Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

1. Розглянемо домішкову електронну провідність на прикладі германію з домішками атомів миш'яку. Германій – чотиривалентний елемент, а миш'як – п'ятивалентний. Коли в кристалічній решітці атом германію заміщується атомом миш'яку, чотири електрони миш'яку утворюють міцний ковалентний зв'язок з чотирма сусідніми атомами германію, а п'ятий електрон миш'яку, слабо зв'язаний із своїм атомом, легко робиться вільним навіть при кімнатній температурі. Домішкові атоми миш'яку є донорами електронів. Тому електропровідність такого напівпровідника називається електронною, а напівпровідник – n-типу

На основі зонної теорії домішкова електронна провідність пояснюється так. Енергія домішкових електронів менша від енергії нижчого рівня зони провідності напівпровідника. Тому енергетичні рівні домішкових електронів (донорні рівні) лежать у забороненій зоні напівпровідника, причому ближче до зони провідності (рис. 8. 1. 3). Оскільки енергія Е'д дуже мала (наприклад, для кремнію з домішками As 0, 054 eB, то за рахунок теплової енергії електрони домішок з донорного рівня переходять у зону провідності напівпровідника.

  

 

2. Домішкову діркову провідність германій матиме тоді, коли домішковий елемент буде тривалентний, наприклад, індій. Коли атом германію заміщується атомом індію, останній утворює міцний зв'язок тільки з трьома валентними електронами германію і для утворення повного ковалентного зв'язку не вистачає одного електрона. Тому один з електронів сусіднього атома германію заповнює в атомі індію валентний четвертий зв'язок. Атоми індію при цьому стають центрами захоплення електронів. На місці електрона, який відірвався від германію, з΄являється «позитивна дірка». Ця дірка заповнюється електронами від сусіднього атома германію. Процес повторюється: дірки безладно перемішуються в об'ємі напівпровідника. Під впливом електричного поля дірки утворюватимуть струм.

За зонною теорією домішкові акцепторні атоми вносять додаткові незайняті енергетичні рівні, які лежать в області забороненої зони ближче до верхнього рівня валентної зони напівпровідника (рис. 8. 1. 4). Раніше заповнена валентна зона напівпровідника стає зоною діркової провідності. Такий тип провідності напівпровідника називається дірковою домішковою провідністю або провідністю р-типу.

При низьких температурах провідність напівпровідників здійснюється за рахунок домішок, тобто Ед>>Е'д і Еа>>Е'а і для цього потрібна менша енергія.

З ростом температури іонізується все більша кількість атомів домішок. Настає температура, при якій всі домішкові атоми іонізовані (область виснаження). При більш високих температурах Т зростання електропровідності пояснюється власною провідністю. Характер залежності електропровідності   від Т подано на рис. 8. 1. 5.

 

 

Практично при дослідженні температурної залежності електропровідності напівпровідників часто користуються не провідністю а просто опором напівпровідника. Для тих температур, для яких формули (7) і (8) мають місце, можна записати:

а) для власного напівпровідника

 

 

Термоелектричний напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від температури і який може бути використаний для фіксування зміни температури навколишнього середовища, називається терморезистором або термістором. Напівпровідникові терморезистори, як правило, містять обидва види домішок.

Для одержання температурної характеристики терморезистор розміщують у термостаті або в нагрівній пічці на одному рівні з термопарним датчиком, з'єднаним з вимірювальним мостом. Опір напівпровідника при цьому вимірюється мультиметром. Після ознайомлення з лабораторною установкою вимірюють опір терморезистора і відповідну температуру в пічці, починаючи від кімнатної температури і закінчуючи температурою 75-80°С. Результати вимірювань заносять в окрему таблицю. 

Обробка експериментальних даних

1. З графіка залежності In R = f ( ) визначити енергію активації. В цьому випадку

Одержані результати звіряють із значеннями, відомими з теорії.

2. Визначають коефіцієнт температурної чутливості В терморезистора.

3. Всі розрахунки виконують з допомогою мікроЕОМ.

 

1. Власна і домішкова провідності напівпровідників з точки зору зонної теорії.

2. Температурна залежність провідності напівпровідників.

3. Концентрація вільних носіїв у верхній частині валентної зони і нижній частині зони провідності.

 

Мета роботи: ознайомитися з одним із методів визначення концентрації вільних носіїв струму в напівпровідниках та встановити їх природу.

Прилади і матеріали: установка для дослідження ефекту Холла в напівпровідниках.

  

 

Сукупна дія магнетного і електричного полів істотно ускладнює картину руху носіїв струму в провідних тілах порівняно з дією лише електричного поля. Якщо в другому випадку має місце їх направлений рух – дрейф – зі швидкістю, пропорційною  , то в першому випадку на дрейфовий рух накладається рух під дією сили Лоренца. У цьому випадку виникають гальваномагнетні явища, найважливішими з яких є ефект Холла.

Явище ефекту Холла полягає в тому, що в провіднику зі струмом, розміщеному в зовнішньому магнетному полі, виникає електричне поле, напруженість якого перпендикулярна площині, в якій лежать вектори густини струму і індукції магнетного поля.

Зупинимось дещо детальніше на механізмі явища ефекту Холла. На рис. 8. 2. 1 схематично зображений однорідний ізотропний зразок, через який вздовж осі Х протікає струм І.

У додатному напрямку осі Z діє магнетне поле індукції  . При відсутності магнетного