Scopul lucrării este de a determina dependența rezistenței unui semiconductor la temperatură, pentru a determina energia de activare a unui semiconductor.
Echipamente. un rezistor semiconductor, un încălzitor, o unitate electronică pentru măsurarea temperaturii și a rezistenței.
Semiconductorii sunt corpuri cristaline care ocupă o poziție intermediară între conductori și izolatori în conductivitate electrică. Dar diferența fundamentală dintre semiconductori și metale este scăderea rapidă a rezistenței cu creșterea temperaturii, în timp ce pentru metale crește încet. De asemenea, conductivitatea electrică a semiconductorilor depinde puternic de impurități.
Semiconductorii sunt, de regulă, cristale de elemente ale grupului 4 din tabelul periodic, de exemplu, germaniu, siliciu. Atunci când un cristal se formează între atomi, se formează o legătură chimică între cei patru electroni de valență. La temperatura zero absolută toți electronii sunt conectați, iar cristalul este un izolator. Dar la temperaturi în cameră, unii electroni, care au primit suficientă energie de mișcare termică, pot să se desprindă de atom, să devină liberi. În același timp, se formează o legătură necompletată, care poate fi ocupată de un electron din atomii învecinați, lăsând în urmă o legătură liberă, pe care poate ocupa următorul electron. Salturile unui număr mare de electroni sunt echivalente cu deplasarea unei încărcături electrice pozitive, așa-numita "gaură". Într-un câmp electric, electronii și găurile se mișcă în direcții opuse, creând un curent electric. Cu creșterea temperaturii crește numărul de electroni liberi și găuri, ceea ce duce la o scădere a rezistenței.
Divizarea solidelor în conductori, semiconductori și izolatori explică teoria benzii. La atomii liberi, electronii au exact acelasi set discret de niveluri de energie permise. Dar când N ≈ 10 23 atomi sunt combinați într-un cristal, electronii interacționează nu cu unul, ci cu toți atomii cristalului. Ca rezultat, un anumit nivel de energie al unui atom liber într-un cristal "se împarte" în N niveluri cu o diferență energetică neglijabilă (10-23 eV). Aceste nivele de energie N formează o bandă de energie. Fiecare nivel de energie din zonă, conform principiului Pauli, nu poate ocupa mai mult de doi electroni.
Pentru o explicație a proprietăților electrice, termice și optice suficiente pentru a lua în considerare primele două zone: banda de valență formată prin divizarea primar nivelul de energie a electronilor din banda de valență și conducție formate prin clivajul nivelului electroni de energie excitat.
Un cristal este un conductor dacă există nivele de energie libere în banda de valență sau se suprapune cu banda de conducție. Sub acțiunea unui câmp electric, electronii și găurile au dreptul de a se deplasa în cristal cu o viteză crescătoare, ocupând niveluri energetice tot mai mari.
Un cristal este un semiconductor dacă banda de valență este complet umplută, iar banda de conducere este separată de o așa-zisă bandă interzisă, a cărei lățime nu este mai mare de 2 electroni volți. La temperatură absolută zero, nici mișcarea termică și nici câmpul electric nu pot conferi energii suplimentare electronului pentru trecerea la banda de conducție, iar cristalul este un izolator. Dar, la temperatura camerei, energia mișcării termice este deja suficientă pentru ionizarea atomilor. Electronii eliberați trec în banda de conducere și obțin dreptul de a trece prin cristal. Concentrația electronilor liberi este determinată de distribuția Boltzmann:
Aici, n0 este concentrația tuturor electronilor de valență, # 917; - lățimea benzii interzise sau a energiei de activare, kT este măsura energiei mișcării termice a electronului, egală cu produsul constantei Boltzmann cu temperatura. Rezistența cristalului este invers proporțională cu concentrația electronilor din banda de conducție și cu găurile din banda de valență, deci
Aici R0 este rezistența semiconductorului dacă toți electronii de valență au devenit liberi. Coeficientul "2" ține cont de energia de activare, care se încadrează pe cele două încărcări care apar împreună - pe un electron și o gaură.
Efectul impurităților în semiconductori asupra conductivității electrice este de asemenea explicat de teoria benzii. Dacă, de exemplu, o impuritate de 5-valenți, de exemplu fosfor, este introdusă în cristalul unui semiconductor 4-valent, atunci un electron va fi slab legat de nucleul atomului. Energia sa va fi puțin mai mică decât cea a electronilor liberi și nivelul său de energie va fi localizat aproape de fundul benzii de conducție (figura 2). Acest nivel de energie se numește nivel de donator. Energia de activare a lui Edon pentru trecerea unui electron de la nivelul donatorului la banda de conducere este relativ mică. În cristal, electronii apar în banda de conducție, ei sunt principalii purtători ai încărcăturii electrice. Acestea sunt semiconductori de tip n.
Dacă atomii unei impurități 3-valente, de exemplu, indiu, bor, sunt introduse în cristalul semiconductorului cu 4 valențe, atunci o legătură va fi nefolosită. Se formează o gaură. Energia electronului care ocupă gaura este puțin mai mare decât cea a celorlalți electroni de valență. Acest nivel de energie, numit nivelul acceptorului, este chiar deasupra vârfului benzii de valență. După ce ați primit energie suplimentară Eakts. Electronii din banda de valență se transferă la nivelul acceptorului și o gaură rămâne în banda de valență. Gaurile sunt principalele suporturi de încărcare. Astfel de cristale se numesc semiconductori de tip p (figura 2).
Componenta de impuritate a rezistenței semiconductorilor este dată de
Conductivitatea electrică totală a unui cristal semiconductor este alcătuită din proprie și impuritate. La temperaturi relativ scăzute, conductivitatea impurităților joacă rolul principal, deoarece energia de activare a impurității este mică. Dar, cu creșterea temperaturii, creșterea concentrației electronilor sau a găurilor, cu ionizarea aproape completă a unui număr relativ mic de atomi de impurități, va înceta. Dar numărul de electroni și găuri crește odată cu ionizarea atomilor proprii ai cristalului. Conductibilitatea intrinsecă devine predominantă la temperaturi ridicate.
Dacă ecuațiile (2) și (3) sunt logaritmizate, atunci obținem ecuații liniare pentru conductivitățile intrinseci și impuritate:
Logaritmii ambelor tipuri de rezistențe sunt dependenți liniar de temperatura reciprocă (figura 3). Coeficienții lor unghiali sunt în mod corespunzător egali. Astfel, energia de activare poate fi determinată din grafic. Dacă se află în apropierea electronului volt, atunci acesta este un semiconductor intrinsec, dacă fracția este electron-volt, atunci este un semiconductor de impurități.
O investigare a dependenței de temperatură a rezistenței unui semiconductor se realizează la instalație (figura 4). Un semiconductor este un termistor plasat într-un încălzitor electric. Temperatura și rezistența sunt determinate de indicațiile indicatorilor unității electronice.
1. Porniți încălzitorul și unitatea electronică în rețeaua de 220 V. Comutați comutatorul încălzitorului în poziția "3" (semiconductor). Determinați temperatura inițială (cameră) și rezistența semiconductorului. Scrieți la masă.
2. Apăsați butonul "Încălzire" din partea frontală a unității. Lampa încălzitorului se aprinde și pe afișaj apare mesajul "Warm". Pe măsură ce vă încălziți, aproximativ la fiecare 20 ° C se înregistrează rezultatele măsurării rezistenței și temperaturii. Pentru confort, puteți înregistra temporar rezultatele afișării apăsând, apoi apăsând din nou butonul Stop Ind. Realizați cel puțin cinci măsurători. Înregistrați rezultatele într-un tabel. Nu încălziți peste 120 ° C.
3. Faceți calculele. Determinați temperatura absolută în fiecare experiment: T = 273 + t și valorile temperaturii absolute inverse în fiecare experiment în trei cifre semnificative (zerourile din fața cifrelor nu sunt semnificative). Determinați logaritmii naturali ai rezistențelor unui semiconductor.
Rezistența R, Ohm
Articole similare
-
Introducere, baza teoretică pentru studiul conceptului - polisemie, diverse abordări ale definiției
-
U3i (examinarea cu ultrasunete) pe troeschină, costul lui у3и, uzi al ficatului în troeschina
Trimiteți-le prietenilor: