Виртуальная лабораторная работа по физике "6.06. Изучение зависимости сопротивления полупроводников от температуры"
ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
Твердые тела, по своему удельному сопротивлению r, могут быть разделены на три больших класса: металлы (проводники), полупроводники и диэлектрики (изоляторы). При комнатной температуре для различных классов твердых тел r имеет значения в следующих пределах:
Металлы 10-8 ¸ 10-6 Ом×м
Полупроводники 10-6 ¸ 10 8 Ом×м
Диэлектрики более 10 8 Ом×м
Однако такая чисто количественная классификация не передает специфических особенностей электропроводности и других свойств твердых тел. Между металлами и полупроводниками наблюдается существенное качественное различие. Например, у металлов удельное сопротивление с ростом температуры увеличивается по линейному закону (1), а полупроводников - экспоненциально уменьшается.
Объяснение различия электропроводности и других свойств указанных классов дает квантово - механическая зонная теория твердого тела. Из квантовой механики известно, что в любом изолированном атоме электроны могут иметь только определенные дискретные значения энергии, называемые энергетическими уровнями. Причем на каждом энергетическом уровне, в соответствии с принципом Паули, может находиться не более двух электронов. Электроны, находящиеся на наиболее высоком энергетическом уровне (электроны внешних электронных орбит), называются валентными. По мере сближения атомов до расстояний, равных межатомным расстояниям в твердых телах, взаимодействие между электронными оболочками атомов приводит к тому, что энергетические уровни отдельных атомов расщепляются, образуя энергетические зоны твердого тела. Каждая энергетическая зона представляет собой набор дискретных, но очень близко расположенных энергетических уровней, число которых в зоне равно числу атомов в кристалле, а расстояние между ними составляет порядка 10-22–10-23 эВ (I эВ = 1,6×10-19 Дж).
Энергетическая зона, образованная расщеплением энергетического уровня валентных электронов оказывается полностью заполненной и называется валентной зоной. Выше валентной зоны располагается энергетическая зона, в которой электронов нет (все энергетические уровни этой зоны свободны), и называется зоной проводимости. Разность энергии между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны называется шириной запрещенной зоны DЕ (дно - минимум энергии в зоне, потолок - максимум энергии в зоне).
Электропроводность твердых тел определяются степенью заполнения электронами зоны проводимости и шириной запрещенной зоны.
