Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового нагревателя в вакууме

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНТСТВА ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Художитков Виталий Эдуардович

Отчет

о курсовой работе:

«Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового нагревателя в вакууме»

Практикум по электромагнетизму, 2 курс, группа 032.1

Преподаватель электромагнитного практикума:

_______________Ражев А. М.

«__»___________2011 г.

Научный руководитель:

_______________Азаров И. А.

«__»___________2011 г.

Новосибирск, 2011 г.

Аннотация

к курсовой работе студента 2 курса физического факультета гр. 032.1 Художиткова Виталия Эдуардовича: <<Исследование вольт-амперной характеристики полупроводникового нагревателя в вакууме>>.

Научный руководитель:

Азаров Иван Алексеевич,

НИУ НГУ, azarov_ivan@mail.ru 8-913-763-1418

В данной работе была получена вольт – амперная характеристика кремниевого нагревателя в вакууме. Кремниевый нагреватель, в данном случае, представляет собой простую пластину из кремния, подключенную к источнику напряжения. На основе полученной вольт-амперной характеристики построены графики температурной зависимости проводимости кремниевого нагревателя и сделаны выводы из полученных данных.

Содержание.

1.  Введение……………………………………………………………………………….…….3

2.  Теоритическая часть…………………….…………………………………………….…….4

3.  Экспериментальная часть…………………………………………………………………12

4.  Обсуждение результатов..……………………………………………………………..…..15

5.  Выводы…..………………………………………………………………………..………..16

6.  Список использованной литературы…………………………………………………..…17

1.  Введение.

Цель данной работы: получить вольт-амперную характеристику кремниевого нагревателя в вакууме. Построить графики зависимости подвижности от температуры.

Однако для чего мы исследуем вольт-амперную характеристику именно в вакууме? Исследование данного вопроса имеет практический интерес. Вольт-амперная характеристика в вакууме имеет значение для работ с использованием нагревателя производимых в вакууме, как способ контролировать мощность выделяемую на нагревателе.

По виду вольт – амперной характеристики можно оценить велико ли количество примесей в полупроводниковом нагревателе. Также можно оценить вид температурной зависимости проводимости нагревателя. Оценка данных параметров имеет практический смысл, ведь их точное вычисление достаточно сложно, а эксперимент, который мы собираемся провести, позволяет оценить важнейшие свойства кремниевого нагревателя, что мы в этой работе и сделаем.

2.  Теоретическая часть.

Элементы зонной теории.

Из атомной физики известно, что электроны в атоме находятся на строго определенных, дискретных уровнях энергии. Согласно принципу запрета Паули на каждом уровне может находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин – собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого). Пренебрегая спин – орбитальным взаимодействием, можно считать, что в отсутствии внешнего магнитного поля все уровни двукратно вырождены по спину.

В качестве примера рассмотрим элемент 4 группы периодической таблицы, в которой находятся самые распространенные полупроводники. Представим, что произойдет при сближении N атомов четвертой группы. Внешняя s оболочка преобразуется в полностью заполненную 2N электронами s – подобную зону. Однако оставшиеся 2N электрона не заполняют p – подобную зону содержащую 6N уровней полностью. Значит ли это что кристалл образованный из элементов 4 группы должен быть металлом?

Однако существование полупроводников среди кристаллов, образованных элементами 4 группы связано с взаимодействием электронов внешних s и p оболочек – их расщеплением на симметричные и более высокие по энергии антисимметричные состояния и s – p гибридизацией связей. Вспомним что кремний (к примеру) с решеткой типа алмаза содержит 2 атома. В двух симметричных квантовых ямах электронный уровень расщепляется на симметричное и антисимметричное состояние. Энергия симметричного состояния ниже, так как соответствующая ей волновая функция более <<гладкая>>, поэтому кинетическая энергия электрона меньше. В кристалле кремния полностью заполнены электронами связывающие орбитали, между верхним и нижним по энергии состояниями в анти-связывающих орбиталях нет разрешенных уровней энергии для электронов: образуется запрещенная зона (ширину запрещенной зоны обозначим как ε_g). Поэтому атом кремния является полупроводником. Запрещенной зоной называется провал между валентной зоной (верхняя заполненная электронами зона) и зоной проводимости (следующая разрешенная зона выше по энергии чем валентная зона).

Рис. 1. Иллюстрация образования энергетических зон и возникновения s-p³ гибридизации в кремнии, R – расстояние между ближайшими атомами.

Собственные полупроводники.

Итак, полупроводники – это неметаллические материалы с относительно небольшой величиной энергии ε_g. Собственными называются полупроводники, в которых концентрация свободных носителей тока определяется только температурой и собственной, присущей данному полупроводнику, величиной энергии ε_g. Однако концентрация свободных носителей заряда определяется не только собственными параметрами полупроводника. Одной из самых характерных особенностей полупроводников является очень высокая чувствительность их к невероятно малым количествам примесей. Совершенно ничтожная, неощутимая ни в каких других материалах добавка постороннего вещества в количестве одного атома на миллион или даже на миллиард атомов полупроводника может заметно изменить его свойства и привести к тому, что концентрация свободных носителей будет определяться не собственными свойствами полупроводника, а количеством и характером введенной примеси. Рассмотрим, однако, ситуацию когда примесей нет, и нарушений кристалл не содержит. В кристаллической решетке каждый электрон удерживается на своей орбите, и чтобы освободить его, нужно затратить энергию ε_g. Пусть температура кристалла Т. Энергия хаотического теплового движения частиц, стремящегося разорвать электронные связи между атомами, по порядку величины равняется, как известно . При комнатной температуре энергия теплового движения  << ε_g. Может показаться, что в таком случае тепловое движение вообще окажется неспособным разорвать ни одной электронной связи и свободные носители в кристалле не возникнут, однако это не так.

Дело в том, что величина  характеризует лишь среднюю тепловую энергию частиц. Однако из-за случайного, хаотического характера теплового движения в кристалле в каждый данный момент найдутся атомы, чья энергия гораздо больше, чем средняя величина. В том числе и такие, чья энергия больше, чем значение ε_g. Таких атомов очень немного, но они есть, и часть электронных связей между атомами окажется разорванной.