Работа 5. изучение зависимости сопротивления
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- 1012 Ом 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 Eg - 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 Eg. 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 АIII ВV , 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]