ТЕМА 3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОВОДИМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ
МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Введение в специальность
Методические указания и контрольные задания
для студентов всех форм обучения
специальности 26.05.07
″Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики ”
|
Мурманск
2016
Составитель — Анатолий Борисович Власов, профессор кафедры электрооборудования судов Мурманского государственного технического университета
Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ЭОС
15 мая 2016 г., протокол № 9.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная литература
1)Власов А.Б. Электроника: Часть 1. Элементы электронных схем -Мурманск : МГТУ, 2007-2009. - 153 с.
2)Власов А.Б. . Физические основы электронной техники: часть 1: Физика полупроводников, часть 2 . Физика полупроводниковых приборов. Мурманск, 1994 г.
3)Власов А.Б. Физические основы электроники. Электрофизические методы исследования полупроводников и полупроводниковых приборов. –Мурманск: МГТУ, 2013.
4)Власов А.Б., Власова С.В. Электротехническое материаловедение. Мурманск, 2001 с.
5)Власов А.Б., Власова С.В. Лабораторный практикум по электрофизическим методам исследования диэлектриков. Мурманск, 2013.
|
|
6)Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. 7-е изд., перераб. М.: Энергия, 1977.
7)Файлы в лаборатории (.
Основной теоретический материал, формулы, графические зависимости приводятся в литературе и прилагаемых файлах, которые следует переписать в деканате или лаборатории.
С отдельными примерами решения тех или иных задач (см. приложение) можно ознакомиться в литературе, в лаборатории кафедры, или на консультации.
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Материалы курса в основном изложен в соответствующих темах методических пособий. Дополнительные сведения при необходимости можно найти в других рекомендуемых источниках.
В приводимых ниже примерах решения задач используются соотношения, таблицы, параметры, представленные в литературе.
ЧАСТЬ I. ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ТЕМА 1 . ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Полупроводниковые материалы, их характеристики. Материалы IY группы, АШBY, АПBYI, элементы Y группы и их аналоги, соединения элементов YI группы, органические полупроводники.
|
|
Элементы зонной теории металлов и полупроводников. Квантование электронов в изолированных атомах. Классификация кристаллов по типам связей.
Кристаллические решетки. Дефекты. Колебания кристаллической решетки. Фононы.
Формирование зонных диаграмм при объединении атомов в кристаллы. Заполнение энергетических зон электронами. Особенности образования свободных носителей заряда в металлах и полупроводниках.
Методические рекомендации
В результате изучения темы студенты (курсанты) должны знать простейшие свойства кристаллических решеток.
При анализе данной темы необходимо обратить внимание на отличие энергетических диаграмм, описывающих поведение электронов в изолированных атомах, от зонных диаграмм, описывающих поведение носителей заряда в кристаллических структурах. Энергетические диаграммы позволяют наглядно описать поведение носителей в процессах электропроводности, качественно объяснить работу полупроводниковых приборов.
Вопросы для самопроверки
1. Какие виды связи реализуются в материалах?
2. Какие основные типы простых решеток вам известны?
|
|
3. Какие основные виды дефектов присутствуют в кристаллах?
ТЕМА 2. ОБРАЗОВАНИЕ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МЕТАЛЛАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Собственные и примесные полупроводники. Донорная и акцепторная примесь.
Концентрация носителей заряда в металлах и полупроводниках.
Зонная теория ее основные понятия: зона проводимости, запрещенная зона, валентная зона, свободные электроны и дырки, их генерация и рекомбинация.
Методические рекомендации
В при изучении данной темы основное внимание необходимо уделить таким вопросам как образование носителей заряда в полупроводниках, закон действующих масс, позволяющий определять концентрацию носителей в различных полупроводниках.
Особо следует подчеркнуть, что при температурах выше температуры ионизации примесей, в частности при Т=300 К, все примеси ионизированы и концентрация основных носителей полностью определяется концентрацией примесей. При этом концентрация неосновных носителей рассчитывается с учетом закона действующих масс.
Вопросы для самопроверки
1. Как зависит концентрация свободных носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках от температуры? Что характеризуют температуры истощения примесей и перехода к собственной проводимости? Какая из них больше?
|
|
2. Германиевый и кремниевый образцы имеют одинаковое количество донорных центров, например 1021 м-3. Температура равна 300 К. В каком образце больше неосновных носителей?
Примеры решения задач по теме 2
Задача 1.Определить, чему равна ширина запрещенной зоны кремния при температуре 400 К, если коэффициент температурного изменения ширины запрещенной зоны b = - 2.84·10—4 эВ/К?
Решение.Ширина запрещенной зоны зависит от температуры. Так, например, в германии и кремнии она изменяется по закону
DEз(Т )= Dез(300) + b·T,
где Т- температура, К; DЕз(300) - табличное значение ширины запрещенной зоны для 300 К.
Принимая для кремния DЕз(300) = 1,11 эВ при 400 К имеем
DEз(400) = 1,11 - 2,84·10—4· 400 = 0.996 эВ.
Таким образом, при увеличении температуры ширина запрещенной зоны уменьшается.
Задача 2.Определить собственную концентрацию носителей заряда в кремнии при Т = 300 К. В лекциях (таблицах) приведены параметры материала.
Решение.Собственная концентрация носителей определяется известными соотношениями. Постоянные Nc и Nv равны:
Nc = 2·(2·3,14·1,05·9,1·10–31·1,38·10-23·Т)3/2/(6,62·10–34)3 =
= 2,69·1025 ·(Т/300)3/2 м-3;
Nv = 2·(2·3.14·0,56·9.1·10–31·1,38·10-23·Т)3/2/(6,62·10–34)3=
= 1,05·1025 ·(Т/300)3/2 м-3.
Последние выражения весьма удобны для вычисления значений Nc, Nv при различных температурах и могут быть использованы в РГЗ.
Согласно выражению для собственного полупроводника при температуре 300 К имеем
ni = 1025·(2,69·1.05)1/2·exp(-1,11/(2·8,625·10—5·300)) = 8,13·1015 м-3.
Задача 3.Определить концентрацию основных и неосновных носителей заряда в примесном кремнии при концентрации примесей мышьяка Nпр = 1020 м—3 и температуре 300 К.
Решение.При решении данной задачи следует знать, что температура Т = 300 К гораздо выше температуры ионизации примесей Тs, рассчитываемой по известному соотношению. С учетом этого при Т = 300 К все примеси уже ионизированы. В этом случае для данного диапазона температур следует использовать соотношение, вытекающее из физического смысла:
nn = Nпр = 1020 м—3,
поскольку каждый атом примеси при ионизации дает один электрон.
Для определения концентрации неосновных носителей целесообразно использовать закон действующих масс, определяемый соотношением:
n(Т)·p(Т) = ni2(Т).
Рассуждение должно строиться следующим образом. Если бы материал (кремний) был собственным, то концентрация собственных носителей была бы равна 8,13·1015 м—3 (см. задачу 2). Следовательно, концентрация неосновных носителей при температуре 300 К равна
рn (300) = (8,13·1015)2/1020 = 6,11·1011 м-3.
Очевидно, что концентрация неосновных носителей по мере возрастания температуры (в некоторых пределах до Тi) увеличивается.
ТЕМА 3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОВОДИМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Связь проводимости с концентрацией и подвижностью носителей заряда. Дифференциальный закон Ома. Зависимость подвижности носителей заряда в металлах и полупроводниках от температуры и концентрации примесей. Зависимость электропроводности металлов и полупроводников от температуры и концентрации примесей.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 517; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!