Fx_3_Laba

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра КЭОП

отчет

по лабораторно-практической работе №3

по дисциплине «Физика конденсированного состояния»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Вариант 6

Студент гр. 5202		Малиновский М.Д.
Преподаватель		Пухова В.М.

Санкт-Петербург

2018

Цель работы: изучить механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках, определяющие температурную зависимость подвижности электронов. Рассчитать зависимость электропроводности полупроводников от температуры.

Общие сведения

Физическая система может находиться в двух состояниях – состоянии статического (термодинамического) равновесия и неравновесном состоянии. Явления, возникающие в системе при отклонении ее от равновесия, называются кинетическими явлениями или явлениями переноса.

Явления переноса обусловлены направленным движением носителей заряда под действием внешних и внутренних полей. К ним относятся электропроводность, теплопроводность, термоэлектрические, гальваномагнитные, термомагнитные явления.

Основным методом теоретического описания кинетических эффектов является метод кинетического уравнения Больцмана.

Решение данного уравнения позволяет найти стационарную неравновесную функцию распределения, если известны и характер внешних сил.

Зависимость проводимости от температуры определяется температурными зависимостями концентрации и подвижности.

Для невырожденных и собственных полупроводников концентрация носителей зависит от температуры и других внешних воздействий. Если температура постоянна и никакие поля на полупроводник не воздействуют, то такое состояние, как было указано выше, называется термодинамически равновесным. Такие носители заряда получили название равновесных.

Концентрации свободных равновесных носителей заряда в полупроводнике (электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне) определяются эффективной плотностью энергетических состояний в разрешенных зонах и их фактическим заполнением.

Отметим, что температурная зависимость концентрации дырок для полупроводника p-типа выглядит аналогично рассматриваемой. Интерпретация зависимости на участке примесной проводимости проводится на основе представлений о захвате акцепторными атомами электронов из валентной зоны и об образовании в ней свободных дырок.

Экспоненциальный закон изменения концентрации свободных носителей заряда при изменении температуры обусловливает принципиальное различие между температурной зависимостью проводимости полупроводников и металлов. У последних концентрация свободных носителей от температуры практически не зависит.

Исходные данные (вариант 6):

Обработка результатов:

1. Вывод температурной зависимости химического потенциала при различных концентрациях примеси:

На рисунке 1 представим ход температурной зависимости химического потенциала:

Рис.1

2. Произведем расчет температурных зависимостей концентрации электронов, дырок, ионизированных атомов и нейтральных примесей.

Построим графики данных зависимостей на рисунках 2 – 5 для различных концентраций примеси:

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

3. Рассчитаем и построим графики температурной зависимости подвижности электронов и дырок, отвечающих различным механизмам рассеяния. Рассчитаем температурную зависимость результирующей подвижности.

Рис.6

Рис.7

Рис.8

4. Рассчитаем температурную зависимость проводимости для нашего полупроводника и на рисунке 9 построим график данной зависимости при различных концентрациях примеси:

Рис.9

Выводы: В данной лабораторной работе были исследованы температурные зависимости электропроводности полупроводников. При увеличении температуры величина химического потенциала растет, достигая при высоких температурах положения уровня Ферми собственного полупроводника, что свидетельствует о том, что при очень высоких температурах примесь истощается и полупроводник становится собственным. С увеличением концентрации примеси рост химического потенциала происходит при больших температурах, так как примесь дольше истощается.

В ходе работы было получено, что концентрация носителей зависит от температуры в широком интервале (см. рис. 2-5).

Температурная зависимость проводимости полупроводника имеет три характерных участка: примесной проводимости, истощения примеси, собственной проводимости. При этом при увеличении концентрации примеси электропроводность увеличивается.

Вопрос: Зависимость положения уровня Ферми в полупроводнике с одним типом проводимости?

При повышении температуры положение уровня Ферми растет (падает) в полупроводнике p-типа (т-типа) и при высоких температурах достигает середины запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике. Это происходит из-за того, что примесь с ростом температуры истощается и в конце концов полупроводник превращается в собственный.