No Image

Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводников

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020

В полупроводниках с концентрацией электрически активной примеси до 10 17 см -3 степень заполнения энергетических уровней электронами в зоне проводимости или дырками в валентной зоне низка (невырожденный электронный газ). Поэтому все свободные носители беспрепятственно изменяют свою энергию под действием электрического поля и дают вклад в электропроводность.

Температурная зависимость удельной проводимости в полупроводниках обусловлена изменением концентрации носителей заряда (электронов и дырок). Изменение длины свободного пробега оказывается на много порядков меньше и им можно пренебречь. Концентрация носителей заряда в полупроводнике зависит не только от температуры, а и от количества и типа примеси в нем. Рассмотрим три типа полупроводников:

Собственный полупроводникне содержит посторонних примесей. Его энергетическая схема представлена на рис. 7. Благодаря тепловому хаотическому движению при температурах больше нуля часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, и становятся свободными. В валентной зоне образуются свободные от электронов места, которые могут двигаться под действием электрического тока как частицы с положительным зарядом (дырки). Число свободных электронов строго равно числу дырок.

Рис 7. Энергетическая схема собственного полупроводника

Концентрация электронов и дырок зависит от температуры по экспоненциальному закону:

, (24)

где DEg – ширина запрещенной зоны; k – постоянная Больцмана; Т – температура по шкале Кельвина; А – множитель, который можно считать постоянным, поскольку он слабо зависит от температуры по сравнению с экспонентой (A

T 3/2 ). По такому же закону изменяется с температурой и удельная электропроводность. Зависимость натурального логарифма удельной электропроводности от обратной температуры представляет собой прямую линию (рис. 8).

Полупроводник n-типасодержит примесь, атомы которой имеют валентных электронов на один больше чем полупроводник. Например, кремний, основной материал современной микроэлектроники, имеет 4 валентных электрона, а элементы 5 группы литий, фосфор, сурьма, мышьяк – 5. Четыре электрона примеси осуществляют валентные связи в кристалле, а пятый электрон имеет слабую связь с атомом и может легко перейти в зону проводимости за счет энергии теплового движения (рис.9). Этот процесс называется термической ионизацией примеси. Величина DEd называется энергией ионизации донора. В результате электрический ток в полупроводнике n-типа определяется отрицательными зарядами (электронами). Такая примесь называется донорной. Обычно d – сравнима и даже меньше энергии хаотического движения частиц при комнатной температуре (кТ), поэтому все доноры ионизованы. Такой полупроводник имеет ярко выраженный электронный тип проводимости.

Рис. 9. Энергетическая схема полупроводника п-типа.

Зависимость концентрации носителей заряда от обратной температуры в полупроводнике n-типа представлена на рис. 10. Термическая ионизация атомов доноров происходит постепенно, в широкой области температур. Температура, при которой все атомы примеси становятся ионизованными, называется температурой истощения примеси. Область температур называется областью ионизации примеси.

Рис 10. Зависимость концентрации носителей тока от температуры в полупроводниках п-типа

С ростом концентрации примеси (кривая 2, рис. 10) величина возрастает и при высоких концентрациях примеси (кривая 3) область истощения вообще отсутствует, а область ионизации примеси в узком интервале температур перекрывается с областью собственной проводимости.

Полупроводник р – типасодержит акцепторную примесь. Атомы ее содержат валентных электронов на один меньше чем полупроводник. В кремнии это элементы 3 группы – бор, алюминий, галлий, индий. В кристалле атомы примеси акцепторов образует энергетический уровень вблизи валентной зоны на расстоянии DEа (рис. 11). При температуре, отличной от нуля Кельвина, на этот уровень будут переходить электроны из валентной зоны, образуя в ней подвижные дырки. Концентрация дырок в полупроводнике р-типа изменяется при изменении температуры аналогичным образом, как и концентрация электронов в полупроводнике п-типа, а соответствующий график аналогичен представленному на рис. 10.

Температура, при которой преобладает собственная проводимость, определяется шириной запрещенной зоны. Например, кремниевые полупроводниковые приборы могут работать до температур @120 о С (DEg=1,1эВ), а германиевые – @60 о С (DEg=0,7эВ). При достаточно низких температурах, (@70К) происходит деионизация доноров и акцепторов и концентрация носителей заряда уменьшается.

Рис 11. Энергетическая схема полупроводника р-типа.

В собственном полупроводнике согласно (11) и (25) проводимость равна:

. (26)

Полупроводники. Их виды. Электрический ток в полупроводниках. Виды полупроводников. Собственная и примесная проводимость. Р- n переход.

Зависимость электропроводности полупроводников от температуры и освещенности.

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 3.3.2). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами

Рисунок 3.3.2. Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 3.3.2.1). Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Рисунок 3.3.2.1 Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов:

Читайте также:  Как разобрать ноутбук асус
I = In + Ip.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Рисунок 3.3.2.2 Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.

На рис. 3.3.2.2 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Рисунок 3.3.2.3 Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 3.3.2.3 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников n– и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или np-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (nn >> np). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (np >> nn). При контакте двух полупроводников n– и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой.

Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 3.3.2.4). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p– и n-областями запирающее напряжение Uз, приблизительно равное 0,35 В для германиевых np-переходов и 0,6 В для кремниевых.

np-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Рисунок 3.3.2.4 Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p– и n-типов.

Если полупроводник с np-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от np-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через np-переход практически не идет. Напряжение, поданное на np-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если np-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать np-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через np-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность np-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 3.3.2.5

Рисунок 3.3.2.5 Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений.

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными диодами – малые размеры, длительный срок службы, механическая прочность. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя np-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: pnp-транзисторы и npn-транзисторы. Например, германиевый транзистор pnp-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 3.3.2.6). В транзисторе npn-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 3.3.2.7).

Читайте также:  Как отмыть очень грязную сковороду

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях разных структур стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Рисунок 3.3.2.6 Транзистор структуры pnp.
Рисунок 3.3.2.7 Транзистор структуры npn.

Оба np-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 3.3.2.8 показано включение в цепь транзистора pnp-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Рисунок 3.3.2.8 Включение в цепь транзистора pnp-структуры.

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, np-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако, такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб = IэIк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Устанавливая рекомендуемое программное обеспечение вы соглашаетесь
с лицензионным соглашением Яндекс.Браузера и настольного ПО Яндекса .

«Зависимость сопротивления полупроводников от температуры»

ученик 8 класса

Школа физиков «Спектр»

МБОУ Богашевская СОШ им. Федорова.

1. Введение…. 3 стр.

2.Теоритическая часть…. 4 стр.

2.1.Проводники, полупроводники и диэлектрики электричества…. 4 стр.

2.2.Примесные и чистые проводники…. 6 стр.

2.3 Примесные проводники…. 7 стр.

2.4.Чистые проводники. Термисторы…. 8 стр.

3.Практическая часть…. 11 стр.

4.Эксперимент №1…. 12 стр.

6.Эксперимент№2…. 14 стр.

7.Создаие прибора для дистанционного измерения температуры. 15 стр.

10. Заключение…. 16 стр.

11. Источники…. 16 стр.

Из материалов СМИ и учебника по физике за 8-ой класс я узнал много нового и поучительного о проводниках, полупроводниках и диэлектриков. Если начать изучать эту тему более углублённо, то можно узнать много удивительных вещей. На основе того материала который был у меня я смог сделать экспериментальный термометр на терморезисторе. В моей работе я описываю не только проводники и полупроводники, но и своё изобретение термометр на терморезисторе.

Я решил использовать обычные приборы найденные мной в кабинете физики потому что я не нашел более качественного и разнообразного материала, чем примитивных приборов.

Цель работы: Изучить принцип работы полупроводников и зависимость их сопротивления от температуры.

узнать что же такое проводники, полупроводники и диэлектрики;

Разобрать, как идет электрический ток через полупроводники;

Понять что такое примесные и чистые полупроводники;

Изготовить прибор для дистанционного измерения температуры.

Проводники, полупроводники и диэлектрики.

До сравнительного недавнего времени все вещества по их электрическим свойствам разделяли на проводники и диэлектрики. Такое подразделение целесообразно, поскольку они резко отличаются друг от друга по электропроводимости

Для проводников электрического тока значение удельного сопротивления находится в пределах от 10 -5 до 10 -8 Ом * м а для диэлектриков оно изменяется в пределах от 10 10 до 10 16 Ом * м. эти числа показывают, насколько велик интервал значений удельного сопротивления проводников и диэлектриков.

Дальнейшее изучение электропроводимости веществ привело к открытию таких металлов, у которых электропроводимость оказалось промежуточной между проводниками и диэлектриками. Эти вещества назвали полупроводниками. К ним в первую очередь относятся элементы 4 группы таблицы Менделеева германий и кремний, а также карбид кремния, селен; соединения элементов 3 группы с элементами 5 группы и многие другие вещества. Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах от 10 4 до 10 -5 Ом * м.

Примесные и чистые проводники.

Заметим, что сопротивление различных веществ, в том числе и полупроводников, зависит от их чистоты. Присутствие в металлических проводниках посторонних примесей мало влияет на концентрацию подвижных носителей зарядов, но сильно изменят их подвижность. Это объяснятся тем, что примеси создают дефекты в кристаллической решетке, которые увеличивают сопротивление металлов электрическому току. Посторонние примеси в металлах, как правило, увеличивают сопротивление последних.

У диэлектриков атомы примесей обычно имеют электроны, которые слабо связаны с атомами. Эти электроны легко отрываются от атомов и переходят в свободное состояние. Таким образом, электропроводимость диэлектриков в основном определяется количеством содержащихся в них примесей. Следовательно, примеси в диэлектрике, как правило, уменьшают его сопротивление.

У полупроводников, как и диэлектриков, примеси значительно уменьшают их сопротивление. Специальным подбором примесей можно изменять сопротивление полупроводников в нужном направлении. Поэтому примесные полупроводники имеют широкое применение в современной технике.

С помощью добавления в чистый полупроводник специально подобранных примесей можно искусственно приготовить такие полупроводники, которые обладают преимущественно электронной или дырочной проводимостью. Добавим в чистый расплавленный германий около 10 -5 % примеси, состоящей из атомов какого-либо элемента 5 группы таблицы Менделеева, например мышьяка. Тогда при затвердевании образуется обычная решетка германия, но в некоторых узлах вместо атомов германия, будут находиться атомы мышьяка. Четыре валентных электрона атома мышьяка при этом образуют ковалентные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон в этих условиях оказывается настолько слабо связанным с атомом мышьяка, что для его отрыва нужна очень маленькая энергия, порядка той, которая необходима для ионизации атомов металла.

Читайте также:  Газовые котлы отзывы какую лучше купить

Поэтому при обычной температуре все атомы мышьяка в полупроводнике оказываются ионизированными. Положительно заряженные атомы мышьяка связаны с решеткой ( локализованы ) и не могут перемешаться под действием сил внешнего электрического поля, а свободные электроны (по одному от каждого атома примеси) являются подвижными носителями зарядов.

Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной, и ее называют проводимостью n -типа (от > – отрицательный), а сам кристалл называют полупроводником n -типа. Примесь, создающую в полупроводнике свободные электроны, называют донорной (дающей) или примесью n -типа .

Если в чистый германий добавить атомы элементов 3 группы таблицы Менделеева, например индия, у которых имеется по три валентных электрона, то этих электронов хватит для установления ковалентной связи с тремя соседними атомами германия. Для установления связи с четвертым атомом германия атом индия заимствует электрон у одного из своих соседей и превращается в отрицательный ион, а у другого из атомов германия возникает дырка, которая хаотически движется к кристаллу.

У кристалла германия с примесью атомов 3 группы проводимость преимущественно дырочная. Её называют проводимостью p -типа (от > – положительный). Примесь, создающую такую проводимость, называют акцепторной (принимающей) или примесью p -типа .

Заметим, что в примесных полупроводниках уже при обычных температурах происходит генерация пар электрон-дырка. Поэтому кроме основных носителей тока там имеются в небольшом количестве и носители тока противоположного знака (не основные носители тока). При невысоких температурах не основные носители тока существенной роли не играют. Однако при высоких температурах, когда происходит интенсивная генерация пар электрон-дырка, полупроводник приобретает смешанную проводимость. Таким образом, преимущественно дырочная или электронная проводимость у примесных полупроводников сохраняется лишь при температурах ниже той, при которой начинает играть существенная роль собственная проводимость полупроводника.

Чистые проводники. Термисторы

Рассмотрим подвижные носители зарядов в чистых полупроводниках на примере германия и кремния. У атомов этих элементов на внешней оболочке имеется по четыре валентных электрона. В твердом состоянии эти вещества имеют кристаллическую решетку типа алмаза, в которой каждый атом имеет четыре ближайших соседа.

Связь между соседними атомами в такой решетке ковалентная, т.е два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару.

При низкой температуре все электроны полупроводника связаны с атомами. В таком кристалле нет свободных носителей зарядов, и он является изолятором. Если постепенно повышать температуру такого кристалла, то отдельные электроны могут получить избыточную энергию (за счет энергии хаотического движения), которой оказывается достаточно для их отрыва от атома. Появление таких электронов и создаёт проводимость кристалла полупроводника. При комнатной температуре в кристаллах германия и кремния уже имеются свободные электроны. Энергия, нужна для отрыва электронов от атомов, в германии меньше, чем в кремнии. Таким образом, при одной и той же температуре удельное сопротивление германия значительно меньше, чем кремния (при 20 0 С Pge =0.6 Ом*м, a Psi =2*10 3 Ом*м).

При переходе электрона в свободное состояние в оболочке атома полупроводника остаётся свободное место, которое принято называть дыркой. Поскольку до отрыва электрона атом был нейтрален, то после отрыва он приобретает положительный заряд, который приписывают дырке. Так как соседние атомы полупроводника непрерывно обмениваются электронами, то дырку у атома может заполнить электрон другого атома, у которого в свою очередь появляется дырка.

Таким образом, дырки, обладающие положительным зарядом, совершают в полупроводнике такое же хаотическое движение, как и свободные электроны. Поэтому дырки в полупроводнике условно считают подвижными носителями зарядов. Действительно, если при отсутствии электрического поля в полупроводнике дырки движутся преимущественно по направлению этого поля, т.е создают электрический ток.

Итак, нагревание полупроводника ведет к образованию, или к генерации , пар подвижных носителей зарядов >. Когда свободные электроны и дырки совершают хаотическое движение в полупроводнике, то они могут встретится. Тогда свободный электрон заполняет вакантное место в оболочке атома, т.е в полупроводнике исчезают сразу два свободных носителя зарядов – происходит рекомбинация пары >. Длина пробега свободного электрона или дырки с момента их возникновения до исчезновения очень мала (около 0.1 мм.)

Когда температура полупроводника постоянна, между генерацией и рекомбинацией пар > существует подвижное равновесие. При этом в полупроводнике имеется определенное число подвижных носителей зарядов.

Отметим, что в чистом полупроводнике всегда имеется поровну свободных электронов и дырок. Поэтому проводимость чистых полупроводников наполовину дырочная и наполовину электронная. Такую проводимость принято называть собственной проводимостью проводников.

Итак, если чистый полупроводник включить в цепь, то в нем потечет ток. При этом свободные электроны будут двигаться от отрицательного полюса к положительному, а дырки – в обратную сторону. Нельзя забывать, что при этом в действительности движутся не дырки, и связанные ковалентные электроны переходят от одного атома к другому под действием сил поля.

Поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводников во много раз больше, чем у металлов, и имеет отрицательный знак, собственную проводимость полупроводников можно использовать для устройства приспособлений, замыкающих цепь при недопустимом повышении температуры в автоматических устройствах. Полупроводник, сопротивление которого при нормальных условиях велико, включается в сигнальную цепь со звонком или в цепь, управляющую подачей тока. Когда температура недопустимо повышается, сопротивление полупроводника падает и в сигнальной цепи появляется ток, приводящий в действие звонок, или же прекращается подача тока, вызвавшего перегрев. Так как термисторы малы по размерам, то с их помощью можно обнаруживать или измерять изменения температуры в каком-либо малом пространстве .

Сравнение зависимости сопротивления различных веществ от температуры.

Интересно сравнить зависимость сопротивления различных веществ от температуры. Вспомним, что у металлов сопротивление при нагревании возрастает, а при охлаждении уменьшается и становиться равным 0 при сверхпроводимости. Сопротивление диэлектриков при нагревании медленно уменьшается. В диэлектрике для отрыва электронов от атомов нужна большая энергия, поэтому твердые диэлектрики большей частью успевают расплавиться прежде, чем приобретают достаточно большую проводимость.

У проводников энергия, необходимая для отрыва электронов от атомов, значительно меньше, чем у диэлектриков. Поэтому при нагревании полупроводников количество подвижных носителей зарядов в них быстро возрастает, и их сопротивление сильно уменьшается. При понижении температуры сопротивление полупроводников возрастает, и при низких температурах их сопротивление так же велико, как и у диэлектриков. Явление сверхпроводимости у полупроводников отсутствует.

Опыт показал, что на сопротивление полупроводников сильно влияет не только температура. Освещение полупроводника значительно уменьшает его сопротивление, так как излучение приносит энергию, достаточную для образования подвижных носителей зарядов в полупроводнике.

Итак, проводимость полупроводников сильно зависит от температуры и от освещенности. Эти особенности полупроводников имеют важное практическое значение

Изучить зависимость изменения сопротивления полупроводников от температуры.

Цель: Изучить зависимость изменения сопротивления полупроводников от температуры.

Оборудование: 1- мерный стакан

4- металлическая емкость не менее 250мл

5- плитка нагревательная лабораторная

Ход проведения работы:

Насыпим в металлическую емкость снег поставив её на плитку. Терморезистор вставим в эту емкость так, чтобы он не касался дна. Включим плитку в сеть и начнем снимать показания термометра каждые 5 0

получаем зависимость, которая представлена на графике №1

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector