σ=σ0 + σприм , (9)
где σприм примесная проводимость. С увеличением температуры образца возможно изменение типа проводимости, как указывалось выше. Тогда график зависимости ln( I ) = f (T-1) может иметь излом (рис.3.), который свидетельствует об изменении типа проводимости. Измеряя тангенсы наклона линейных участков графика, оказывается возможным определить не только энергию запрещенной зоны, но и энергию положения примесного уровня Еприм=Еа (или Еd). На рис.3. участок АВ соответствует примесной проводимости, ВС – „истощению” примесей и СD- собственной проводимости полупроводника. Поведение графика на участке ВС может быть сложнее нежели изображено на рис.3., что связано с фазовыми переходами при нагреве образца.
для полупроводников с примесной проводимостью.
Термосопротивления на основе полупроводников находят широкое применение в термометрах, измеряющих температуру в диапазоне от -1000С до +3000С. Принципиальная схема такого термометра ничем не отличается от изображенной на рис. 1, а амперметр проградуирован в градусах. Полупроводниковые Термосопротивления также используется для регистрации слабых тепловых сигналов. Высокая чувствительность подобных приборов позволяет конструировать на их основе приемники теплового излучения, реагирующие на тепловые потоки мощностью до 10-10 Вт.
Конструкция установки
Экспериментальная установка выполнена в виде отдельного функционального модуля, заключенного в металлический кожух, на лицевой панели которого расположены:
- мультиметр для измерения тока и напряжения при снятии вольт-амперных характеристик;
- тумблер «I-U» - для переключения мультиметра из режима измерения тока в режим измерения напряжения;
- цифровой индикатор термометра;
- тумблер включения термометра – «термометр»;
- ручка регулировки напряжения на полупроводниковом сопротивлении – «U»;
- тумблер включения печи нагревателя – «нагреватель»;
- ручка регулировки нагрева печи термостата – «нагрев» (позиция против часовой стрелки до упора – печь выключена);
- переключатель «R1-R2» полупроводниковых сопротивлений (R2 – с собственной проводимостью, R1- с примесной проводимостью);
- тумблер включения установки – «сеть».
Величина силы тока протекающего через сопротивления определяется по напряжению на резисторе в 1 Ом, который подключен последовательно с полупроводниками. При этом тумблер «I-U» переводится в положение «I», а величина тока определяется по шкале «200 mV» мультиметра.
Порядок выполнения работы и обработка полученных результатов
1. Включить установку тумблером «сеть». Включить термометр тумблером «термометр».
2. Изменяя ручкой «U» величину подаваемого напряжения для каждого из полупроводников R1 и R2 снять зависимость силы тока I от напряжения U (не менее 10 точек) при комнатной температуре. Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1.
U, В |
I(R1), мA |
I(R2), мА |
0,5 |
||
1 |
||
1,5 |
||
… |
||
10 |
3. Установить величину подаваемого на полупроводники напряжения U=1 В. Включить нагреватель термостата тумблером «нагреватель» и повернуть ручку «нагрев» в крайнее положение по часовой стрелке (положение максимальной мощности нагревателя). В процессе нагрева сопротивлений снять зависимость силы тока I от температуры полупроводников при заданном значении напряжения. (Записывать показания приборов не реже чем через каждые 100С. Нагрев проводить до 1000С). Результаты измерений занести в таблицу 2.
Внимание! В процессе измерений необходимо постоянно контролировать величину установленного напряжения.
Таблица 2.
Т, 0С |
1/Т, 1/0К |
I(R1), мА |
I(R2), мА |
ln( I ), (R1) |
ln( I ), (R2) |
20 |
|||||
25 |
|||||
… |
|||||
95 |
|||||
100 |
4. По данным таблицы 1 построить вольт-амперные характеристики сопротивлений R1 и R2.
5. Используя результаты таблицы 2, построить температурные характеристики полупроводников R1 и R2 [ ln( I ) = f (T-1) ]. Cделать вывод о характере проводимости исследованных сопротивлений. Определив тангенс угла наклона соответствующих прямых, рассчитать ширину запрещенной зоны полупроводников Еg и энергию примесного уровня Еприм по формулам:
Еg = 2k∙tgα1; Еприм = 2k∙tgα2 (10)
Контрольные вопросы
1.Поведение каких частиц описывается функциями распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна?
2.Напишите выражение для функции распределения Ферми-Дирака.
3.Что такое энергия Ферми и чем она определяется при Т = 0 К?
4.С чем связано изменение электропроводности в примесном полупроводнике при изменении его температуры?
5.Где расположен уровень Ферми в полупроводниках с собственной и примесной проводимостью?
6.Где используются термосопротивления?
ЛИТЕРАТУРА
1. Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнев В.А., Серов Е.А. Физика твердого тела. М., Высшая школа, 2001.
2. Васильев А.М., Введение в статистическую физику. М., Высшая школа, 1980
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.