5. Вопросы к теоретическому введению

1. Образование энергетических зон в кристалле. Какие явления наблюдаются при образовании кристаллической решётки? Как называются энергетические зоны, образующиеся при расщеплении энергетических уровней и как они заполняются электронами?

2. Причина образования энергетических зон с точки зрения квантовой механики.

3. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения квантовой механики.

4. Какая проводимость называется собственной? Энергетическая схема собственного полупроводника.

5. Какая проводимость называется примесной?

6. Как получить полупроводник n-типа? Электронная проводимость. Где располагаются энергетические уровни донорных примесей?

7. Как получить полупроводник p-типа? Дырочная проводимость. Где располагаются энергетические уровни акцепторных примесей?

8. Что называется энергией активации? Какой процесс называется рекомбинацией?

6. Литература

1. Савельев И.В. Курс физики М.:Наука,1998-99 г. В 5 томах

2. Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. М.: Высш. школа, 1965.- 365 с.

3. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: «Высшая школа», 1977г.

4. Гаврилов Р.А., Скворцов А.М. Основы физики полупроводников», М.: Машиностроение, 1966 -345 с.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. гл. VП, М.: Наука, 1977.

6. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для студентов втузов.- М. Высш. шк., 2008.-720с.

7. Агеева О.С., Строганова Т.Н., Чемезова К.С. Элементы квантовой механики и физики твердого тела. Учебное пособие. Тюмень, изд-во ТюмГНГУ, 2005. - 134c.

8. Агеева О.С., Строганова Т.Н., Чемезова К.С. Элементы квантовой механики и физики твердого тела: электронное учебное пособие, Тюмень, ТюмГНГУ,2009.

Лабораторная работа №7-1 Исследование температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников

Цель работы: Изучение влияния температуры на электрические свойства металлов и полупроводников.

Содержание работы:

9. Экспериментально получить температурную зависимость сопротивления двух резисторов – металлического и полупроводникового.

10. Определить температурный коэффициент сопротивления металла.

11. Вычислить энергию активации полупроводника.

1. Постановка задачи

1.1. Сопротивление, концентрация носителей заряда, подвижность.

Направленное движение зарядов представляет собой электрический ток. Если перенос заряда происходит под действием относительно слабого электрического поля, плотность тока линейно зависит от напряжённости поляE(закон Ома):

, (1)

где - удельная проводимость вещества.

Если проводник содержит один тип носителей заряда (электроны), то плотность тока может быть выражена:

, (2)

а при наличии двух типов носителей заряда (электронов и дырок):

, (3)

где - элементарный заряд ,

и- концентрация электронов и дырок соответственно,

и- средние скорости их направленного движения.

Для относительно слабых полей скорости движения носителей заряда пропорциональны напряженности электрического поля:

(4)

Коэффициенты пропорциональности ив (4) называются подвижностями электронов и дырок. Из (4) следует, чтоподвижность носителей заряда – физическая величина, численно равная средней скорости направленного движения носителя при напряжённости электрического поля, равной единице. Подставляя (4) в (3) и (2) и сравнивая с (1), получим:

(5)

или

(6)

Выражение (5) справедливо в случае электронной проводимости, а (6) – в случае смешанной проводимости, электронной и дырочной. Таким образом, удельная электропроводность вещества определяется типом носителей заряда, их концентрацией и подвижностью. Сопротивление проводника , как известно, связано с удельной проводимостьювыражением:

, (7)

где - длина проводника,

- площадь поперечного сечения проводника.

Классическая теория рассматривает движение электронов в кристалле как движение частиц идеального газа. При перемещении электроны испытывают соударения с атомами или ионами узлов кристаллической решетки. Этот фактор должен бы определять величину электрического сопротивления. Однако количественные расчёты, проведённые на основе классических представлений, не подтверждаются на опыте.

Электрон обладает не только свойствами частицы, но и волны. Поэтому движение электрона в кристалле может быть описано только на основе законов квантовой механики.

Перемещение электронов подобно распространению волн. Идеальная кристаллическая решетка, в узлах которой находятся неподвижныеатомы, не рассеивает электронных волн. Рассеяние электронных волн происходит на неоднородностях (дефектах), размеры которых составляют не менее ¼ длины волны электрона. Дефекты кристаллической решётки меньших размеров заметного рассеяния волн не вызывают.

К неоднородностям (дефектам) относятся искажения кристаллической решётки при тепловых колебаниях атомов в узлах решетки, пустые узлы, атомы в междуузлиях, атомы примесей.