Ход работы

1. Поместить плату с исследуемыми образцами в термостат.

2. Замерить сопротивление собственного и примесного полупроводника при комнатной температуре. Образцы выбирают с помощью нажатия кнопки “+” на стенде. Значение температуры и сопротивления образцов занести в табл.2.2.

3. Нажать кнопку “НАГРЕВ” на стенде. При этом включится нагрев термостата. Нагрев прекратится при температуре 30⁰ С. При этом за 2 градуса будет подан звуковой сигнал. Повторить измерения образцов при этой температуре. После измерения опять нажать кнопку “НАГРЕВ” на стенде.

4. Замерять по мере прогревания термостата сопротивление обоих образцов и температуру среды через каждые 10^о в интервале от комнатной температуры до 90^оС. Результаты измерения занести в табл.2.2.

Таблица 2.2 - К расчету параметров полупроводников

Т, оС	Ri, Ом	Rn, Ом	T, К	1/T, К-1	lnRi	B, К-1	ΔΕ, эВ
комнатная
300
400
500
600
700
800
900

Задание к лабораторной работе

1. Построить зависимости lnR_i = (1/T) и R_n = (T) для собственного и примесного полупроводников, соответственно. По температурной зависимости сопротивления собственного полупроводника определить угловой коэффициент согласно (2.4) и рис.2.1.

2. Рассчитать значение ширины запрещенной зоны, используя (2.3) для собственного полупроводника.

3. Рассчитать значение удельного сопротивления обоих образцов при комнатной температуре согласно (2.7) и данным таблицы 2.1.

4. Рассчитать концентрацию носителей заряда в собственном полупроводнике при комнатной температуре и концентрацию доноров в примесном полупроводнике, используя соответственно (2.5) и (2.6).

5. Результаты расчета занести в табл.2.1.

6. Сделать выводы о влиянии температуры и примеси на электрическую проводимость полупроводников.

7. Сравнить полученные значения ширины запрещенной зоны и концентрации собственных носителей заряда в германии со справочными.

Теоретические знания

1 Полупроводниковые материалы

По природе строения твердых тел и их поведения в электрическом поле все вещества принято делить на две группы - проводники и непроводники.

К проводникам относят такие вещества, которые имеют свободные носители зарядов – электроны, не принадлежащие конкретным атомам. Причем, это свойство присуще им от природы строения и не связано с какими-либо внешними энергетическими воздействиями. К таким веществам относятся металлы и полупроводники в вырожденном состоянии.

Кристалическая решётка металла образована ионизированными атомами, а их валентные электроны свободно обмениваются местами, передвигаясь в середине твердого тела со скоростью порядка 10⁵ м/с даже при абсолютном нуле температуры. Наличие большого количества свободных электронов (порядка 10²³ см^-3) и их возможность под действием электрического поля изменять свою энергию на небольшую величину обуславливают высокую проводимость металлам. Таким образом, состояние высокой электропроводимости независимо от температуры или других внешних воздействий является естественным состоянием проводника и может быть принято за само определение - “проводник”.

По природе строения и по отношению к электрическому полю, вторая группа веществ - непроводники радикально отличается от проводников тем, что при абсолютном нуле температуры и отсутствия других внешних возбудителей, эти вещества не имеют ни одного свободного носителя заряда, таким образом, совсем не имеют активной проводимости и слабо экранируют электростатическое поле. При повышении температуры до уровня “нормальной” проводимость одних из них увеличивается к величинам близких с проводимостью металлов - такие вещества относят к подгруппе полупроводников; проводимость других остается очень малой (на 15-20 порядков ниже проводимости металлов) - такие вещества относят к подгруппе диэлектриков.

Многие интересные свойства полупроводников проявились только тогда, когда научились выращивать их почти идеальные монокристаллы, очищать их от не контролированных примесей с точностью один “чужой” на сто миллиардов “своих” атомов, когда была разработана фундаментальная теоретическая база - зонная теория твердых тел, что объясняет и предусматривает многие полезные свойства полупроводников. Если коротко, то полупроводники, кроме выше сказанного, это вещества с чрезвычайно высокой чувствительностью к наличию примеси, дефектов кристаллической решётки, разным внешним действиям.

Согласно зонной теории к диэлектрикам относят те вещества, ширина запрещенной зоны в которых более 3 эВ, а к полупроводникам – если ширина запрещенной зоны более 0 та менее 3 эВ. Проводники не имеют запрещенную зону.

Огромная номенклатура активных элементов современной электроники, от самого простого диода к сверхбольшой интегральной микросхеме, в сущности, составляют единственный монокристалл полупроводника с очень незначительными (в бытовом понятии) изменениями в отдельных его частицах. Поэтому характеристика полупроводников и свойства полупроводниковых приборов неразрывно связанные.

Собственный полупроводник это такой полупроводник, в котором отсутствуют примеси и проводимость которого обусловлена электронами и дырками в равной степени. В собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости свободна от электронов, то есть он ведет себя при абсолютном нуле как диэлектрик.

При температурах, более 0 К имеет место вероятность того, что некоторые валентные электроны за счет тепловых флуктуаций могут преодолеть запрещенную зону и попасть в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают свободные дырки, то есть разорванная связь. Для собственных полупроводников количество свободных электронов равняется количеству свободных дырок

, , (2.8)

где n, p - концентрация свободных электронов и дырок;

n_i – концентрация собственных носителей заряда.

Примесным полупроводником называют такой полупроводник, электрофизические свойства которого определяются примесью. В силу того, что количество примеси мало, а расстояние между атомами примеси большое, то их электронные оболочки не взаимодействуют между собой. Поэтому примесные уровни будут дискретные, то есть не расщепляются в зону, как это имеет место для собственных атомов кристаллической решётки.

Если проводимость примесного полупроводника при определенных условиях обусловлена только электронами, то такие полупроводники называют донорными, электронными или п-типа проводимости.

Если проводимость примесного полупроводника при определенных условиях обусловлена только дырками, то такие полупроводники называют акцепторными, дырочными или р-типа проводимости.