3. Параметры примесных полупроводников

Кроме перечисленных параметров примесные полупроводники имеют следующие параметры.

1. Тип проводимости р или п (см. рис. 2.4).

2. Концентрация доноров N_Д или акцепторов N_А - число примесных атомов в единице объема вещества.

3. Энергия ионизации примеси E_Д, E_А - энергия, отсчитываемая от потолка валентной зоны для акцепторного полупроводника или от дна зоны проводимости для донорного полупроводника (см. рис. 2.4), т.е. это энергия, необходимая для отрыва примесного электрона от донорно-акпепторной связи.

4. Концентрация свободных электронов п или дырок р - количество свободных электронов или дырок в единице объема вещества. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда в примесном полупроводнике более сложная, чем в собственном (рис. 2.6).

Это связанно с механизмом переноса носителей заряда. При 0 К все примесные электроны находятся на примесном уровне с энергией E_Д, а собственные электроны - в валентной зоне.

При приложении электрического поля ток в таком полупроводнике не протекает, так как отсутствуют носители заряда. При повышении температуры первыми отрываются и переходят в зону проводимости примесные электроны, дырок при этом не образуется. На этом этапе электрическая проводимость обусловлена только примесными электронами (рис. 2.6, участок 1):

(2.18)

При дальнейшем повышении температуры все примесные электроны оказываются свободными и примесь "истощается" (рис. 2.6, участок 2). В этом случае концентрация свободных электронов приблизительно равняется концентрации доноров:

n  N_D, (2.19)

Если температура высокая, возбуждаются собственные электроны, при этом образуются и электроны, и дырки, т.е. полупроводник становится собственным (рис. 2.6, участок 3). В этом случае концентрация свободных носителей заряда определяется (2.13).

5. Удельная электрическая проводимость в донорном полупроводнике на участке примесной проводимости обусловлена только электронами (см. рис.2.6, участок І):

σ_п = епμ_п,

или с учетом (2.11) и (2.18)

(2.20)

Поэтому на первом участке наклон прямой пропорционален E_D/2k.

Н а участке 2 согласно (2.19) концентрация носителей заряда не зависит от температуры, поэтому электрическая проводимость будет определяться только зависимостью подвижности от температуры. При высоких температурах носители заряда рассеиваются на тепловых колебаниях кристаллической решетки и справедливо соотношение (2.11), т.е.

(2.21)

Другими словами, электрическая проводимость с повышением температуры уменьшается (рис. 2.7, участок 2б).

При низких температурах рассеяние носителей заряда происходит на ионизированных примесях. При этом

. (2.22)

С учетом этого

(2.23)

т.е. электрическая проводимость полупроводника с повышением температуры возрастает (рис. 2.7, участок 2а). При высоких температурах наблюдается собственная электрическая проводимость и справедливо соотношение (2.17) (рис. 2.7, участок 3).

Контрольные вопросы

1. Какие материалы относятся к классу полупроводников?

2. Основные характеристики полупроводниковых материалов?

3. Какие факторы определяют электрическую проводимость полупроводников?

4. Что такое собственная и примесная проводимость?

5. Какие параметры полупроводников можно определить из температурной зависимости их сопротивления?

6. Чем отличается температурная зависимость удельного сопротивления собственного полупроводника от примесного?

7. Что такое собственный, донорный и акцепторный полупроводник?

8. Что такое примесь замещения и внедрения?

9. Как зависит подвижность носителей заряда в собственном полупроводнике от температуры?

10. Чем обусловленная температурная зависимость электропроводности полупроводника?

11. Какие параметры характеризуют примесные полупроводники?

12. Как изменяется подвижность носителей заряда в примесных полупроводниках с температурой?

13. Как влияет температура на электропроводность примесных полупроводников?

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ

Цель работы - изучить влияние температуры и содержания примеси на сопротивление металлических проводников.

([1], с. 186-229; [2], с. 27-89)

Методика проведения эксперимента

Исследуются металлические сплавы на основе меди и никеля (типа константана), а также никеля и хрома (типа нихрома). Их основные параметры приведены в табл. 3.1.

Удельное сопротивление проводника можно определить так:

, (3.1)

где R - сопротивление проводника; l - длина; S - площадь поперечного сечения.

Таблица 3.1

№ п/п	Состав	Длина, м	Диаметр, мм	Т, °С	R, Ом	ρ, мкОм·м	αρ, К^-1
1 2 3 4 5	Сu 85% + Nі 15% Сu 60% + Nі 40% Сu 20% + Nі 80% Сu 100% Nі 80% + Cr 20%	8,7 6,2 7,7 30,0 6,5	0,17 0,18 0,12 0,08 0,40

Температурный коэффициент удельного сопротивления определяется по температурной зависимости удельного сопротивления проводника:

(3.2)

где ρ - удельное сопротивление при комнатной температуре; dρ/dT - наклон прямой в координатах ρ = f(T).

Для снятия температурной зависимости сопротивления металлических проводников используется следующая схема измерения (рис. 3.1).