Послідовність виконання роботи.

1. Скласти електричне коло за схемою (рис. 7).

 

 

Рис. 7.

2. Виміряти омметром опір метала при кімнатній температурі.

3. Увімкнути нагрівач, через кожні 10° С вимірювати мультиметром або термометром температуру металу та омметром опір металевого провідника.

 

4. Результати вимірювань занести до таблиці 1.

 

Таблиця 1.

t, °С
R, Ом

 

5. Побудувати графік залежності R=f(t,°С).

6. За графіком визначити R₀ і tgφ.

7. За формулою (5) обчислити ТКО α.

8. У висновках до роботи зазначити, який характер залежності R=f(t°С) для досліджуваного металу, і порівняти одержаний дослідним шляхом ТКО з його табличним значенням.

5. Контрольні запитання.

1. Яка будова кристалічної ґратки металів і який характер сил взаємодії в них?

2. Чому металічні кристали мають добру електропровідність?

З. Як пояснюється залежність опору металів від температури в класичній теорії електропровідності?

4. Чому при виникненні кристалів відбувається розщеплення енергетичних рівнів атомів?

5. Що називається зоною дозволених і зоною заборонених енергій?

6. Як пояснюється провідність металів на основі зонної теорії?

7. Як заповнена у металів валентна зона і де у них знаходиться зона провідності?

8. Який вигляд має експериментальна залежність опору металів від температури?

9. Що характеризує і в яких одиницях вимірюється температурний коефіцієнт опору?

10. Як пояснюється температурна залежність опору металів в квантовій теорії провідності?

11. Який метод вивчення температурної залежності металів використовується в даній роботі?

 

6. Домашнє завдання.

Для виконання роботи необхідно вивчити наступні питання курсу фізики: типи міжатомних зв'язків у твердих тілах; виникнення кристалічної ґратки; розподіл енергетичних рівнів електронів і виникнення енергетичних зон; валентна зона і зона провідності у металів; класична теорія електропровідності металів, залежність електроопору металів від температури.

7.Прилади та обладнання.

1 Досліджуваний металевий провідник.

2 Термометр.

3 Нагрівач.

4 Автотрансформатор.

5 Омметр.

 

Література

1. Савельев Й. В. Курс общей физики, Т. І, 1970, «Наука», §13.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, Т. II, 1969, «Наука», §69-71.

3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики, Т.І, 1970, «Наука», §19.

4. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики, Т.ІІ, 1969, «Наука», § 19-20.

 

Лабораторна робота №14

 

Температурна залежність електричного опору напівпровідників

 

Мета роботи.

Знайти залежність електричного опору напівпровідників від температури, визначити енергію активації і температурний коефіцієнт опору.

 

Теоретичні відомості.

Електричні властивості кристалічних твердих тіл визначаються будовою їхньої кристалічної ґратки і характером сил, що діють між частинками твердого тіла, тобто типом хімічного зв'язку. За квантовою теорією енергія електронів в атомах квантується, тобто може мати лише дискретні значення. Ці значення енергії відповідають енергетичним рівням. Якщо однакові атоми ізольовані один від одного, то вони мають однакові енергетичні рівні. При утворенні кристала відбувається зміна енергетичних рівнів у зв'язку з взаємодією атомів. Якщо кристал складається з N атомів, то замість одного, однакового для всіх атомів рівня, виникає N дуже близьких енергетичних рівнів, які не співпадають один з одним і сукупність яких називається зоною енергетичних рівнів. Розщеплення енергетичних рівнів відбувається згідно з принципом Паулі, за яким на одному енергетичному рівні може перебувати не більше двох електронів, які відрізняються орієнтацією спінів. Сукупність значень енергії, якими можуть мати електрони в даному атомі (зони дозволених енергій) чергуються зі значеннями енергій, які електрони в даному атомі мати не можуть (зони заборонених енергій). Ступінь розщеплення для різних рівнів неоднакова. Рівні, заповнені ближчими до ядра (внутрішніми) електронами, розщеплюються незначно, бо ці електрони слабо взаємодіють з електронами і ядрами інших атомів, які утворюють кристал. Така взаємодія є значною для валентних електронів, внаслідок чого їхні рівні розщеплюються сильніше, створюючи валентну зону. Ще помітнішим є розщеплення більш високих, ніж валентні, енергетичних рівнів, не зайнятих електронами в основному стані атома. У кристалів різних типів ступінь заповнення валентної зони різна і енергетичні зони розміщені по-різному, чим пояснюється їхня різна електропровідність. Кристали, у яких валентна зона заповнена повністю, а наступна за нею зона дозволених енергій відокремлена зоною заборонених енергій, при абсолютному нулі температури і відсутності зовнішнього збудження (підігрів, опромінення) провідності не мають. В таких кристалах електричне поле не може викликати напрямленого переміщення електронів, оскільки при напруженостях поля, які не викликають пробою кристалів, воно не може надати електронам необхідної для цього енергії. Цю додаткову енергію електрони можуть одержати при нагріванні, опроміненні та інших збудженнях кристала. Якщо внаслідок цього енергія електрона виявиться достатньою для переходу його до вільної зони дозволених енергій, яка називається зоною провідності, то в кристалі є можливим виникнення електричного струму, а такі речовини називаються напівпровідниками. Якщо заборонена зона настільки широка, що перехід електронів є неможливим, то речовина є ізолятором (діелектриком). Умовно вважають, що напівпровідниками є речовини з шириною забороненої зони менше 3 еВ, а діелектриками – кристали з шириною забороненої зони більше 3 еВ (рис. 1). Енергія ΔW, необхідна для переведення електрона в зону провідності, називається енергією ширини забороненої зони або енергією активації електронів. Чисельно енергія активації співпадає з шириною забороненої зони.

 

Зонна діаграма діелектрика та напівпровідника

 

Рис. 1.

 

При переході електронів з валентної зони в зону провідності виникають дірки – некомпенсовані позитивні заряди. На залишені електронами місця переходять електрони з більш низьких рівнів, де замість електронів виникають дірки. Таким чином, по кристалу в електричному полі переміщуються і електрони, і дірки, але в протилежних напрямках. Одночасно з виникненням вільних електронів і дірок в напівпровіднику йде зворотній процес – рекомбінація, яка призводить до попарного зникнення електронів і дірок Кожному значенню температури кристала відповідає певна рівноважна концентрація електронів і дірок, величина якої змінюється з температурою Т за законом:

 

, (2.1)

 

де n і n_∞ - концентрація вільних носіїв при температурах Т і Т=∞; ΔW - енергія активації електронів; k - стала Больцмана.

Температурна залежність електропровідності будь-якого матеріалу визначається залежністю концентрації носіїв струму та їхньої рухливості від температури. В напівпровідниках рухливості у електронів і дірок слабо залежать від температури, тому електропровідність залежить від температури за тим же законом що і концентрація:

 

, (2)

 

де γ і γ₀ - питомі електропровідності при температурах Т і Т=0. Графік залежності має вигляд (рис. 2).

 

Рис. 2.

 

Оскільки опір є оберненим до електропровідності, то

 

, (3)

 

де R і R_∞ опори напівпровідника при температурах Т і Т=∞. Отже, опір напівпровідників зменшується при підвищенні температури за експоненціальним законом (рис. 3).

 

Рис. 3.

Зміна опору при зміні температури характеризується температурним коефіцієнтом опору α (ТКО), який в загальному вигляді задається виразом:

 

(2.4)

 

Фізичний зміст ТКО полягає у відносній зміні кожної початкової одиниці опору при зміні температури на один градус. Вимірюється ТКО в град^-1.

Співвідношення (3) і (4) показують, що для напівпровідників

 

 

тобто α < 0, що відповідає зменшенню R при збільшенні Т і має різне значення при різних температурах. Провідність, зумовлена електронами, називається електронною (n - тип), а дірками - діркового (р - тип). В напівпровідниках, у яких відсутні домішки і дефекти кристалічної ґратки, провідність є електронно-дірковою. Вона називається власною і досягає значних величин при достатньо високих температурах. При введенні до кристала домішок або порушенні періодичності його кристалічної гратки енергетична зонна діаграма змінюється. Якщо валентність атомів домішки на одиницю більша від валентності основних атомів кристалу, то один валентний електрон домішкового атома не буде брати участі у створенні ковалентних зв'язків і, відокремившись від атома за рахунок теплового руху, стає електроном провідності. Дірка, яка виникає на місці вивільненого електрона, є зв'язаною з домішковим атомом і не зможе вільно переміщуватись в кристалі. Домішки, які дають напівпровіднику вільні електрони провідності, називаються донорами. Енергетичні рівні таких електронів називаються локальними, бо вони виникають не по всьому кристалу, а тільки там, де є домішкові атоми. Локальні рівні в напівпровідниках з донорними домішками розташовані в зоні заборонених енергій поблизу нижнього рівня зони провідності (рис. 4). З цих рівнів електрони легко переходять в зону провідності, оскільки енергія активації донорної домішки ΔW_D значно менша енергії активації ΔW власної провідності. Завдяки цьому концентрація домішкових носіїв струму при незначних температурах значно перевищує концентрацію власних носіїв, внаслідок чого в напівпровідниках з донорними домішками переважає електронна провідність.

Якщо валентність атомів домішки на одиницю менша від валентності основних атомів кристалу, то валентних електронів атома домішки буде недостатньо для створення ковалентних зв'язків. Один із зв'язків залишиться недокомплектованим і може захопити електрон.

 

Зонна діаграма напівпровідника з донорними домішками

 

 

 

Рис. 4.

 

При переході електрона на це місце в однієї з сусідніх пар виникає дірка, яка буде вільно перемішуватись по кристалу, а негативний надлишковий заряд, що з'явився поблизу домішкового атома, буде з ним зв'язаний. Домішки, за рахунок яких в напівпровіднику виникають вільні дірки, називаються акцепторними. Перехід електрона із заповненого зв'язку в валентний зв'язок відповідає переходу валентного електрона на локальний енергетичний рівень, який в такому випадку розташований в зоні заборонених енергій поблизу верхнього рівня валентної зони (рис. 5).

 

Зонна схема напівпровідника з акцепторними домішками

 

Рис. 5.

 

Оскільки енергія активації діркової (акцепторної) провідності ΔW_A мала в порівнянні з енергією активації власної провідності ΔW, то при невисоких температурах концентрація домішкових носіїв струму значно перевищує концентрацію власних носіїв, внаслідок чого в напівпровідниках з акцепторними домішками переважає діркова провідність. Наприклад, якщо в деяких вузлах ґратки германію (Gе) його 4-валентні атоми будуть заміщені 5-валентними атомами стибію (Sb), то домішка буде донорною (рис. 6). А якщо у вузлах ґратки кремнію (Si) його 4-валентні атоми будуть заміщені 3-валентними атомами бору (В), то домішка буде акцепторною (рис. 7).

При підвищенні температури концентрація домішкових носіїв швидко зростає і досягає насичення. Це відповідає повному звільненню від електронів донорних локальних рівнів або повному заповненню електронами акцепторних локальних рівнів. Проте при підвищенні температури зростає і власна провідність, зумовлена переходом електронів безпосередньо з валентної зони в зону провідності.

 

Електронний перехід у випадку донорної домішки

 

 

Рис. 6.

 

Електронний перехід у випадку акцепторної домішки

 

 

Рис. 7.

 

Таким чином, при високих температурах з’являється власна провідність.

 

3. Контрольні запитання.

1. Чому при виникненні кристалів відбувається розщеплення енергетичних рівнів атомів?

2. Що називається зоною дозволених і зоною заборонених енергій?

3. Як заповнена валентна зона у напівпровідників і де у них знаходиться зона провідності?

4. Чим відрізняється зонна структура діелектриків і напівпровідників?

5. Які носії заряду є в напівпровідниках?

6. Що називається енергією активації електронів у напівпровіднику?

7. За яким законом змінюється питома електропровідність напівпровідників при зміні температури?

8. За яким законом змінюється опір напівпровідників при зміні температури?

9. Що характеризує і в яких одиницях вимірюється температурний коефіцієнт опору?

10. Який фізичний зміст має від'ємний знак температурного коефіцієнта опору напівпровідників?

11. Що називається власною провідністю напівпровідників і при яких температурах вона є значною?

12. Що називається домішковою провідністю напівпровідників і як вона залежить від температури?

13. В чому полягає метод вимірювання температурної залежності напівпровідників в даній лабораторній роботі?

14. Який графік використовується для визначення енергії активації температурного коефіцієнта опору напівпровідника?

 

Домашнє завдання.

Для виконання роботи необхідно вивчити наступні питання курсу фізики: виникнення кристалічної ґратки; розщеплення енергетичних рівнів електронів і виникнення енергетичних зон; валентна зона і зона провідності в ізоляторах і напівпровідниках; власна і домішкова провідності напівпровідників; температурна залежність опору напівпровідників.

 

Лабораторне завдання.

Метод вимірювань грунтується на визначенні опору напівпровідника при різних температурах.

Якщо прологарифмувати вираз (3) і розв'язати систему рівнянь

 

(5)

 

то вийде, що енергія активації провідності

 

(6)

 

Величина є тангенсом кута нахилу залежності R=f(T) побудованої в координатах (рис. 8). Таким чином, для енергії активації одержимо вираз

 

(7)

 

для термічного коефіцієнта опору одержимо вираз

 

, (8)

 

де

 

Залежність опору напівпровідника від температури

 

Рис. 8.