Знакомство с электропроводностью полупроводниковых материалов и исследование терморезистора

2015-11-12

725

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

Цель работы: знакомство с электропроводностью полупроводниковых материалов и экспериментальное исследование температурной характеристики терморезистора.

1. Краткие сведения из теории.

Вещества с сопротивлением 10^-6 – 10^-4 Ом.см причисляют к проводникам. Вещества с сопротивлением 10^-10 – 10¹⁸ Ом.×см относят к диэлектрикам. К полупроводникам относят вещества с удельным сопротивлением от 10^-3 –10^-2 до 10⁸ – 10⁹ Ом.см. Полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Количество полупроводников значительно превышает количество диэлектриков и проводников. В электронике наиболее часто применяют кремний, германий, арсенид галлия, селен, теллур.

Рассмотрим строение полупроводников с точки зрения зонной теории.

При образовании кристалла энергетические уровни атомов расщепляются, что приводит к образованию зон, состоящих из близко расположенных друг к другу энергетических уровней. На энергетической диаграмме чистого полупроводника (рис. 1.1, а) показаны В—валентная зона, все уровни которой при температуре абсолютного нуля заполнены электронами, С—зона свободных электронов (зона проводимости), на уровни которой могут переходить электроны при возбуждении атомов, и 3 — запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Наличие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию большую, чем DW.

У металлов запрещенная зона отсутствует и валентная зона непосредственно соприкасается с зоной проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электро- и теплопроводность. У изоляторов ширина запрещенной зоны велика (DW>4 эВ) и при обычных условиях электроны проводимости практически отсутствуют.

Ширина запрещенной зоны DW у наиболее распространенных полупроводников — германия (Ge) и кремния (Si) —составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. У кремния и германия запрещенная зона мала. Поэтому, при комнатной температуре Т=300K некоторые электроны могут преодолеть запретную зону. При уходе электрона из валентной зоны в ней остается незаполненный слой – дырка. Временно образуется разрыв одной связи (рис.1а).

Эти полупроводники принадлежат к IV группе элементов таблицы Менделеева и имеют по четыре валентных электрона. На рис. 1.1, а снизу показана также схема кристалличес-

Рис. 1.1. Зонная диаграмма и схема образования носителей зарядов в чистом полупроводнике (а) и полупроводниках n- типа (б) и р- ти-па (в)

кой решетки этих полупроводников, где связи, образованные валентными электронами, обозначены двойными линиями.

Из-за относительно узкой запрещенной зоны у Ge и Si уже при температуре, близкой к комнатной (T=300 К), некоторые электроны получают энергию, достаточную, чтобы преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости. При уходе электрона в валентной зоне остается незаполненный энергетический уровень — дырка. В кристаллической решетке при этом происходит разрыв одной из валентных связей в кристалле полупроводника и появление свободного электрона, который может свободно перемещаться по кристаллу, и дырки — узла решетки, лишенного одного из электронов связи. Оборванная связь может быть восстановлена, если ее возобновит электрон из соседней связи.

Процесс восстановления связей за счет перемещения электронов от одного атома решетки к другому, т. е. в валентной зоне, удобно представить в виде противоположно направленного движения дырок, которым приписывается положительный заряд (т. е. заряд, противоположный заряду перемещающихся электронов). Таким образом, в кристалле возможно перемещение как свободных электронов (отрицательных зарядов), так и дырок (положительных зарядов).

Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон – дырка называется генерацией собственных носителей зарядов. Одновременно происходит процесс рекомбинации- возврат электронов из зоны проводимости в валентную зону. Время жизни между моментами генерации называется временем жизни носителя заряда.

Чаще всего рекомбинация происходит на дефектах кристаллической решетки (нарушения кристаллической структуры, случайные примеси, трещины, дефекты в поверхностных слоях); эти дефекты служат центрами рекомбинации.

Благодаря рекомбинации количество носителей заряда в полупроводнике не увеличивается и при постоянной температуре неизменно. Концентрации (количество носителей в единице объема, 1/см³) дырок p_i и электронов n_i в чистом полупроводнике равны: p_i=n_i

В рабочем диапазоне температур концентрация электронов и дырок в чистом полупроводнике невелика, и по своим электрическим свойствам чистый полупроводник близок к диэлектрикам.

Введение в чистый полупроводник небольших количеств примесей (например, в пропорции один атом примеси на миллион атомов полупроводника) приводит к резкому изменению характера электропроводности.

Введем, например, в кремний атомы примесей V группы элементов таблицы Менделеева (мышьяк), имеющий на внешней оболочке пять валентных электронов.

Такие примеси, обладающие дополнительным валентным электроном, называются донорными. Один из валентных электронов оказывается лишним, не образует связи с соседними атомами полупроводника. На энергетической диаграмме этому электрону соответствует локальный энергетический уровень, расположенный в верхней части запрещенной зоны (рис. 1б) и заполненный при температуре абсолютного нуля.

Близость локальных уровней к зоне проводимости приводит к тому, что уже при небольшом нагреве атомы примеси ионизируются, отдают дополнительный электрон, при этом число свободных электронов увеличивается. Образование свободных электронов при ионизации донорной примеси сопровождается появлением в узлах кристаллической решетки неподвижных положительных зарядов — ионов примеси. Обмен электронами между атомами примеси невозможен, так как атомы примеси удалены друг от друга и при комнатной температуре все ионизированы. Таким образом, ионизация атомов примеси не приводит к увеличению концентрации дырок, которые образуются только при разрыве связей между атомами полупроводника. Поэтому при введении донорной примеси концентрация свободных электронов оказывается значительно больше концентрации дырок и электропроводность определяется в основном электронами. В этом случае электроны называют основными носителями), дырки—неосновными, а такой полупроводник называется полупроводником п-типа. Несмотря на преобладание в примесном полупроводнике подвижных носителей одного знака, полупроводник в целом электрически нейтрален. Для полупроводника n-типа справедливо следующее равенство концентрации отрицательных и положительных зарядов:

n_n= Рп+ Nд.

гдеNд — концентрация донорной примеси.

Рп-концентрация дырок

n_n- концентрация электронов

Поскольку р_п мала, то n_n ≈Nд.

При введении в кремний или германий примесей III группы (алюминия, бора или индия), называемых акцепторными, в кристаллической решетке в месте расположения атома примеси появляется дополнительный энергетический уровень, расположенный вблизи валентной зоны и незаполненный при температуре абсолютного нуля. За счет прихода электрона от соседнего атома основного вещества (например, при нагреве до комнатной температуры) образуется отрицательный ион примеси, а на месте оборванной связи положительный заряд — дырка. Локальные энергетические уровни примесей расположены теперь около валентной зоны и легко берут на себя электроны из этой зоны, приводя к образованию дырок. Основными носителями при этом становятся дырки, неосновными — электроны. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником р-типа. Для р-полупроводника

р_р == n_p+ Na ≈ N

где Na — концентрация акцепторных примесей

n_p- концентрация электронов

р_р- концентрация дырок.

Удельная электрическая проводимость полупроводников

s=qnm_n +qpm_p

где q — заряд электрона, n концентрация электронов ,pконцентрация дырок, m _n подвижность электронов, m_p подвижность дырок.

В электронном полупроводнике n_n >>p_n, поэтому

s_n= qn_nm_n

дырочном полупроводнике р_р>>n_р, следовательно,

s_p =qp_pm_p

В данной работе для изучения зависимости проводимости полупроводников от температуры используется полупроводниковый терморезистор. В полупроводниковых терморезисторах зависимость сопротивления от температуры достаточно точно описывается выражением

R(T)=R₁(T₀) еxp ( В/Т-В/Т₀)

Где R₁(T₀) номинальное значение сопротивления при температуре Т_0.=293K

Т- температура в К,

В- коэфициент постоянный для данного типа резисторов. При нагревании терморезистора его сопротивление меняется.