Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 781
Скачиваний: 38
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Северо – Кавказская государственная академия»
СРЕДНЕПРОФЕССИОНАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ
-
Технологическое отделение
Цикловая комиссия «Экономические дисциплины»
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
по учебному предмету: «Физика»
На тему : «Акустические свойства полупроводников»
Специальность 35.02.16 Эксплуатация и ремонт
сельскохозяйственной техники и оборудования
Автор: Обучающийся группы 35.02.16-211
Коркмазов Кемран Ильясович
РУКОВОДИТЕЛЬ:
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
Черкесск, 2022 г.
Содержание
Технологическое отделение
| Введение………………………………………………………………………... | 3 | |
| 1. | Общая характеристика полупроводниковых материалов........................ | 4 |
| 2. | Электропроводность полупроводников………………………………… | 6 |
| 3. | Поглощение и усиление звука……………………. | 8 |
| 4. | ………….. | 12 |
| Заключение……………………………………………………………………… | 14 | |
| Список использованных нормативных источников и литературы………….. | 16 | |
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
В полупроводниках имеет смысл изучать, прежде всего, те акустические эффекты, которые обусловлены взаимодействием звука с электронами проводимости. В конце концов, именно небольшое количество электронов проводимости отличает полупроводник от диэлектрика. Типичные концентрации электронов в тех случаях, которые нас интересуют, составляют 1011 - 1016 см-3.
Рассмотрим акустические эффекты только в одном типе полупроводника, а именно в пьезоэлектрических полупроводниках. Акустические эффекты в них наиболее выражены, лучше всего и наиболее тщательно исследованы.
Пьезоэлектрики- это кристаллы, в которых под действием равномерной деформации возникает дипольный момент и, следовательно, электрическое поле, пропорциональное деформации.
Цель проекта – исследование акустических свойств полупроводников.
Для наиболее полного достижения цели необходимо поставить следующие задачи:
1. Дать общую характеристику полупроводниковых материалов;
2. Изучить электропроводность полупроводников;
3. Описать поглощение и усиление звука;
4. Изучить усиление акустических шумов и связанные с этим явления
-
Общая характеристика полупроводниковых материалов
Полупроводник – это материал, основным свойством которого является сильная зависимость его электрической проводимости от воздействия внешних факторов, таких, как температура, электрическое поле, свет и т. д.
Полупроводники бывают простые и сложные.
Полупроводник, основной состав которого образован атомами одного химического элемента, называется простым.
Полупроводник, основной состав которого образован атомами двух и более химических элементов, является сложным.
В полупроводниках носителями заряда, обуславливающими электрическую проводимость, являются дырки проводимости и электроны.
Полупроводник, не содержащий примесей, влияющих на его электропроводность, называется собственным полупроводником.
Электропроводность собственного полупроводника в равновесном состоянии обусловлена как дырками проводимости, так и электронами проводимости, причем их концентрации равны. Полупроводник, электропроводность которого определяется примесями, называется примесным полупроводником. Полупроводник, электропроводность которого обусловлена в основном перемещением дырок проводимости, примесями, называется дырочным полупроводником.
У электронного полупроводника проводимость обусловлена в основном электронами проводимости.
Полупроводники отличаются от других классов твердых материалов многими специфическими особенностями, главными из которых являются:
1. Положительный температурный коэффициент электропроводности, то есть с повышением температуры электропроводность полупроводников растет.
2. Удельная проводимость полупроводников меньше, чем у металлов, но больше, чем у изоляторов.
3. Большие значения термоэлектродвижущей силы по сравнению с металлами.
4. Высокая чувствительность свойств полупроводников к ионизирующим излучениям.
5. Способность резкого изменения физических свойств под влиянием ничтожно малых концентраций примесей.
6. Эффект выпрямления тока или неомическое поведение на контактах.
Среди простых веществ полупроводниками являются бор, кремний, германий, серое олово, некоторые модификации фосфора, мышьяка и сурьмы, а также селен, теллур и иод. Недавно открыта новая модификация углерода – фуллерит, который является полупроводником в отличие от алмаза и графита. Помимо них известны многочисленные полупроводниковые соединения: оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды, антимониды, интерметаллические полупроводники, тройные и более сложные полупроводниковые соединения.
Если считать, что электропроводность металлов составляет порядка 106 – 104 Ом-1*см-1, а изоляторов меньше 10-10 Ом-1*см-1, то удельная проводимость полупроводников находится в интервале 10-10 -103 Ом-1*см-1.
Таким образом, проводимость полупроводников промежуточная между металлами и изоляторами.
Неорганические полупроводники, как правило, обладают координационной структурой, то есть в их пространственных решетках отсутствуют молекулы. То есть они обладают немолекулярной структурой. Поэтому макроскопическое тело полупроводника состоит либо из большого числа одинаковых атомов (простое вещество), либо также из большого числа (порядка числа Авогадро) различных атомов (соединения).
Важнейшую роль играют поверхностные свойства полупроводников. Нередко поверхностные энергетические уровни и зависящие от них свойства преобладают над объемными характеристиками полупроводников. Поэтому, чтобы улучшить электрофизические характеристики полупроводниковых приборов, в приборостроении особое внимание обращают на травление поверхности
, влияние адсорбированных газов, присутствие посторонних внешних примесей.
-
Электропроводность полупроводников
У полупроводников между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещённая зона. При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия их валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна от электронов.
К п/п – кам условно относят вещества с шириной запрещённой зоны ΔWi = 0.05-3.0 эВ.
Область или зона энергетических состояний электронов, находясь в которой они могут создавать ток, носит название зоны проводимости.
Для многих полупроводников достаточно невысокой температуры (например, комнатной), чтобы перевести некоторое количество электронов их атомов в зону проводимости. Непрерывное повышение температуры усиливает процесс такого перехода и проводимость полупроводника в результате этого увеличивается.
Итак, электропроводность в полупроводниках обусловливается электронами. Она называется электронной электропроводностью или электропроводностью n-типа. В данном случае электроны, создающие ток, принадлежат атомам самого полупроводника, а не атомам примеси, поэтому такую электропроводность называют собственной.
У атома, электрон которого перешел в зону проводимости, образовался, таким образом, недостаток одного электрона. Такие атомы превращаются в положительные ионы, которые, однако, закреплены на месте и не в состоянии двигаться и принимать участие в создании тока. Место отсутствующего электрона может занять электрон с соседнего атома, у которого такого недостатка нет. В результате этого перехода появится у второго атома недостаток в электроне. Подобный процесс может иметь место одновременно у многих атомов.
Если приложить электрическое напряжение, перескок электронов с одних атомов на другие (соседние) примет характер направленного перемещения их в одну сторону. Одновременно с этим образующиеся положительно заряженные атомы будут возникать в направлении, противоположном движению электронов. Это будет похоже на движущиеся положительные заряды, т. е. на ток, создаваемый положительными электрическими зарядами, которые движутся в направлении, противоположном движению электронов.
Отсутствие в атоме электрона в результате перехода его в зону проводимости получило название дырки ('в атоме). Электрический же ток, образующийся при движении дырок, называют дырочным током. Электропроводность,
обусловленная этим дырочным током, называется дырочной электропроводностью или электропроводностью р-типа .
Полупроводники, не содержащие донорные и акцепторные примеси, называют собственными полупроводниками, а содержащие - примесными.
Итак, движение электронов (в одном направлении) и дырок атомов (в обратном направлении) самого полупроводника создает собственную электропроводность, которая с повышением температуры возрастает. Понижение же температуры будет уменьшать собственную электропроводность полупроводника, так как будет уменьшаться число электронов, переходящих в зону проводимости. Поэтому полупроводники при охлаждении приближаются к диэлектрикам по величине их сопротивления.
В полупроводниках и диэлектриках при температуре 00К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока.
Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления этого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела.
Чем выше температура и меньше запрещенная зона, тем выше интенсивность межзонных переходов.
У диэлектриков запрещенная зона может быть настолько велика, что электронная электропроводность не играет определяющей роли.
Если каждый атом имеет, например, 4 валентных электрона, являющихся общими для 4 ближайших атомов (конфигурация валентных связей), то такое твердое тело является полупроводником. Например, в германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами, на наружной оболочке имеется по четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими, окружающими его атомами.
3. Поглощение и усиление звука
При распространении бегущей звуковой волны пространственное распределение электронов стремится следовать за пространственным распределением пьезоэлектрического потенциала. Соответственно переменные пьезоэлектрические поля порождают переменные электронные токи, которые и «подстраивают» распределение электронов к распределению потенциала. При протекании этих токов в проводнике должно выделяться джоулево тепло. В результате при распространении звука механическая энергия звуковой волны переходит в энергию беспорядочного теплового движения, т. е. происходит поглощение звука. Интенсивность поглощаемого звука изменяется по закону: