Книга: Электричество и магнетизм
Если ширина запрещенной зоны ΔW
велика (порядка нескольких эВ), тепловое движение не сможет забросить в свободную
зону заметное число электронов. В этом случае кристалл оказывается изолятором.
Таким образом, квантовая теория
объясняет с единой точки зрения существование хороших проводников (металлов),
полупроводников и изоляторов.
Итак, полупроводниками
являются кристаллические вещества, у которых валентная зона полностью заполнена
электронами, а ширина запрещённой зоны невелика (не более 1 эВ). Полупроводники
обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности
они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако,
характерным для них является не величина проводимости, а то, что их
проводимость растёт с повышением температуры (у металлов она уменьшается).
Электрическое поле не
может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому
полупроводники ведут себя при абсолютном нуле как диэлектрики. При
температурах, отличных от 0 К, часть электронов из валентной зоны переходит в
зону проводимости, в результате чего в полупроводнике возникают свободные
носители зарядов. С повышением температуры число таких носителей растёт и,
следовательно, увеличивается электропроводность полупроводника, а значит,
уменьшается сопротивление. Зависимость сопротивления полупроводников от
абсолютной температуры в определённых температурных интервалах описывается
формулой
, (4)
где А - константа, k -
постоянная Больцмана, ΔЕ - энергия активации. Под энергией активации понимается
энергия, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон из валентной зоны в
зону проводимости. Логарифмирование уравнения (4) даёт
. (5)
График зависимости
ln(R)=f(1/T) представляет собой прямую, угловой коэффициент которой равен
ΔЕ/К. Построив график зависимости (5), этот угловой коэффициент можно
определить по формуле
(6)
для любых двух точек,
лежащих на прямой, а затем найти энергию активации ΔЕ.
Экспериментальная
установка
Исследуемые проводник и
полупроводник помещаются в термостат, заполненный непроводящей жидкостью. В
нижней части термостата помещен нагреватель. Температура измеряется
термометром. Сопротивления проводника и полупроводника измеряются одновременно
с помощью измерителя иммитанса (рис.2). Для проведения измерения достаточно
подключить проводник (полупроводник) к зажимам и установить нужный режим
измерения. Нажатием кнопки «Параметр» установить прибор в режим измерения RG.
Так как истинная температура проводника и полупроводника может несколько
отличаться от показаний термометра в условиях нагревания и охлаждения, то сопротивление
следует измерять дважды: при нагревании, а затем при охлаждении, и вычислять
среднее значение.
Проведение эксперимента
1.
Исследуемые
проводник и полупроводник подключить к клеммам измерителей иммитанса в качестве
неизвестного сопротивления;
2.
Измерить
их сопротивления при комнатной температуре;
3.
Включить
нагреватель и измерять сопротивления Rпов. через каждые 4-5° С при повышении
температуры до 50-60° С;
4.
Выключить
нагреватель и произвести измерения сопротивлений Rпон. проводника и полупроводника
при их охлаждении до комнатной температуры;
5.
Результаты
измерений занести в таблицы 1 и 2;
6.
Определить
среднее значение сопротивлений, измеренных при повышении и понижении
температуры;
7.
Построить
график зависимости проводника R= f(T), откладывая по горизонтальной оси
температуру, а по вертикальной – сопротивление;
8.
Из
графика определить R0 и α следующим образом: продлить
полученную прямую до пересечения с осью R. Точка пересечения даст значение R0
. Значение коэффициента α вычислить по формуле (3), воспользовавшись
данными графика.
9.
Построить
график зависимости lnR=f(1/T), откладывая значения 1/Т по горизонтальной оси,
a In R - по вертикальной.
10.
Пользуясь
формулой (6), определить угловой коэффициент, а затем и энергию активации полупроводника
Е Выразить
энергию активации в электрон-вольтах.
Таблица I
№ |
t, °C |
Rпов, Ом
|
Rпон, Ом
|
<R>, Ом |
R0, Ом
|
α, град-1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2
№ |
t, °C |
T, K |
1/T, K-1
|
Rпов,Ом
|
Rпон, Ом
|
<R>, Ом |
lnR |
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 |