H000151 Дипломная работа Примесная проводимость полупроводников

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

Глава 1.

Обзор литературы…………………………………………………….….5

 Деление твердых тел на проводники, диэлектрики и полупроводники….….5

 Полупроводники…………………………………….……………………...…...9

 Собственная проводимость полупроводников………………………………11

 Примесная проводимость полупроводников…………………………….......16

 Зависимость электропроводности полупроводников от температуры……..20

Глава 2.

Экспериментальная часть……………………………………………..23

Описание установки……………………………………………...................................23

Ход работы и результат…………………………………………………………………….…25

Глава 3.

Практическая часть………………………………………………………….…...26

Разработка лабораторной работы на тему «Исследование зависимости сопротивления полупроводников от температуры»…..………..................................................................................26

Заключение………………………………………………………………………...34

Список

использованной литературы………………………………………….………...35

Введение

Полупроводниками было принято называть материалы, у которых удельная проводимость лежит в пределах от 〖10〗^4 до 〖10〗^(-7)Омм. Развитие учения теории о полупроводниках, познание их природы показал недостаточность такого определения.

По определению А. Ф. Иоффе, полупроводниками являются материалы, у которых электропроводность обусловлена за счет переноса электронов и возрастает с ростом температуры. Но даже это определение не распространяется на все материалы, в настоящее время обнаружены так называемые ионные полупроводники, проводимость которых обусловлена переносом ионов.

Таким образом, чтобы дать одно определение понятия полупроводников очень сложно. Важно, что наиболее существенной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства в широком диапазоне под воздействием различных внешних факторов (температура, свет, электрические и магнитных полей, внешнего гидростатического давления и др.). Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. С введением примесей изменяется не только значение проводимости, но и характер ее температурной зависимости.

Первой попыткой объяснить электрические и магнитные свойства вещества была теория электрона. Он основан на том, что тела содержащие свободные электроны могут перемещаться по всему объёму. Эта теория позволила объяснить многие явления, но был бессилен при рассмотрении свойств твердых тел, которые зависят от внутренней структуры. Она не отвечает даже на вопрос о том, почему некоторые вещества являются проводниками, а другие-изоляторами.

Полупроводники как особый класс веществ, были известны с конца двадцатого века, только развитие теории твердого тела привело к пониманию их особенности.

Целью данной работы является исследование зависимости сопротивления от температуры полупроводников и построения графика этой зависимости.

Задачами исследования было углубленное изучение теоретических материалов по наиболее важным объемных свойств полупроводников и наиболее распространенных методов измерения основных физических параметров и характеристик полупроводниковых приборов; использовать эту работу в качестве основы знаний о физике полупроводников, а также развивать свой технический кругозор, чтобы улучшить свои профессиональные навыки.

Актуальность данной работы заключается в том, что тщательное изучение этой и подобной работы поможет вам сосредоточить свое внимание на перспективы карьерного роста в этой области знаний, так как физика полупроводников всегда была одним из основ технических наук. Данное направление развивается с середины прошлого века по сей день и всегда останется актуальным в области развития страны как высокотехнологической сверхдержавы.

Данная работа состоит из трех частей. В теоретической части изложены основы зонной теории твердого тела электропроводности, концепции внутренних и внешних полупроводников и полупроводниковая зависимость сопротивления от температуры. Экспериментальная часть заключается в измерении зависимости электрического сопротивления полупроводника от температуры и построению графика зависимости сопротивления от температуры. В практической части разработан разработка лабораторной работы на тему «Исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры».

Глава 1. Обзор литературы

В этой части дипломной работы рассмотрена основная теория по изучению и ознакомлению полупроводника, зависимости сопротивления полупроводника от температуры. Теория подобрана из различной литературы, что позволяет раскрыть смысл зависимости сопротивления полупроводника от температуры.

Деление твердых тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Все вещества с точки зрения способности проводить электрический ток делят на три группу: проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Именно зонная теория твердых тел позволило истолковать с единой точки зрения существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.  

Диэлектрики – это те вещества, которые при обычных условиях практически не проводящие электрический ток, и в которых концентрация свободных носителей заряда очень мала и они обладают высоким удельным сопротивлением (ρ=〖10〗^8÷〖10〗^13 Омм). Согласно по зонной теории диэлектрики такие вещества, у которых при Т = 0 К валентная зона полностью заполнена и энергетическая щель между валентной зоной и лежащей над ней пустой зоной проводимости велика -  ∆W = 3¸10 эВ (1 эВ = 1,6×〖10〗^(-19) Дж).

Рисунок 1. Зонная диаграмма для диэлектриков

Действительно, вещества с аналогичной структурой группы должны быть хорошими изоляторами. Проводимость в этих веществах по незаполненной зоне отсутствует: в этой области практически нет электронов – носителей тока. Не может быть осуществлено и проводимость в валентной зоне, хотя она и заполнена электронами. В конце концов, если электрон начинает двигаться под действием электрического поля, то есть, начинает проводить ток, то он должен изменить свою полную энергию из-за появления кинетической энергии электронов.

Изменение общей диаграммы полной энергии электрона выглядит как переход электрона на более высокий энергетический уровень. Но все уровни в валентной зоне уже заняты, и этот переход приведет к нарушению принципа Паули (на некотором уровне не было бы и 2 и 3 электрона). Таким образом, мы должны заключить, что электроны полностью заполненной зоны не могут быть носителями тока.

А могут ли носители тока – электроны из валентной зоны перейти в зону проводимости? Тогда из-за наличия в этой зоне массы свободных энергетических уровней, попавшие сюда электроны, могут легко менять свою энергию, то есть станут переносчиками тока. Да, этот механизм электропроводности в диэлектриках был бы возможен, если бы ширина запрещенной зоны ∇W не была бы велика. Вероятность «заброса» электрона из валентной зоны в зону проводимости пропорциональна больцмановскому фактору e^(-∆W/kT), где Т – температура диэлектрика, k – постоянная Больцмана. При обычных условиях (Т=300К) тепловая энергия kT ~ 0,02 эВ<<∆W и вероятность перехода электрона в зону проводимости очень мала. То есть мы приходим к выводу, что и проводимость за счет межзонных переходов отсутствует (или пренебрежимо мала). Именно этим объясняется то, что у диэлектриков удельное сопротивление очень велико: 〖10〗^8Ом ∙м≤ρ≤〖10〗^17Ом ∙м.

Так, диэлектрики - это вещества, которые не имеют внутренней зоны проводимости и проводимости, обусловленной межзонными переходами.

Рассмотрим теперь зонную структуру хороших проводников (металлов). Отличительной особенностью зонной структуры металлов является наличие полупустой или частично заполненной зоны. Эта зона в металлах называется зоной проводимости. В металлах это может быть валентной зоной, такие, как, например, соли щелочных металлов. В этой группе металлов на валентных уровней атомов не два, а один валентный электрон. Когда эти уровни расщепляются в зону, она оказывается полупустой (см. рис. 2а). В щелочной металл не может быть видно ниже заполненной области, как определено электрическими свойствами металлов только в зону проводимости, где электроны могут нести электрический ток.

Рис2. Зонная диаграмма: а – металлов с полупустой зоной;

б – металлов II группы таблицы Менделеева

По иному формируется зона проводимости щелочноземельных металлов (II группы периодической таблицы Менделеева). У атомов этих металлов все электронные оболочки, в том числе и внешняя, укомплектованы полностью. Таким образом, на первый взгляд, эти металлы не должны проводить ток или, по крайней мере, должны проводить его плохо. Тем не менее, опыт показывает, что эти металлы являются хорошими проводниками. Это происходит потому, что при сближении атомов этих металлов пустые уровни, расположенные выше валентных, расщепляются так сильно, что образуют широкую пустую область перекрывающийся с валентной зоной с образованием гибридной зоны, лишь частично (см. 2, б). Эта зона является зоной проводимости металлов периодической таблицы группы II. Остальные металлы имеют зонную структуру, аналогичную тем, которые показаны на рисунке 3а и 3б. В металлах, удельное сопротивление может принимать следующие значения: 〖10〗^(-8)Ом ∙м≤ρ≤〖10〗^(-5) Ом ∙ м.

Итак, проводники – это вещества, в зонной структуре которых имеется не полностью заполненная зона – зона проводимости (валентная или гибридная).

Рисунок 3. Зонная диаграмма полупроводника

Зонная структура полупроводников очень похожа на зонную структуру диэлектриков. Но ширина запрещенной зоны полупроводника намного меньше ширины запрещенной зоны в изоляторах и составляет ΔW ~ 0,01 ÷ 3 эВ. Таким образом, вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости на много порядков выше, чем у диэлектриков. Но при 0K полупроводники ведут себя как хорошие изоляторы, несмотря на узкой запрещенной зоной, электроны не могут преодолеть его, так как тепловая энергия кТ близок к 0 (см. рисунок 3а.). При повышении температуры, увеличивается число электронов выброшенных в зону проводимости, и полупроводник становится способным проводить электричество. Кроме того, остающиеся в валентной зоне нарушенные из-за ухода электронов валентные связи (так называемые «дырки») ведут себя в электрическом поле как своеобразные заряды, и они тоже способны переносить ток (см. рис. 3b). При обычных температурах удельное сопротивление полупроводника находится в диапазоне: 〖10〗^(-6)Ом ∙м≤ρ≤〖10〗^8 Ом ∙ м.

Итак, полупроводники – это - вещество с узкой запрещенной зоной, которая преодолевает тепловое возбуждение большого числа электронов, которые обеспечивают возникновение электронной проводимости в свободной зоне (зона проводимости) и дырок - в валентной зоне.

Глава 2. Экспериментальная часть

В этой части выпускной работы описан проделанный мною эксперимент в котором я использовала два способа измерения зависимости сопротивления полупроводника от температуры. Подробно описаны установка и ход работы. Получен результат и сделаны соответствующие выводы.

2.1. Описание установки

В данной главе мною представлено на рассмотрение демонстрационный опыт с двумя способами измерения, применяемый при чтении лекции по курсу «Физика твердого тела» для студентов в младших курсов. Целью данного опыта являются изучение зависимости сопротивления полупроводников от температуры, экспериментальное доказательство и построение графика зависимости сопротивления полупроводников от температуры.

Само выполнение демонстрационного опыта не представляет собой особой сложности и является простым.

В первом способе измерения экспериментальная установка состоит из исследуемого полупроводникового диода (ММТ-4); мультиметра, термометра, электрочайника и латера (регулируемый автотрансформатор) – предназначенного для плавного регулирования однофазного напряжения в пределах от 0 В до 260 В.  

Подготавливаем установку к работе: устанавливаем режим работы мультиметра, в положение «измерение сопротивления R» и предел измерения (сопротивление полупроводниковых образцов при комнатной температуре ~ 2 кОм); устанавливаем предел измерения латера в 110 В. Наливаем в электрочайник воду комнатной температуры и опускаем исследуемый полупроводниковый диод в электрочайник. Подключаем электрочайник к регулятору напряжения, то есть латеру. После выравнивания температуры исследуемого полупроводникового диода с температурой воды, измеряем с помощью термометра температуру воды. С помощью мультиметра измеряем сопротивление полупроводника в электрочайнике.  Немного подождав измеряем температуры воды с полупроводником и измеряем сопротивление полупроводника. Записываем полученные значения температуры воды в термостате с полупроводником и сопротивление полупроводника в таблицу 1.  Проделываем опыт 15-20 раз.

Таблица 1

№ опыта Сопротивление полупроводникового диода

R, 〖 10〗^3  Ом Температура воды в термостате с полупроводниковым диодом

t, ℃

1  

2  

…  

n  

Во втором способе экспериментальная установка состоит из исследуемого полупроводникового диода, измерительного прибора омметра - измеряющего сопротивление полупроводника, термометра – прибора, измеряющего температуру воды, термостата (стакан с водой) и электрочайника.

Подготавливаем установку к работе: устанавливаем режим работы омметра, измеряющего сопротивление в положение «измерение R» и устанавливаем предел измерения (сопротивление полупроводниковых образцов при комнатной температуре ~ 2 Ом). Наливаем в термостат воду комнатной температуры и опускаем исследуемый полупроводниковый диод в термостат. После выравнивания температуры исследуемого полупроводникового диода с температурой воды, измеряем с помощью термометра температуру воды. С омметром измеряем сопротивление полупроводникового диода в термостате. Записываем полученные значения температуры воды в термостате с полупроводниковым диодом и сопротивление диода в таблицу 1.  

Наливаем воду в электрический чайник и вскипятим воду. Понемногу добавляя горячую воду в термостат (стакан с водой), проделываем опыт 6-7 раз, изменяя температуру воды до 80℃. Все полученные значения сопротивления полупроводникового диода и температуру воды в термостате с диодом записываем в таблицу 1.