Визначення ширини забороненої зони напівпровідників з температурної залежності їх провідності

 

Мета роботи

Оволодіти методикою визначення ширини забороненої зони напівпровідників з температурної залежності їх провідності

 

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати особливості зонної структури металів, діелектриків та напівпровідників (§6.1), механізми власної і домішкової провідностей напівпровідників (§6.2, §6.3)

 

Прилади і обладнання

Зразок власного напівпровідника з електричними контактами, цифровий мілівольтметр, цифровий прилад для вимірювання опору, автотрансформатор, резистивний нагрівник, термопара

 

Теоретичні відомості та опис установки

Як відомо, для власних напівпровідників залежність питомої провідності від температури описується виразом (6.3) (див. §6.2). Цю залежність можна подати так:

, (1)

де - питома провідність власного напівпровідника при ; - ширина забороненої зони напівпровідника; - стала Больцмана.

Формула (1) описує пряму (рис.1), тангенс кута нахилу якої до осі абсцис дорівнює: . Тому ширину забороненої зони власного напівпровідника можна визначити із співвідношення:

, (2)

де , – значення ординати прямої у відповідних точках і її абсциси (рис.1).

В даній лабораторній роботі використовується лабораторна установка, яка схематично наведена на рис.2.

Рис. 2

 

Напівпровідниковий зразок 1 розміщений всередині нагрівного елемента 3. Живлення нагрівного елемента здійснюється від автотрансформатора 4, увімкненого в мережу 220 В. Напруга на нагрівнику контролюється вольтметром 7. Для вимірювання температури використовується термопара 2 хромель–копель, яка під’єднана до мілівольтметра 5. Опір досліджуваного зразка вимірюється за допомогою цифрового приладу 6 для вимірювання опору.

Досліджуваний зразок має форму паралелепіпеда довжиною L =3 мм та площею поперечного перерізу S =0,1 мм². Питому провідність зразка розраховують за даними вимірювання його опору та відомими значеннями довжини зразка і площі його поперечного перерізу, використовуючи формулу

. (3)

Опором переходу метал-напівпровідник нехтуємо.

Послідовність виконання роботи

1. Увімкнути цифровий мілівольтметр 5 та прилад 6 для вимірювання опору в мережу 220 В.
2. Регулятор вихідної напруги на автотрансформаторі 4 встановити в положення "І". Увімкнути автотрансформатор в мережу 220 В. Через кожні ~10 хв послідовно переміщати регулятор напруги в положення 2, 3, 4,…8.
3. Проводити вимірювання опору досліджуваного зразка при різних значеннях температури через кожні 0,2 мВ за показами мілівольтметра. Нагрівання здійснювати до температури, яка вказана на робочому місці.
4. Користуючись графіком градуювання термопари визначати температуру досліджуваного зразка напівпровідника.

5. Встановити регулятор вихідної напруги на автотрансформаторі в положення “0”.

1. Вимкнути автотрансформатор і прилади з мережі 220 В.
2. За отриманими значеннями опору напівпровідникового зразка розрахувати величину його питомої провідності і для різних температур, використовуючи співвідношення (3).

 

Таблиця 1

№ п/п	ЕТ, мВ	t, ^0 C	T, K	1/T, K^- ^1	R, Ом	σ, Ом^-1·м^-1	ln σ	Δ E, еВ
	0,2
	0,4
…	...
	3,0

1. Побудувати графік залежності . Вибрати на графіку ділянку, де найбільше проявляється пряма лінія, і для довільно вибраних значень і знайти відповідні значення та .
2. Обчислити ширину забороненої зони досліджуваного напівпровідника за формулою (2).
3. Проаналізувати отримані результати та зробити висновки.

 

Контрольні запитання

1. Поясніть як утворюються енергетичні зони в кристалах?
2. Як розуміти терміни “валентна зона”, “зона провідності”, “заборонена зона” з точки зору зонної теорії?
3. Які речовини називаються провідниками, діелектриками і напівпровідниками?
4. Який напівпровідник називається “власним”? “Домішковим”?
5. Чим зумовлена провідність власного і домішкового напівпровідників?
6. Чим пояснюється зміна концентрації вільних носіїв заряду у власних напівпровідниках від температури?
7. В чому полягає суть методики визначення ширини забороненої зони напівпровідників з температурної залежності їх провідності?

 

 

Лабораторна робота №11

 

Дослідження р–n переходу та його практичного використання

 

Мета роботи

Дослідити вольт–амперну характеристику р–n переходу та ознайомитися із його використанням для випрямлення змінного струму та стабілізації напруги

 

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати особливості зонної структури і механізми власної і домішкової провідностей напівпровідників (§6.1, §6.2), фізичну суть процесів, які спостерігаються на межі контакту напівпровідників і типу (§6.4)

 

Прилади і обладнання

Лабораторна установка для дослідження вольт–амперної характеристики р–n переходу,

діод типу Д226, стабілітрон типу Д814