………………….....	……………………………………………………….

 

 

Введение

 

Выполнение студентами лабораторных работ помогает им лучше понять суть изучаемых теоретически явлений и процессов, а также освоить на практике методы экспериментальных исследований.

Для выполнения работы студенту необходимо подготовиться к ней заранее. При подготовке к лабораторным занятиям студент должен повторить соответствующий теоретический материал по учебнику и конспекту лекций. По пособию к лабораторной работе разобраться в порядке ее проведения.

При этом в рабочую тетрадь необходимо записать:

– название лабораторной работы;

– цель исследования;

– перечень приборов и принадлежностей, используемых при выполнении лабораторной работы;

– ответы на контрольные вопросы;

– краткое описание работы: теория вопроса, описание экспериментальной установки и методики измерений, необходимые формулы;

– таблицы для записи результатов измерений;

Контрольные вопросы, включенные в описания, предполагают использование рекомендованной литературы. Готовность студента преподаватель проверяет непосредственно перед работой. Допущенный к лабораторной работе студент приступает к ее выполнению. Полученные результаты студент заносит в таблицы, которые проверяются и визируются преподавателем. По результатам измерений в рабочую тетрадь записывают:

– расчеты определяемых величин (в случае необходимости результаты эксперимента приводятся в виде графиков);

– расчеты погрешностей. Оценки результатов измерений, сравнение их с табличными значениями измеряемых величин;

– краткие выводы по работе.

 

Список литературы, рекомендуемой для подготовки к выполнению лабораторных работ:

1. Савельев И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов втузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука, 1982. – 3т. – 304 с.

2. Трофимова Т.Н. Курс физики: учеб.пособие для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 560 с.

 

 

Лабораторная работа №1

 

Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектриков

 

Цель работы: исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектриков и эксперимен­тальное определение их параметров.

 

Приборы и принадлежности: генератор переменного напряжения, стенд с объектами исследования С3-СЭ01 «Сегнетоэлектрики», осциллограф.

 

 

Введение

Диэлектрики в электростатическом поле.

Методика эксперимента

 

Для определения параметров сегнетоэлектрика используется петля гистерезиса, которая наблюдается на экране осциллографа.

Получить и наблюдать петлю диэлектрического гистерезиса можно с помощью электрической схемы, приведенной на рис. 1.11. Два конденсатора С₁ и С₂ соединены последовательно и подключены к регулируемому источнику переменного напряжения – генератору переменного напряжения. Конденсатор С₁ заполнен обычным «линейным» диэлектриком с постоянной диэлектрической проницаемостью, а конденсатор С₂ – сегнетоэлектриком. Параллельно этой цепочке конденсаторов включены два резистора. Резистор R₂ обладает эквивалентным омическим сопротивлением исследуемого сегнетоэлектрика, а резистор R₁ служит для подбора равенства фаз напряжений, подаваемых на вход осциллографа (ЭО).

 

Рис. 1.11. Электрическая схема установки для изучения

поляризации сегнетоэлектриков.

Ёмкость конденсатора С₂ и напряжённость электрического поля Е внутри сегнетоэлектрика рассчитываются по формулам

, (1.15)

, (1.16)

где e – диэлектрическая проницаемость, S – площадь обкладок, d – расстояние между ними, – напряжение между обкладками. Так как конденсаторы соединены между собой последовательно, то заряды на их обкладках будут одинаковыми

. (1.17)

Отсюда

, (1.18)

или, учитывая (1.15), получаем

. (1.19)

Подставим (1.19) в (1.16), получим

. (1.20)

Из соотношения с учетом того, что для сегнетоэлектрика e > > 1, следует

. (1.21)

Тогда уравнение (1.20) примет вид

, (1.22)

откуда следует, что

, (1.23)

то есть напряжение на конденсаторе C₁ пропорционально поляризованности сегнетоэлектрика. Это напряжение подают на вход Y осциллографа.

Найдём напряжение на резисторе R₁. Ток, текущий через этот резистор, по закону Ома равен

. (1.24)

Такой же ток протекает и по участку цепи с сопротивлением (R₁+R₂)

, (1.25)

где – падение напряжения на резисторе R₁. Из сравнения уравнений (1.24) и (1.25) получим

, (1.26)

где – напряжение, подаваемое на вход схемы (рис. 1.11). Полагаем, что C₁ > > C₂. Тогда из (1.18) следует, что , и . Тогда из (1.26) следует

, (1.27)

откуда с учётом равенства (1.16), получаем уравнение

, (1.28)

то есть напряжение на резисторе R₁ пропорционально напряжённости внешнего электрического поля. Это напряжение подают на вход X осциллографа.

Таким образом, из уравнений (1.23) и (1.28) видно, что если напряжение подать на вход вертикальной развёртки осциллографа (Y), а напряжение – на вход горизонтальной развертки (X), то электронный луч в направлении оси Y будет отклоняться пропорционально поляризованности Р сегнетоэлектрика, а в направлении оси x – пропорционально напряжённости внешнего электрического поля E. За один период синусоидального изменения напряжения электронный луч на экране опишет полную петлю гистерезиса, и за каждый последующий период в точности повторит её. Поэтому на экране будет наблюдаться неподвижная петля.

Из приведенных выше формул (123) и (1.28) можно вычислить поляризованность сегнетоэлектрика P, напряжённость внешнего электрического поля E, а из формулы их связи (1.21) – диэлектрическую восприимчивость ε сегнетоэлектрика:

, (1.29)

, (1.30)

, (1.31)

где U_x и U_y – напряжение, подаваемое на входы (X) и (Y) осциллографа, которое можно определить с его помощью следующим образом

U_x = k_x· x, 1.32)

U_y = k_y· y, (1.33)

где x и y – значения, отсчитываемые по осям «Х» и «Y» осциллографа.

С учетом формул (1.32) и(1.33) в конечном виде расчетные формулы для вычисления поляризованности сегнетоэлектрика P, напряжённости внешнего электрического поля E и диэлектрической восприимчивости ε сегнетоэлектрика будут иметь вид:

, где (1.34)

, где (1.35)

. (1.36)

 

Порядок выполнения работы

 

1. Установите максимальное выходное напряжение генератора переменного напряжения.

2. Получите на экране осциллографа изображение петли гистерезиса и установите его симметрично относительно осей Х и У на шкале экрана.

3. Масштабный коэффициент k_у осциллографа выберите таким, чтобы петля гистерезиса занимала всю площадь экрана.

4. Заполните таблицу 1.1.

5. Рассчитайте коэффициенты a, b содержащиеся в формулах (1.34) и (1.35).

6. Измерьте координаты x_к и у_ост пересечения петли гистерезиса с осями координат на шкале экрана (рис. 1.12), и по формулам (1.34) и (1.35) вычислите коэрцитивную силу E_к и остаточную поляризованность P_ост сегнетоэлектрика. Данные занесите в таблицу 1.2.

7. Измерьте координаты x_нас и у_нас петли гистерезиса и по формулам (1.34), (1.35) и (1.36) вычислите соответствующие значения E_нас, P_нас и ε . Данные занесите в таблицу 1.2.

8. Уменьшая постепенно значения входного напряжения, получите соответствующие им петли гистерезиса и выполните измерения и вычисления по п.7. Данные занесите в таблицу 1.3.

9. Установите максимальное выходное напряжение генератора переменного напряжения. Поворачивая на стенде по часовой стрелке терморегулятор, начните нагревание сегнетоэлектрика. Следите за значениями температуры по показаниям индикатора температуры. Нагревание продолжайте до тех пор, пока петля гистерезиса не превратится в прямую линию. Зафиксируйте температуру T = T_к (точка Кюри) для данного образца сегнетоэлектрика, при которой петля вырождается в прямую линию.

10. Используя данные таблицы 1.3, постройте график зависимости P = f(E) – кривую начальной поляризации, а также график зависимости ε = f(E).

11. По окончании работы выключите питание генератора напряжения, стенда с объектом исследования и осциллографа.

 

Рис. 1.12. Осциллограмма диэлектрического гистерезиса.

Таблица 1.1

S, м2	d, м	С1, Ф	R1, Ом	R2, Ом	kx, В/дел	ky, В/дел

Таблица 1.2

Umax, В	a, В/(м× дел)	b, Кл/(м2× дел)	xк, дел	уост, дел	Eк, В/м	Pост, Кл/м2	xнас, дел	унас, дел	Eнас, В/м	Pнас, Кл/м2	ε

 

Таблица 1.3

U, В	xнас, дел	унас, дел	E, В/м	P, Кл/м2	ε

 

 

Контрольные вопросы

1. Что называется электрическим диполем? Как ведет себя диполь в однородном и неоднородном электрическом поле?

2. В чем заключается поляризация диэлектриков? Какая величина является количественной характеристикой поляризации?

3. Какие виды поляризации имеют место в диэлектриках?

4. Как определяется напряженность электрического поля в диэлектрике?

5. Какая связь между вектором поляризации и напряженностью электрического поля в диэлектрике?

6. Что характеризует диэлектрическая проницаемость среды?

7. Перечислите основные свойства сегнетоэлектриков?

8. Как ведут себя домены при увеличении напряженности внешнего электрического поля?

9. В каких областях техники применяются сегнетоэлектрики?

 

 

Лабораторная работа №2

 

Введение

Внутренний фотоэффект

Фотоэффект – группа явлений взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный (является разновидностью внутреннего). В прозрачном диэлектрике или полупроводнике фотон поглощается внутри кристалла электроном, связанным с определенным атомом решетки. При таком внутреннем фотоэффекте электрон вырывается из атома, но остается внутри кристалла. Возникающие узлы с нарушенными электрическими свойствами становятся способными поглощать и рассеивать длинноволновое излучение и тем самым приводят к изменению окраски кристалла. При прохождении жестких γ -лучей энергия, поглощенная кристаллом и затрачиваемая на возбуждение его атомов, в некоторых телах способна сразу же излучаться обратно в виде кратковременной вспышки света – сцинтилляции. В случае полупроводников вырванный электрон попадает в зону проводимости, становится свободным и снижает тем самым электрическое сопротивление.

Таким образом, в результате внутреннего фотоэффекта концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы.

 

Собственные полупроводники

 

К полупроводникам относятся твердые тела, у которых при абсолютном нуле валентная зона полностью занята электронами, а зона проводимости отделена от валентной сравнительно узкой запрещенной зоной. Своим названием полупроводники обязаны тому, что их электропроводность меньше, чем у металлов, но больше, чем у диэлектриков. Удельное сопротивление полупроводников занимает довольно широкий интервал от 10^-5 до 10⁸ Омּ м. Полупроводники разделяются на два класса: собственные полупроводники и примесные. К собственным полупроводникам относятся химически чистые вещества, такие, как Si, Ge, PbS, CdS, GaAs, InSb и др.

Рассмотрим механизм возникновения собственной проводимости полупроводников на примере германия. Ранее мы выяснили, что при Т = 0К в собственном полупроводнике отсутствуют свободные носители заряда: четыре валентных электрона атома германия участвуют в ковалентных связях с четырьмя соседними атомами. Если валентный электрон, участвующий в связи, получит дополнительную энергию, достаточную для его отрыва от атома, он покидает связь и становится свободным (рис. 2.6а). Та связь, из которой ушел электрон, становится неполноценной. Нехватка электрона в связи проявляет себя как положительный заряд. На это вакантное место может перейти электрон с одной из соседних связей, тогда положительный заряд перейдет на его место. Это позволило ввести представление о дырках – квазичастицах, несущих положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и перемещающихся по кристаллу под действием электрического поля.

а	б

Рис. 2.6. Возникновения собственной проводимости полупроводников.

 

Рассмотрим зонную схему собственного полупроводника (рис. 2.6б). При абсолютном нуле все уровни валентной зоны заняты электронами, а уровни зоны проводимости свободны. Кристалл не проводит электрический ток из-за отсутствия свободных носителей тока. Чтобы они появились, необходимо электронам, находящимся в валентной зоне, сообщить дополнительную энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны Δ Е₀. Получив эту энергию, электроны перейдут на свободные уровни зоны проводимости и получат возможность перемещаться под действием электрического поля. В валентной зоне на месте ушедших электронов останутся дырки, которые также являются свободными носителями тока. Таким образом, в собственных полупроводниках электропроводность осуществляется движением как электронов, так и дырок. Концентрации электронов и дырок в собственных полупроводниках всегда одинаковы, поскольку появление электрона в зоне проводимости сопровождается появлением дырки в валентной зоне. Проводимость собственных полупроводников является возбужденной, т.е. проявляется только под действием внешних факторов: температуры или облучения. Энергия, необходимая для возбуждения проводимости, называется энергией активации. У собственных полупроводников энергия активации равна ширине запрещенной зоны Δ Е₀.

Методика эксперимента

Электропроводность собственного полупроводника, обусловленная тепловым возбуждением, называется темновой проводимостью:

γ _Т = q_en(u_n+ u_p), (2.1)

где n – концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне; u_nи u_p– подвижность электронов и дырок соответственно; q_e – заряд носителя тока.

При освещении полупроводника возникают дополнительные свободные носители заряда, обусловленные внутренним фотоэффектом. При поглощении кванта света один из валентных электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется дырка. Очевидно, такой переход возможен, если энергия фотона hν равна или несколько больше ширины запрещенной зоны Δ E₀:

hν ≥ Δ E₀. (2.2)

Из сказанного ясно, что полная электропроводность складывается из темновой и фотопроводимости:

γ =γ _Т +γ _Ф . (2.3)

Основными характеристиками фоторезистора являются вольт-амперная, световая и спектральная.

Вольт-амперной характеристикой называется зависимость тока, протекающего через фоторезистор, от величины приложенного напряжения при постоянном световом потоке I = f (U)_{Ф = Сonst}:

, (2.4)

где I_C – световой ток; I_Т – темновой ток; I_Ф – фототок; S – площадь поперечного сечения; l – длина проводника.

В частности, если световой поток равен нулю, то характеристика называется темновой. Из уравнения (2.4) видно, что вольт-амперная характеристика как темновая, так и при освещении является линейной, поскольку при постоянной температуре (ток, протекающий через фоторезистор, не должен приводить к разогреву полупроводникового прибора) и постоянном световом потоке электропроводность не зависит от напряжения. Следует отметить, что в области обычно реализуемых освещенностей световой ток намного больше темнового, т. е. I_С ≈ I_Ф.

Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от величины падающего светового потока при постоянном значении приложенного напряжения I_Ф=f(Ф)_U=Const. Световая характеристика обычно нелинейная. При больших освещенностях увеличение фототока отстает от роста светового потока, намечается тенденция к насыщению. Это объясняется тем, что при увеличении светового потока наряду с ростом концентрации генерируемых носителей заряда растет вероятность их рекомбинации.

Спектральной характеристикой называется зависимость фототока от длины волны при постоянной энергии падающего излучения I_Ф=f(λ )_{Ф=Const, U=Const}. Фототок в собственном полупроводнике появляется, начиная с длины волны λ ₀ соответствующей равенству

, (2.5)

где Δ E₀ – ширина запрещенной зоны полупроводника; λ ₀ – край собственного поглощения (красная граница фотоэффекта); с – скорость света в вакууме.

Зная ширину запрещенной зоны, можно определить полупроводник, из которого сделан фоторезистор (таблица 2.1).

Таблица 2.1

Полупроводник	Ge	Si	InSb	GaAs	GaP	CdS	CdSe	PbS
Δ E , эВ	0, 72	1, 12	0, 17	1, 42	2, 26	2, 42	1, 70	0, 41

 

С увеличением энергии фотона в реальной спектральной характеристике фототок быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что с уменьшением λ растет коэффициент оптического поглощения, а это приводит к поглощению света в тонком приповерхностном слое вещества, к повышению концентрации неравновесных носителей и соответственно повышенной скорости рекомбинации в этом слое.

В качестве источников света в лабораторной установке используется набор светодиодов (кластер), излучающих в различных узких диапазонах длин волн. Эти диапазоны лежат в видимой и инфракрасной частях спектра.

На рис. 2.9 представлена электрическая схема. В качестве источника ЭДС используется генератор регулируемого постоянного напряжения блока ИПС1, работающий в диапазоне 0..6, 3В. Такое включение измерительных приборов позволяет исключить шунтирование вольтметром фоторезистора. При этом в рабочем диапазоне токов влияние внутреннего сопротивления амперметра на показания вольтметра незначительное.

При выполнении работы необходимо учитывать, что в лабораторной установке устанавливается не абсолютная, а относительная интенсивность излучения J/J₀, где J₀ – некоторая константа, задаваемая измерительным прибором, и регулируется пользователем с помощью регулятора.

 

Рис. 2.9. Схема измерительной установки.

 

Лабораторная установка

Экспериментальная установка (рис. 2.10) для изучения внутреннего фотоэффекта состоит из:

- амперметра 1 и вольтметра 2, собранных конструктивно в одном корпусе 3;

- блока питания ИПС1 4, включающего в себя генератор постоянного напряжения 5 и узел 6, управляющий светодиодным кластером, состоящим из 8 светодиодов с различными длинами волн излучения;

- стенда 7 с объектами исследования С3-ОК1, содержащего набор излучателей 8 и исследуемый фоторезистор 9.

Рис. 2.10. Лабораторная установка.

 

 

Порядок выполнения работы

 

1. Соберите схему, показанную на рис.2.9.

2. Включите установку, нажав на кнопки «Сеть» на блоках 3 и 4. Установите максимальное значение интенсивности светового потока. Для этого необходимо вращать ручку 13.

3. Снимите семейство вольт-амперных характеристик I = f(U)_{J/J0=Const, λ =Const}. Для этого нажатием кнопки 10 переключения светодиодов установите длину волны излучения источника света, порядковый номер которого «1». Номер выбранного источника отображается на индикаторе 11. Вращая регулятор 12 напряжениягенератора 5, снимите при этой длине волны вольт-амперную характеристику фоторезистора I(U). Полученные данные занесите в таблицу 2.2.

4. Повторите соответствующие измерения силы тока и напряжения при других длинах волн, которые указаны в таблице 2.2.

5. Снимите семейство световых характеристик I_Ф = f (J/J₀)_{U =Const, λ =Const}. Для этого сначала установите минимальное значение интенсивности светового потока, вращая ручку 13, а также установите напряжение генератора, равное 6В. Далее, меняя значения интенсивности светового потока вращением ручки 13, снимите соответствующие им значения фототока. Полученные данные занесите в таблицу 2.3.

6. Повторите соответствующие измерения интенсивности светового потока и силы фототока при других длинах волн, которые указаны в таблице 2.3.

7. Снимите спектральную характеристику фоторезистора I_Ф = f(λ )_{J/J0=Const, U =Const}. Для этого установите максимальное значение интенсивности светового потока и напряжение генератора, равное 6В. Изменяя длину волны света, падающего на фотоэлемент, с помощью кнопки 10, снимите соответствующие значения фототока. Полученные данные занесите в таблицу 2.4.

8. По результатам измерений, проведенных согласно пунктам 3-7, постройте графики вольт-амперной, световой и спектральной характеристик фоторезистора.

9. Определите по спектральной характеристике край собственного поглощения λ ₀. Оцените ширину запрещенной зоны полупроводника Δ Е, из которого сделан фоторезистор, по формуле (2.5). Запишите полученное значение в электрон-вольтах. Определите, пользуясь таблицей 2.1, полупроводник, из которого сделан фоторезистор.

 

Таблица 2.2

№ п/п

l0

U, В

I, мкА

l2

U, В

I, мкА

l6

U, В

I, мкА

 

 

Таблица 2.3

№ п/п

l2

J/J0

IФ, мкА

l4

J/J0

IФ, мкА

l6

J/J0

IФ, мкА

Таблица 2.4

l, нм
IФ, мкА

Контрольные вопросы

1. Что такое внутренний фотоэффект?

2. Почему образуются зоны в кристалле?

3. Объясните механизм электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков с точки зрения зонной теории.

4. Что такое собственные полупроводники?

5. Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников и какие типы этой проводимости вы знаете?

6. Что такое фотопроводимость? Расскажите о механизме фотопроводимости в собственных полупроводниках.

7. Чем обусловлено поглощение света в собственном полупроводнике?

8. Что такое фоторезисторы?

9. Перечислите основные характеристики фоторезистора.

 

 

Лабораторная работа №3

 

Введение

Примесные полупроводники p- и n- типов

Электрическая проводимость полупроводников весьма чувствительна к наличию примесей. Например, введение в кремний всего 0.001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре в тысячу раз. Проводимость полупроводников, обусловленная наличием примесей, называется примесной проводимостью. Примесная проводимость может быть или электронной или дырочной. Рассмотрим механизм возникновения примесной проводимости на двух примерах.

 

1) Электронная проводимость

Электронная проводимость возникает в том случае, когда валентность атома примеси на единицу больше, чем валентность основного элемента. В этом случае примесь называется донорной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником n- типа.

Пусть основной элемент, образующий кристаллическую решетку – германий Ge, элемент IV группы, а примесью пусть служит мышьяк As, элемент V группы. У атома Ge четыре валентных электрона; все они участвуют в образовании ковалентных связей с соседними атомами. У атома As пять валентных электронов, следовательно, один из них не будет участвовать в образовании связи с атомом Ge. Так как диэлектрическая проницаемость германия ε = 16, то энергия связи пятого валентного электрона мышьяка с собственным ядром уменьшится в ε ² = 256 раз и станет равной Δ E_d = 0, 013 эВ. Такая энергия легко может быть сообщена электрону при тепловых колебаниях решетки, он оторвется от атома мышьяка и станет электроном проводимости (рис. 3.1a). Атом As при этом превратится в положительный ион. Положительный заряд будет локализован на примесном атоме, по кристаллу он перемещаться не сможет, следовательно, дырки при этом не образуется. В этом случае полупроводник обладает электронной проводимостью.

В терминах зонной теории рассмотренный процесс соответствует образованию примесного донорного уровня, лежащего в запрещенной зоне на расстоянии Δ E_d от дна зоны проводимости (рис. 3.1б). Это локальный уровень, находящийся возле примесного атома и не распространяющийся на весь кристалл. Величина Δ E_d определяет энергию активации примесной электронной проводимости.

 

а	б

Рис. 3.1. Возникновения примесной электронной проводимости полупроводников.

 

2) Дырочная проводимость

Дырочная проводимость возникает в том случае, если валентность атома примеси на единицу меньше, чем валентность основного элемента. Такая примесь называется акцептором, а полупроводник с акцепторной примесью – полупроводником p-типа.

Рассмотрим германиевый полупроводник с примесью индия In – элемента III группы. Для образования связей с четырьмя ближайшими атомами германия у атома In не хватает одного электрона. Этот электрон In может позаимствовать у соседнего атома Ge, для чего потребуется энергия Δ E_а = 0, 015 эВ. При этом примесный атом In превратится в отрицательный ион, а у атома германия образуется дырка (рис. 3.2a). Эта дырка не останется локализованной, а будет перемещаться по решетке германия как свободный положительный заряд, участвуя в проводимости. На зонной схеме это можно изобразить как появление в запрещенной зоне примесного акцепторного уровня, расположенного на расстоянии Δ E_а от потолка валентной зоны (рис. 3.2б). На этот уровень могут переходить электроны из валентной зоны, причем эти электроны в проводимости не участвуют, так как они захватываются атомами примеси. В валентной зоне остаются дырки, обусловливающие примесную проводимость полупроводников p-типа. Величину Δ E_а называют энергией активации примесной дырочной проводимости.

а	б

Рис. 3.2. Возникновения примесной дырочной проводимости полупроводников.

 

12345Следующая ⇒

Поделиться: