Файл: 1. исследование электрических свойств проводниковых материалов.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 262
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
; хNi + хCu =1.
Первые два слагаемых в формуле (1.2) характеризуют удельное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки. Предполагается, что составляющая удельного сопротивления аддитивно зависит от состава. Коэффициент а находят путем подстановки в (1.2) значения удельного сопротивления константана и соответствующего ему содержания никеля хNi = 0,4. В дальнейшем, подставляя различные значения xNi в выражение (1.1), получают необходимое число точек для построений кривой ρ=f(x). Результаты расчетов занести в табл.1.5.
Значения температурного коэффициента удельного сопротивления сплавов CU-Ni при различных содержаниях никеля могут быть проиближенно рассчитаны по формуле:
(1.3)
- удельное сопротивление сплава соответствующего состава, определенного по формуле (1.2). Результаты расчета по 1.3 занести в табл.1.5.
Построение зависимостей удельного сопротивления сплава от содержания никеля ρ(xNi) и температурного коэффициента удельного сопротивления от содержания никеля в сплаве αρ(хNi) по данным табл.1.5 произвести на графиках, у которых по оси абсцисс слева направо в линейном масштабе отложено содержание никеля, а справа налево - содержание меди так, чтобы выполнялась сумма xNi + xCU =1. По концам оси абсцисс провести две оси ординат, на которых отложить масштабные значения ρ и αρ На графике
αρ(хNi)помимо расчетных значений указать экспериментально найденное значение для константана (хNi = 0,4).
6. По данным табл. 1.4 построить температурную зависимость термоЭДС для исследованных термопар.
1. Почему металлы обладают высокой электрической проводимостью?
2. Как объяснить возрастание удельного сопротивления металлов при нагревании?
3. Почему удельное сопротивление металлических сплавов типа твердых растворов выше, чем у чистых металлов, являющихся компонентами сплава?
4. Почему металлические сплавы обладают меньшим температурным коэффициентом удельного сопротивления, чем чистые металлы?
5. При каких условиях возникает термоэлектродвижущая сила?
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Полупроводниковыми называют материалы, основной особенностью которых является сильная зависимость удельной проводимости от внешних энергетических воздействий, а также от содержания и вида примесей.
В полупроводниках, как и в металлах, электрический ток связан с дрейфом носителей заряда в электрическом поле, однако, если в металлах наличие свободных электронов обусловлено самой природой металлической связи, в полупроводниках, для которых характерна ковалентная связь, появление носителей заряда возможно лишь при разрыве собственных валентных связей, либо при ионизации примесных атомов. Необходимые для этого энергетические затраты количественно выражают шириной запрещенной зоны ΔЭ и энергией ионизации примесей ΔЭпр. Поскольку только энергии электрического поля для осуществления таких процессов зачастую оказывается недостаточно, требуется более сильное энергетическое воздействие, например нагревание полупроводника. При тепловом возбуждении происходит увеличение концентрации носителей заряда, В результате увеличения концентрации носителей возрастает удельная проводимость полупроводника.
В общем случае удельная проводимость γ = еnμ,где е - заряд носителя; n и μ - концентрация и подвижность носителей заряда соответственно. В полупроводниках с изменением температуры изменяется как концентрация, так и подвижность носителей.
Зависимость концентрации носителей заряда от температуры для невырожденного полупровод-ника n-типа показана на рис.2.1. На нем можно выделить три характерных участка При низких температурах донорные уровни в полупроводнике заполнены электронами. С ростом температуры электроны с донорных уровней начинают переходить в зону проводимости, увеличивая концентрацию носителей заряда (участок I). Концентрация носителей заряда на этом участке определяется выражением:
,
где NC - эффективная плотность состояний в зоне проводимости, энергия которых приведена ко дну зоны проводимости; ND - концентрация доноров; ЭD - энергия ионизации доноров; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.
Из выражения следует, что наклон прямой на участке I характеризует энергию ионизации примеси. Участок I называют областью примесной электропроводности. При дальнейшем нагревании полупроводника достигается температура ТD, при которой все электроны донорных уровней приобретают дополнительную энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, т. е. все доноры ионизованы. Дальнейшего роста концентрации носителей заряда с ростом температуры наблюдаться не будет, поскольку тепловая энергия еще не достаточна для того, чтобы перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости, т. е. вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Участок II называют областью истощения примесей. При температуре выше ТC температурная зависимость проводимости полупроводника определяется переходами электронов из валентной зоны через запрещенную зону в зону проводимости. Участок III называют областью собственной электропроводности. Концентрация носителей заряда в этой области определяется выражением:
,
где NВ - эффективная плотность состояний в валентной зоне; Э - ширина запрещенной зоны. Из выражения следует, что наклон прямой на участке Ш определяет ширину запрещенной зоны полупроводника.
Зависимость подвижности носителей заряда от температуры имеет более слабый характер по сравнению с температурной зависимостью концентрации, поэтому общий вид зависимости удельной проводимости полупроводника от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей заряда.
2.2. Описание установки
Исследование температурной зависимости сопротивления полупроводников производится на установке, состоящей из термостата с образцами полупроводниковых материалов и омметра, подключаемого поочередно к каждому из образцов. Исследуемые образцы представляют собою параллелепипеды длинной l и поперечным сечением S с двумя омическими контактами и выводами. Термостат с образцами расположен внутри установки. Для измерения температуры в него вмонтирован калиброванный датчик температуры. Отсчет температуры производится в градусах Цельсия со шкалы миллиамперметра, расположенного на лицевой панели установки. Коммутация образцов с омметром осуществляется с помощью переключателя, выведенного на лицевую панель. На лицевой панели расположен и переключатель ступенчатого изменения температуры термостата. Здесь же указаны геометрические размеры образцов и приведены формулы для вычисления подвижности носителей заряда.
2.3. Проведение испытаний
Перед измерениями подготовить к работе омметр, включив его в сеть и прогреть не менее 5 мин. Подключая к омметру поочередно образцы полупроводниковых материалов, измерить их сопротивление при комнатной температуре. Вывести переключатель ступеней нагрева термостата в крайнее левое положение и включить термостат. Измерять сопротивления образцов полупроводников при температурах, соответствующих установившемуся режиму на каждой температурной ступени термостата (время установления режима около 5 мин.).
Таблица 2.1
Первые два слагаемых в формуле (1.2) характеризуют удельное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки. Предполагается, что составляющая удельного сопротивления аддитивно зависит от состава. Коэффициент а находят путем подстановки в (1.2) значения удельного сопротивления константана и соответствующего ему содержания никеля хNi = 0,4. В дальнейшем, подставляя различные значения xNi в выражение (1.1), получают необходимое число точек для построений кривой ρ=f(x). Результаты расчетов занести в табл.1.5.
Таблица 1.5
| хNi | 0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 |
| ρ , мкОм.м | | | | | | |
| αρ, К-1 | | | | | | |
Значения температурного коэффициента удельного сопротивления сплавов CU-Ni при различных содержаниях никеля могут быть проиближенно рассчитаны по формуле:
(1.3) - удельное сопротивление сплава соответствующего состава, определенного по формуле (1.2). Результаты расчета по 1.3 занести в табл.1.5.Построение зависимостей удельного сопротивления сплава от содержания никеля ρ(xNi) и температурного коэффициента удельного сопротивления от содержания никеля в сплаве αρ(хNi) по данным табл.1.5 произвести на графиках, у которых по оси абсцисс слева направо в линейном масштабе отложено содержание никеля, а справа налево - содержание меди так, чтобы выполнялась сумма xNi + xCU =1. По концам оси абсцисс провести две оси ординат, на которых отложить масштабные значения ρ и αρ На графике
αρ(хNi)помимо расчетных значений указать экспериментально найденное значение для константана (хNi = 0,4).
6. По данным табл. 1.4 построить температурную зависимость термоЭДС для исследованных термопар.
1.5. Контрольные вопросы
1. Почему металлы обладают высокой электрической проводимостью?
2. Как объяснить возрастание удельного сопротивления металлов при нагревании?
3. Почему удельное сопротивление металлических сплавов типа твердых растворов выше, чем у чистых металлов, являющихся компонентами сплава?
4. Почему металлические сплавы обладают меньшим температурным коэффициентом удельного сопротивления, чем чистые металлы?
5. При каких условиях возникает термоэлектродвижущая сила?
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Основные понятия и определения
Полупроводниковыми называют материалы, основной особенностью которых является сильная зависимость удельной проводимости от внешних энергетических воздействий, а также от содержания и вида примесей.
В полупроводниках, как и в металлах, электрический ток связан с дрейфом носителей заряда в электрическом поле, однако, если в металлах наличие свободных электронов обусловлено самой природой металлической связи, в полупроводниках, для которых характерна ковалентная связь, появление носителей заряда возможно лишь при разрыве собственных валентных связей, либо при ионизации примесных атомов. Необходимые для этого энергетические затраты количественно выражают шириной запрещенной зоны ΔЭ и энергией ионизации примесей ΔЭпр. Поскольку только энергии электрического поля для осуществления таких процессов зачастую оказывается недостаточно, требуется более сильное энергетическое воздействие, например нагревание полупроводника. При тепловом возбуждении происходит увеличение концентрации носителей заряда, В результате увеличения концентрации носителей возрастает удельная проводимость полупроводника.
В общем случае удельная проводимость γ = еnμ,где е - заряд носителя; n и μ - концентрация и подвижность носителей заряда соответственно. В полупроводниках с изменением температуры изменяется как концентрация, так и подвижность носителей.
 lnn III II I ΔЭC ΔЭD 1/TC 1/TD 1/T |
| Рис.2.1. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры в невырожденном полупроводнике n-типа |
,где NC - эффективная плотность состояний в зоне проводимости, энергия которых приведена ко дну зоны проводимости; ND - концентрация доноров; ЭD - энергия ионизации доноров; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.
Из выражения следует, что наклон прямой на участке I характеризует энергию ионизации примеси. Участок I называют областью примесной электропроводности. При дальнейшем нагревании полупроводника достигается температура ТD, при которой все электроны донорных уровней приобретают дополнительную энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, т. е. все доноры ионизованы. Дальнейшего роста концентрации носителей заряда с ростом температуры наблюдаться не будет, поскольку тепловая энергия еще не достаточна для того, чтобы перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости, т. е. вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Участок II называют областью истощения примесей. При температуре выше ТC температурная зависимость проводимости полупроводника определяется переходами электронов из валентной зоны через запрещенную зону в зону проводимости. Участок III называют областью собственной электропроводности. Концентрация носителей заряда в этой области определяется выражением:
,где NВ - эффективная плотность состояний в валентной зоне; Э - ширина запрещенной зоны. Из выражения следует, что наклон прямой на участке Ш определяет ширину запрещенной зоны полупроводника.
Зависимость подвижности носителей заряда от температуры имеет более слабый характер по сравнению с температурной зависимостью концентрации, поэтому общий вид зависимости удельной проводимости полупроводника от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей заряда.
2.2. Описание установки
Исследование температурной зависимости сопротивления полупроводников производится на установке, состоящей из термостата с образцами полупроводниковых материалов и омметра, подключаемого поочередно к каждому из образцов. Исследуемые образцы представляют собою параллелепипеды длинной l и поперечным сечением S с двумя омическими контактами и выводами. Термостат с образцами расположен внутри установки. Для измерения температуры в него вмонтирован калиброванный датчик температуры. Отсчет температуры производится в градусах Цельсия со шкалы миллиамперметра, расположенного на лицевой панели установки. Коммутация образцов с омметром осуществляется с помощью переключателя, выведенного на лицевую панель. На лицевой панели расположен и переключатель ступенчатого изменения температуры термостата. Здесь же указаны геометрические размеры образцов и приведены формулы для вычисления подвижности носителей заряда.
2.3. Проведение испытаний
Перед измерениями подготовить к работе омметр, включив его в сеть и прогреть не менее 5 мин. Подключая к омметру поочередно образцы полупроводниковых материалов, измерить их сопротивление при комнатной температуре. Вывести переключатель ступеней нагрева термостата в крайнее левое положение и включить термостат. Измерять сопротивления образцов полупроводников при температурах, соответствующих установившемуся режиму на каждой температурной ступени термостата (время установления режима около 5 мин.).
Таблица 2.1
| | R, Ом | |||
| t, C | Si | Ge | SiC | InSb |
| | | | | |