Лабораторная работа №16.
«Электрический ток в полупроводниках».
Цель работы: исследовать прохождение постоянного электрического тока через полупроводник.
Задача работы:
- исследовать графическую зависимость сопротивления полупроводника от температуры; определить энергию активации электрона в терморезисторе; исследовать зависимость температурного коэффициента сопротивления полупроводника от температуры.
Оборудование: терморезистор, миллиамперметр, вольтметр, источник постоянного тока, ключ, соединительные провода, стакан с водой, датчик температуры или термометр – лабораторный набор «L-micro».
Теория и метод выполнения работы:
Графическая зависимость сопротивления металлов, полупроводников от температуры получена экспериментально и имеет вид, представленный на рисунке.
Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры на один градус удельное сопротивление полупроводников уменьшается, как правило, на 5-6%. Именно на этом свойстве полупроводников основано использование терморезистора (термистора). Основной частью этого прибора является полупроводник, который заключен в корпус и снабжён выводами. Термистор (термосопротивление, терморезистор) – это небольшой полупроводниковый кристалл (часто в виде пластинки) с металлическими контактами. Термисторы используются для измерения и регулирования температуры в диапазоне от 1 К до температуры расплавленной стали (1800 К), для пожарной сигнализации, для контроля тепловых режимов машин и механизмов, для изучения спектра Солнца и звезд и т. д. Первые термисторы были изготовлены в 1890 г. великим немецким физиком В. Нернстом.
Изготовление термисторов для измерений в области низких и очень высоких температур представляет собой непростую техническую задачу. Для работы в области температур от -60 0С до +120 0С промышленностью изготавливаются термисторы на основе окислов переходных металлов - марганца (Mn), кобальта (Co), никеля (Ni), меди (Cu).
Наряду с промежуточным между проводниками и изоляторами значением электрической проводимости, самым характерным признаком полупроводников является сильный рост проводимости при увеличении температуры. Понять ход такой температурной зависимости можно, если рассмотреть процесс образования (генерации) свободных носителей заряда в чистых (собственных) полупроводниках. В полупроводниковом кристалле между атомами в соседних узлах кристаллической решетки существует ковалентная связь, т. е. они связаны общими электронными парами. Для того чтобы электрон мог выйти из связи, и образовалась электронно-дырочная пара, атом должен получить энергию Wа, называемую энергией ионизации в твердом теле или энергией активации. Эта физическая величина является определяющей при проявлении полупроводниками своих свойств. Приведем значения величины энергии активации для некоторых полупроводников:
германий | Ge | 0,72ч0.74 эВ |
антимонид индия | InSb | 0,17 эВ |
кремний | Si | 1,1ч1,15 эВ |
AsGa | 1,52 эВ | |
фосфид галлия | GaP | 2,3 эВ |
ZnO | 3,35 эВ | |
ZnS | 3,36 эВ |
Полупроводник | Wа, эВ | Полупроводник | Wа, эВ |
Химические элементы | Соединения AIIBVI | ||
Si | 1,107 | ZnS | 3,6 |
Ge | 0,66 | CdS | 2,42 |
Te | 0,33 | CdSe | 1,8 |
Se | 1,79 | ZnSe | 2,7 |
Соединения AIIIBV | Соединения AIVBVI | ||
GaAs | 1,428 | PbS | 0,41 |
InAs | 0,356 | SnS | 1,08 |
GaSb | 0,78 | PbTe | 0,32 |
GaP | 2,24 | SnTe | 0,18 |
Величина энергии активации во много раз превышает среднюю кинетическую энергию теплового движения 
, которая при комнатной температуре составляет около 0,04 эВ.
Сильная зависимость концентрации свободных носителей от температуры приводит к аналогичной зависимости проводимости полупроводника и к уменьшению его сопротивления с ростом температуры по закону:
или 
где: RT – сопротивление полупроводника при температуре T, R0 – сопротивление полупроводника при температуре T→0 К, Wа – энергия активации, k=1,23∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.
Из полученных для полупроводника графиков зависимости R(T) и R(t) невозможно определить какие либо количественные характеристики исследуемой зависимости. В подобных случаях проделывают операцию, называемую линеаризацией, т. е. подбирают такие переменные, в которых график функции становится прямой линией. Для этого прологарифмируем зависимость сопротивления полупроводника от температуры:
Тогда графическая зависимость lnR=f(1/T) представляет собой прямую,
тангенс угла наклона прямой линии равен коэффициенту при независимой переменной (в данном случае при величине 1/T)
который находится по графику:
Тогда величину энергии активации можно рассчитать по формуле
Т. к. значение энергии активации выражают в эВ, то
e=1,6·10-19 Кл.
Ход работы:
Используя лабораторное оборудование, собрать экспериментальную установку для исследования графической зависимости сопротивления полупроводника от температуры по схеме:
U | В |
I | А |
R | Ом |
t | 0С |
T | K |
Используя полученные экспериментальные данные построить графические зависимости сопротивления полупроводника от температуры R=f(t) и R=f(T). Определить аналитические выражения, определяющие вид полученных графических зависимостей сопротивления полупроводника от температуры.
R | Ом |
T | K |
ln(R) | ln(Ом) |
1/T | 1/K |
Построить графическую зависимость ln(R)=f(1/T) и по ней рассчитать энергию активации электрона, используя формулу:
Относительную погрешность выразить в процентах:
и сильно зависит от температуры. Поэтому в случае полупроводника имеет смысл вычислять α только для определенных температур. Для построения графической зависимости α=f(T), заполнить таблицу, используя данные пункта 6: T | K |
α | K-1 |
Сформулировать общий вывод по лабораторной работе.
