rezistența metalului și energia de activare semiconductor
Obiectiv: Pentru a explora dependența rezistenței metalelor și a semiconductoarelor din rezistența de măsurare a temperaturii conductorului metalic și termistorul la temperaturi diferite pentru determinarea coeficientului de temperatură al rezistenței (TCR) a epruvetei din metal și energia de activare a semiconductorului.
Echipament: banc de laborator; mini-bloc „cheie“, „TCR“ voltmetru Multimetru pointer, un senzor de temperatură, modulul de alimentare 1,2 ... 12, cablul de conectare.
Toate materialele de pe proprietățile electrice sunt împărțite în trei clase: conductorii. dielectrici și semiconductori. Prin conductori includ metale cu rezistivitate scăzută - mai puțin de 10 ohm -6 × m. Rezistivitatea semiconductorilor este de obicei în intervalul 10 5. 14 octombrie ohm × m. Materialele a căror ve masca de rezistivitate mai mare 14 octombrie ohm × m, dielectrici luate în considerare. Semi-poreclele sunt unele elemente ale grupelor III-VI tabel elemente DI Mendeleev (B, Ge, Si, Ca, Te.) Pe lângă un număr mare de compuși chi mical (GaAs, GaP, ZnS, SiC ...). În funcție de condițiile externe (temperatură, presiune) aceeași substanță poate prezenta proprietăți electrice diferite. De exemplu, germaniu, la o temperatură de azot lichid, 77 K - izolator, la temperatura camerei, - un semiconductor, și în formă lichidă - conductor.
Teoria oferă o clasificare mai rezonabilă a substanțelor. Conform teoriei actuale solide bandă de electroni liberi în interiorul solid, cât și în atomi, nu poate avea decât o anumită valoare fixă a energiei, și anume energia de electroni este cuantificată. energia razreshonnyeurovni prin combinarea atomilor în cristal formează o multitudine de niveluri strâns distanțate - zona permisă. separate prin zone „interzise“. Fiecare zonă permisă stochează numele nivelurilor din care este format, de exemplu, zona 1s. 2s. 2p și așa mai departe.
Suprafața nivelelor energetice formate cea mai îndepărtată de nucleul unui atom de electroni de valență este numită banda de valență. Aceasta este „superioară“ în zonele populate cu electroni, la o temperatură T = 0 K (-273 ° C). Pe lângă banda de energie admisă este denumită banda de conducție în semiconductori. La T = 0 în această zonă nu există electroni, este „gol“. Banda de energie de electroni de valență pentru metale, izolatori și semiconductori și de umplere a acestora la o temperatură T = 0, prezentat în Fig. 6.1. Și celule de turnare gri marcat niveluri de energie ocupate. Linie orizontală - fără niveluri de energie permise ale electronilor.
Upper Zona permise diferite substanțe pot fi umplute parțial sau complet cu electroni, și, de asemenea, poate fi complet liber de electroni.
Energia-zonă este considerată ca completează în cazul în care toate nivelurile zonei ocupate de electroni. Acestea sunt banda semiconductorilor și dielectricilor valență la temperatura absolută zero (vezi. Fig. 6.1). Astfel, în conformitate cu principiul de excluziune al lui Pauli, același nivel de energie poate fi nu mai mult de doi electroni având direcții opuse de spin.
In metal la T = 0 valentnayazona umplut parțial (vezi. Fig. 6.1). De exemplu, în cristal de metale alcaline de sodiu electroni Nav 11 valență 3s umplut doar niveluri jumătate.
Lățimea benzii între benzile de conducție și de valență la temperatura absolută zero este numită energia de activare a DW semiconductor (vezi. Fig. 6.1). Energia de activare este numeric egal cu munca pe care este necesar să se facă electronului în tranziția de la banda de valență la banda de conducție. Energia de activare se măsoară în electron volți (eV) și este un semiconductor de 0,1 ... 2 dielectricilor eV mai mare de 4 eV.
Pentru un material atunci când un câmp electric provenit de curent electric, electronii trebuie să înceapă să se miște directional. Apariție curent în creștere este însoțită de energie al fiecărui electron (energie la energia termică mișcare este adăugată mișcare direcționată). Într-un metale electroni liberi, a primit câmp electric datorită energiei suplimentare la calea liberă, se mută la un nivel de energie mai mare în banda de valență. Electronul eliberat ocupă nivel situat sub „scara de energie“, etc. - un curent electric.
În izolatori și semiconductori, electronul nu poate lua energie din domeniu, din moment ce a lua-o, el ar trebui să ia un nivel superior, care este fie interzisă sau ocupate. Prin urmare, atunci când zero absolut și semiconductori și izolatorii sunt izolatoare, adică nici un curent electric este trecut.
Pe măsură ce temperatura crește energia termică a electronilor luat-Chiva (energia medie a mișcării termice
În conformitate cu o distribuție Boltzmann a concentrației de electroni ne liber (trecut în banda de conducție) este mai mică decât n0 concentrația electronilor rămase în banda de valență, deoarece energia potențială a electronilor liberi asupra # 916; W o mai mare energie potențială a electronilor asociate cu atomul:
Aici T - temperatura absolută; k = 1,38 x 10 -23 - constanta Boltzmann.
În densitatea de contact semiconductor deasupra găurilor mobile, la concentrația de electroni liberi. Un astfel de semiconductor se numește electron-gol. și conductivitatea sa - intrinseci. Intrinsec posedă elemente foarte pure ale patrulea grup de tabelul periodic (germaniu, siliciu).
În prezența siliciului în germaniu sau o cantitate mică de atomi de impuritate unui echilibru valență diferită între concentrația de electroni liberi și găuri sunt rupte iar semiconductorii sunt formate cu tipul de conductivitate primară. Astfel, dacă impuritatea este un element al 5-lea grup de tabelul periodic (Sb - Sb, arsenic - As), apoi un exces de electroni liberi și conducție electronică semiconductor obținut (n-tip). Dacă este prezent ca o impuritate atomii din grupul 3 (indiu - În bor - B), format apoi și lipsa de electroni liberi obținute din semiconductor de tip p (tip p). Energia de activare a semiconductorilor de impurități considerabil mai mici decât lățimea benzii interzise a semiconductorului pur.
Când un electron din atomul izolat semiconductor format un spațiu liber - gaura. Dacă acum, în materiale semiconductoare pentru a crea un câmp electric, gaura se poate deplasa în direcția liniilor de forță, în cazul în care acesta este un loc liber va deriva împotriva domeniul de electroni. Prin urmare, gaura este ca o sarcină pozitivă egală ca mărime cu taxa de electroni. Deci, investiția de energie # 916; W formează două gratuit, pentru a crea o jumătate dintr-un purtător de energie cheltuită # 916; W. și concentrația de purtători
Concentrația de încărcare liberă depinde de conductivitate # 963;, invers rezistivitate r:
4. Porniți modulul de alimentare. Amplasat pe butonul de reglare a tensiunii de alimentare 8-9 V. Temperatura probei începe să crească. Uita-te la termometru și un ohmmetru, de comutare de comutare „cheie“. Atâta timp cât eșantionul se încălzește, scrie în tabel. 6.1 un număr de valori cu crescătoare creșteri de temperatură de 4 ... 5 ° C, deoarece o temperatură de 25 ° C Se continuă încălzirea la o temperatură de 65-67 ° C. Ometri în timp ce înregistrarea nu este necesară. pentru că măsurarea principal va fi efectuată în rezistențe de răcire. Această metodă de măsurare nu este afectată de citirile din sursa de alimentare metru, și pentru a obține valori mai exacte ale Rp Rezistenta conductorului și RPP semiconductoare.
5. Opriți alimentarea cu energie - temperatura va începe în curând să scadă. Deoarece 65 ° C, se citește de pe afișajul contorului și înregistrați simultan (comutare de comutare „cheie“), valorile de rezistență ale conductorului și un semiconductor în tabel. 6.1 la temperaturi înregistrate în tabelul sub încălzire.
7. La final, opriți modulul de alimentare, multimetru și arată rezultatele măsurătorilor ale profesorului. Dezasambleze circuitul, rândul său, mini-bloc și un set de fire, curat la locul de muncă.