Итак, полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещённой зоны невелика (не более 1 эВ). Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако, характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растёт с повышением температуры (у металлов она уменьшается).
Электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому полупроводники ведут себя при абсолютном нуле как диэлектрики. При температурах, отличных от 0 К, часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости, в результате чего в полупроводнике возникают свободные носители зарядов. С повышением температуры число таких носителей растёт и, следовательно, увеличивается электропроводность полупроводника, а значит, уменьшается сопротивление. Зависимость сопротивления полупроводников от абсолютной температуры в определённых температурных интервалах описывается формулой
, (4)
где А - константа, k - постоянная Больцмана, ΔЕ - энергия активации. Под энергией активации понимается энергия, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости. Логарифмирование уравнения (4) даёт
. (5)
График зависимости ln(R)=f(1/T) представляет собой прямую, угловой коэффициент которой равен ΔЕ/К. Построив график зависимости (5), этот угловой коэффициент можно определить по формуле
(6)
для любых двух точек, лежащих на прямой, а затем найти энергию активации ΔЕ.
Экспериментальная установка
Исследуемые проводник и полупроводник помещаются в термостат, заполненный непроводящей жидкостью. В нижней части термостата помещен нагреватель. Температура измеряется термометром. Сопротивления проводника и полупроводника измеряются одновременно с помощью измерителя иммитанса (рис.2). Для проведения измерения достаточно подключить проводник (полупроводник) к зажимам и установить нужный режим измерения. Нажатием кнопки «Параметр» установить прибор в режим измерения RG. Так как истинная температура проводника и полупроводника может несколько отличаться от показаний термометра в условиях нагревания и охлаждения, то сопротивление следует измерять дважды: при нагревании, а затем при охлаждении, и вычислять среднее значение.
Проведение эксперимента
1. Исследуемые проводник и полупроводник подключить к клеммам измерителей иммитанса в качестве неизвестного сопротивления;
2. Измерить их сопротивления при комнатной температуре;
3. Включить нагреватель и измерять сопротивления Rпов. через каждые 4-5° С при повышении температуры до 50-60° С;
4. Выключить нагреватель и произвести измерения сопротивлений Rпон. проводника и полупроводника при их охлаждении до комнатной температуры;
5. Результаты измерений занести в таблицы 1 и 2;
6. Определить среднее значение сопротивлений, измеренных при повышении и понижении температуры;
7. Построить график зависимости проводника R= f(T), откладывая по горизонтальной оси температуру, а по вертикальной – сопротивление;
8. Из графика определить R0 и α следующим образом: продлить полученную прямую до пересечения с осью R. Точка пересечения даст значение R0 . Значение коэффициента α вычислить по формуле (3), воспользовавшись данными графика.
9. Построить график зависимости lnR=f(1/T), откладывая значения 1/Т по горизонтальной оси, a In R - по вертикальной.
10. Пользуясь формулой (6), определить угловой коэффициент, а затем и энергию активации полупроводника Е Выразить энергию активации в электрон-вольтах.
Таблица I
|
№ |
t, °C |
Rпов, Ом |
Rпон, Ом |
<R>, Ом |
R0, Ом |
α, град-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2
|
№ |
t, °C |
T, K |
1/T, K-1 |
Rпов,Ом |
Rпон, Ом |
<R>, Ом |
lnR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1. Механизм проводимости металлов. Причина электрического сопротивления
2. Температурная зависимость сопротивления проводников, термический коэффициент сопротивления, его физический смысл, единицы измерения.
3. Классическая электронная теория металлов и границы ее применимости.
4. Сверхпроводимость.
5. Собственная электропроводность проводников.
6. Примесная электропроводность полупроводников.
7. Понятие об энергетических зонах (зона проводимости, запрещенная валентная зона, энергия активации).
8. Температурная зависимость полупроводников.
Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:
10. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.
11. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.
12. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.
13. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.
14. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.
15. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001
16. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.
17. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.
18. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.
19. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ
Цель работы:
Получить вольт-амперную характеристику диода и проверить законы термоэлектронной эмиссии.
Идея эксперимента:
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии в эксперименте используется вакуумная лампа с двумя электродами – катодом и анодом - называемая вакуумным диодом. При нагревании катода с его поверхности вылетают электроны. При наличии разности потенциалов между катодом и анодом, в случае, когда потенциал анода выше, в цепи возникает электрический ток, называемый анодным, который зависит от температуры катода и разности потенциалов между электродами. При постоянной температуре катода сила анодного тока Iа возрастает с увеличением разности потенциалов между электродами. Однако, зависимость между силой тока Iа и разностью потенциалов Uа не выражается законом Ома, а носит более сложный характер и подчиняется закону Богуславского-Ленгмюра, который можно записать в виде :
Ia = CUan (1)
Прологарифмируем это выражение. Получается линейная зависимость между величинами lgIa и lgUa:
lgJa=lgC+nlgUa (2)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25
