СКАЧАТЬ:  

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Цель работы: Изучить явление термоЭДС в полупроводниках, определить тип проводимости и соотношения подвижностей электронов и дырок.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Известно, что равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике являются экспоненциальными функциями температуры. Как только создается разность температуры Т1 –Т2, начинается процесс диффузии носителей заряда от более горячего торца образца к более холодному. Этот направленный перенос приводит к изменению равновесных концентраций носителей заряда и к возникновению объемных зарядов в полупроводнике. Объемные заряды создают встречное поле, и через некоторое время, процесс достигает динамического равновесия. При этом диффузионный ток носителей заряда будет уравновешиваться дрейфовым током, создаваемым возникшим внутренним полем, так что суммарный ток окажется равным нулю (для разомкнутого образца). На торцах образца возникает электродвижущая сила, которую называют термоЭДС.

Дифференциальную термоЭДС определяют следующим образом:

α = dEα/dT,

где dT – разность температур торцов;

dEα – термоЭДС, соответствующая dT.

Если полупроводник n-типа, т.е. равновесная концентрация электронов много больше равновесной концентрации дырок, то можно принимать во внимание лишь диффузию электронов. В полупроводнике p-типа, наоборот, можно рассматривать лишь диффузию дырок. В электронном полупроводнике указанная диффузия приводит к возникновению на холодном конце отрицательного объемного заряда, соответственно, α будет отрицательной.

ТермоЭДС полупроводника определяется двумя слагаемыми, каждое из которых соотве6тствует вкладу, вносимому электронами и дырками, причем эти слагаемые имеют противоположные знаки.

В случае электронного полупроводника на горячем торце образца возникает положительный объемный заряд, поскольку электроны диффундируют от горячего конца к холодному. В дырочном полупроводнике, наоборот, на горячем конце возникает отрицательный объемный заряд. Таким образом, если полупроводник примесный, то направление внутреннего электрического поля и полярность термоЭДС определяются знаком носителей заряда, и , следовательно, по знаку термоЭДС можно определить тип примесной проводимости исследуемого образца. В случае смешанной проводимости знак термоЭДС определяется не только соотношением концентрации носителей, но и величиной их подвижности. в свою величина термоЭДС примесных полупроводников уменьшается с ростом содержания примеси. При нагревании примесного образца его термоЭДС уменьшается.

Для собственного полупроводника p = n = nj :

ЕF = Еg2

Величина термоЭДС собственного полупроводника определяется шириной запрещенной зоны и соотношением подвижностей электронов и дырок.

На рис. 10.1 представлен примерный график температурной зависимости термоЭДС германия p-типа в примесной и собственной областях.

При небольших значениях температуры (Т1), когда p>>n, основной вклад в термоЭДС дают дырки, термоЭДС положительна. В примесной области (Т1—Т2) термоЭДС медленно увеличивается с ростом температуры. При дальнейшем увеличении температуры увеличивается число собственных носителей заряда, и термоЭДС уменьшается. При переходе от примесной проводимости к собственной (Т3 ) термоЭДС меняет знак, и при дальнейшем увеличении температуры преобладает отрицательная термоЭДС.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Приборы и оснастка:

-прибор комбинированный цифровой Щ4310

- лабораторная приставка-макет

Изучение температурной зависимости дифференциальной термоЭДС проводится на монокристаллических образцах германия в интервале температур 20-300ºС. Измерения осуществляются на установке, состоящей из кристаллодержателя, помещенного в цилиндрическую печь, двух термопар, цепи коммутации и цифрового вольтметра. Необходимый перепад температур на образце создается за счет градиента температуры в печи. Температура торцов измеряется термопарами (хромель-алюмель). Для измерения термоЭДС к торцам образца прикреплены медные проводники. Тумблером Т1 включается питание печи. Переключателем П1 включается последовательно измерение: термопара верхняя, термопара нижняя и термоЭДС образца.

Измерение температурной зависимости термоЭДС заключается в определении температур торцов исследуемого образца с помощью термопар, горячие спаи которых помещены вблизи торцов (Т1, Т2), а холодные термостатированы в сосуде с маслом, температура которого определяется ртутным термометром (Т0). По показаниям термопар находят перепад температур Т=Т2 – Т1. ЭДС термопар измеряют относительно медных проводников. ТермоЭДС α =∆ε/ТΔ и это значение следует отнести к температуре Тср , считая α приблизительно постоянной в интервале температур Т=Т2 – Т1.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Заготовить таблицу 2.1 для записи измеряемых величин

Таблица 2.1 (образец)

2. Переключатель «Вид измерений» расположенный на приставке-макете установить в положение ТП1

3. Включить прибор комбинированный цифровой Щ4310 кнопкой СЕТЬ

4. Включить тумблер «Печь» и выждать, пока термоЭДС термопары «ТП1» возрастет до 0,40 мВ (10-20 сек), быстро переключая тумблер «Вид измерений» в положение ТП2, затем в положение εт и записать значения в табл. 2.1

4. Вернуть переключатель «Вид измерений» в исходное положение ТП1

5. Дождаться значения ТП1 следующего по таблице (0,80 мВ) и быстро переключив тумблер «Вид измерений» в положение ТП2 и εт записать показание прибора, продолжить заполнение таблицы аналогичным способом.

6. По градуировочной таблице перевести термоЭДС термопар в температуру и построить графики зависимости α =∆ε/ТΔ от температуры Т = (Т1+Т2)/2

7. Определить температуру перехода к собственной проводимости

8. По формуле вычислить соотношение подвижностей электронов и дырок для нескольких значений температуры в области собственной проводимости

ОТКЛЮЧЕНИЕ УСТАНОВКИ

1. Поставить тумблер «Печь» в положение Выкл

2. Поставить переключатель «Вид измерений» в положение «0»

3. Выключить прибор комбинированный цифровой Щ4310 тумблером «Сеть»

4. Отключить установку от сети