Теоретическое введение

ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ

Цель работы:изучить зависимость сопротивления полупроводников от температуры.

 

Задачи работы:

1. построить график зависимости ;

2. определить энергию активации.

 

Приборы и принадлежности: экспенриментальная установка (рис.1)

 

Рис.1

 

 

 

Переключатель объектов исследования 1) – 2) – 3) – полупроводник 4) –

Выключатель

Рис.1

 

Теоретическое введение

Полупроводники относятся к классу веществ, электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов, но больше, чем у диэлектриков, и существенно зависит от внешних воздействий – нагревания, облучения и т.д..

Наиболее типичными, широко применяемыми полупроводниками с хорошо изученными электрическими свойствами являются германий и кремний.

На рис.1 схематически показано строение

атома германия. На первой, ближайшей к

ядру оболочке находятся 2 электрона, на

второй – 8, на третьей –18 и на четвертой

- 4 электрона.

Внешняя оболочка, содержащая всего

+32 четыре электрона, является незаполненной (четвертая оболочка может иметь 8 электронов). Поэтому к атому германия можно присоединить от одного до четырех электронов. В

Рис. 1 результате такого присоединения атом германия приобретает отрицательный

заряд, т.е. ионизируется. С другой стороны, электроны внешней оболочки слабее связаны с ядром, чем электроны внутренней оболочки. Поэтому из внешней оболочки относительно нетрудно выбить один или несколько электронов. Лишившись электрона, атом германия оказывается заряженным положительно, т.е. становится положительным ионом.

 

 

Рис. 2

 

В кристалле германия каждый атом связан с четырьмя другими, причем каждая из связей между атомами осуществляется двумя валентными электронам, один из которых принадлежит к числу четырех валентных электронов одного атома, а другой электрон – другого атома. Схематически это показано на рис.2.

Большими кружочками обозначены атомы германия, а маленькими их валентные электроны. Двухэлектронные связи являются наиболее прочными и называются валентными. Характерной особенностью двухэлектронных связей является то, что при их образовании оболочка каждого из атомов кристалла имеет как бы по восьми электронов и является полностью заполненной. В кристаллах связанные между собой атомы вещества располагаются в пространстве строго определенным образом и на одинаковых расстояниях друг от друга, в результате чего образуется своеобразная решетка из атомов, которую принято называть кристаллической.

В совершенно правильном кристалле германия все четыре валентных электрона каждого атома (кроме атомов, образующих поверхностный слой кристалла) использованы для образования междуатомных связей и поэтому не могут участвовать в процессе проводимости электрических зарядов. Такой кристалл должен являться изолятором. Это действительно справедливо для свободного от примесей кристалла, но только до тех пор, пока из-за каких-либо внешних причин не нарушена целость кристаллической решетки.

Если подвергнуть кристалл германия световому облучению, бомбардировке какими-нибудь частицами или нагреть, то электронам будет сообщена дополнительная энергия, и некоторые из них смогут вырваться из соответствующих междуатомных связей. В результате оставления электроном связи освобождается один электрон и возникает одно свободное место, которое снова может быть занято электроном. Такое свободное место принято называть дыркой.

Освободившийся электрон не может войти ни в одну из заполненных связей кристалла. Поэтому под влиянием теплового движения он будет хаотически перемещаться по кристаллу, пока не попадет обратно в свою связь или в какую-либо другую, в которой также отсутствует электрон. Число таких свободных электронов в кристалле может достигать значительной величины и зависит от сообщенной ему энергии.

Если поместить такой кристалл в электрическое поле, то появившиеся в нем свободные электроны будут упорядоченно двигаться под действием сил этого поля, то есть через кристалл потечет электрический ток.

Так как перенос зарядов осуществляется в данном случае свободными электронами, то обусловленную ими проводимость называют электронной проводимостьюили проводимостью типа n (от латинского слова «neqative», что значит «отрицательный»).

Рассмотрим теперь ту связь, из которой был удален один электрон, т.е. дырку. После удаления электрона в том месте, где он был, остался не нейтрализованный положительный заряд. Следовательно, мы можем считать, что дырка обладает положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона.

Под действием тепловых колебаний электрон заполненной связи, соседней с незаполненной, может перескочить в незаполненную связь, т.е. занять дырку. В результате этого восстанавливается одна связь и разрушается соседняя или, иначе говоря, заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Это подобно перемещению дырки из одного места кристалла в другое и соответственному переносу положительного заряда Этот процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, совершает беспорядочное движение по кристаллу, пока не встретится со свободным электроном, который заполнит недостающую связь и скомпенсирует имеющийся там положительный заряд. На этом существование дырки прекратится. Исчезновение дырки в результате восстановления незаполненной связи свободным электроном называется рекомбинацией.

При помещении кристалла в электрическое поле движение дырок в кристалле становится упорядоченным, направленным в сторону, противоположную движению электронов. Это равносильно перенесению в том же направлении положительных зарядов, что соответствует прохождению через кристалл электрического тока. Однако в данном случае носителями зарядов условно считаются уже не электроны, а дырки. Поэтому проводимость, возникающую в результате перемещения дырок, называют дырочной проводимостью или проводимостью типа p (от латинского слова «positive»-«положительный»).

Таким образом, дырочную проводимость мы условно рассматриваем как проводимость, обусловленную переносом положительного заряда-дыркой.

В действительности при дырочной проводимости перемещаются, как мы уже видели, электроны, но только здесь при переносе единичного заряда не один свободный электрон проходит весь путь, как при электронной проводимости, а, подобно передаче эстафеты, большое количество электронов заменяют друг друга в связях.

Так как электроны и дырки являются носителями разных по знаку зарядов и движутся в кристалле в противоположных направлениях, создаваемые ими электрические токи имеют одно и тоже направление. Следовательно, полный ток, протекающий через кристалл, равен сумме электронного и дырочного токов. Чистый кристалл германия обладает одновременно и электронной и дырочной проводимостью. Электропроводимость химически чистого полупроводника, обусловленная упорядоченным движением электронов и дырок, называется собственной.

Ток собственной проводимости очень мал (микроамперы). Для получения большей величины тока к химически чистому полупроводнику добавляются примеси.