Сопротивление полупроводников: свойства и виды проводников
Полупроводниками считаются вещества, обладающие электрическими свойствами, которые ставят их в промежуточное положение между диэлектрическими материалами и проводниками. Электропроводность полупроводников зависит от многих факторов. Прежде всего, это температура, а также количество примесей, содержащихся в них. Свое влияние оказывает ионизирующее и световое излучение.
Содержание
Виды и свойства полупроводников
Для того, чтобы появился электрический ток, необходимо наличие подвижных частиц, переносящих заряды. Электропроводность того или иного вещества зависит от количества таких носителей на единицу объема. В диэлектриках они практически отсутствуют, а в полупроводниках свободные носители присутствуют лишь в небольшом количестве. Следовательно, удельное сопротивление полупроводников очень высокое, а в диэлектриках оно еще больше. Существуют различные виды этих материалов, обладающих собственными специфическими свойствами.
Все полупроводники можно разделить на несколько основных видов. Среди них лидируют чистые или собственные материалы, в которых отсутствуют какие-либо примеси.
Для них характерна кристаллическая структура, где атомы расположены в периодическом порядке в ее узлах. Здесь существует устойчивая взаимная связь каждого атома с четырьмя атомами, расположенными рядом. Это дает возможность образовывать постоянные электронные оболочки, в состав которых входит восемь электронов. При температуре, равной абсолютному нулю, такой полупроводник становится диэлектриком, поскольку все электроны соединены ковалентными связями.
Когда температура повышается или происходит какое-либо облучение, электроны могут выйти из ковалентных связей и превратиться в свободных носителей зарядов. Свободные места при перемещении постепенно занимаются другими электронами, поэтому электрический ток протекает только в одном направлении.
В электронных полупроводниках, кроме четырех атомов, составляющих основу кристаллической решетки, имеются так называемые доноры. Они представляют собой примеси в виде пятивалентных атомов. Электрон, содержащийся в таком атоме, не может нормально вступить в ковалентную связь и поэтому отделяется от донора. Таким образом, он превращается в свободный носитель заряда. В свою очередь донор становится положительным ионом, это может произойти даже при комнатной температуре.
В дырочных полупроводниках имеется кристаллическая решетка с содержанием трехвалентных примесных атомов, называемых акцепторами. В такой решетке остается незаполненной одна ковалентная связь. Она может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседней связи. Происходит превращение примесного атома в отрицательный ион, а на месте ушедшего электрона появляется дырка.То есть, в этом случае также начинается одностороннее движение электрического тока.
Факторы, влияющие на сопротивление полупроводников
Опытным путем было установлено, что при повышении температуры происходит уменьшение электрического сопротивления в полупроводниковых кристаллах. Это связано с тем, что при нагревании кристалла увеличивается количество свободных электронов, соответственно, возрастает их концентрация. Изменяющееся сопротивление полупроводников под воздействием температуры, применяется для создания специальных приборов, называемых терморезисторами.
Для того, чтобы изготовить терморезистор используются полупроводники, представляющие собой оксиды отдельных металлов в смешанном состоянии. Готовое вещество размещается в защитном металлическом корпусе с изолированными выводами. С их помощью происходит подключение прибора к электрической цепи.
Терморезисторы используются для измерения температуры или для ее поддержания в заданном режиме в каких-либо устройствах. Основным принципом их работы является изменяющееся сопротивление при перепадах температур. Тот же принцип используется и в фоторезисторах. Здесь величина сопротивления изменяется в зависимости от уровня освещения.
Влияние температуры на сопротивление полупроводника
youtube.com/embed/VzeZXY-XTvI?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»>Исследование «Зависимость сопротивления проводника от температуры»
Исследовательская работа.
«Зависимость сопротивления полупроводников от температуры»
Выполнил:
ученик 8 класса
Савин Денис
Алексеевич.
Учитель:
Сенчик Максим
Максимович.
Школа физиков «Спектр»
МБОУ Богашевская СОШ им.
2016 год.
Содержание.
1. Введение……………………………………………………………………………………….. 3 стр.
2.Теоритическая часть…………………………………………………………………………4 стр.
2.1.Проводники, полупроводники и диэлектрики электричества…………..4 стр.
2.2.Примесные и чистые проводники…………………………………………………..6 стр.
2.3 Примесные проводники…………………………………………………………………7 стр.
2.4.Чистые проводники. Термисторы…………………………………………………..8 стр.
3.Практическая часть…………………………………………………………………………11 стр.
4.Эксперимент №1……………………………………………………………………………12 стр.
6.Эксперимент№2…………………………………………………………………………….14 стр.
7.Создаие прибора для дистанционного измерения температуры………………………………………………………………………………………15 стр.
10. Заключение………………………………………………………………………………….16 стр.
11. Источники……………………………………………………………………………………16 стр.
Введение.
Из материалов СМИ и учебника по физике за 8-ой класс я узнал много нового и поучительного о проводниках, полупроводниках и диэлектриков. Если начать изучать эту тему более углублённо, то можно узнать много удивительных вещей. На основе того материала который был у меня я смог сделать экспериментальный термометр на терморезисторе. В моей работе я описываю не только проводники и полупроводники, но и своё изобретение термометр на терморезисторе.
Я решил использовать обычные приборы найденные мной в кабинете физики потому что я не нашел более качественного и разнообразного материала, чем примитивных приборов.
Цель работы: Изучить принцип работы полупроводников и зависимость их сопротивления от температуры.
Задачи:
· узнать что же такое проводники, полупроводники и диэлектрики;
· Разобрать, как идет электрический ток через полупроводники;
· Понять что такое примесные и чистые полупроводники;
· Изготовить прибор для дистанционного измерения температуры.
Теоретическая
часть.
Проводники, полупроводники и диэлектрики.
До сравнительного недавнего времени все вещества по их электрическим свойствам разделяли на проводники и диэлектрики. Такое подразделение целесообразно, поскольку они резко отличаются друг от друга по электропроводимости
Для проводников электрического тока значение удельного сопротивления находится в пределах от 10-5 до 10-8 Ом * м а для диэлектриков оно изменяется в пределах от 1010 до 1016 Ом * м. эти числа показывают, насколько велик интервал значений удельного сопротивления проводников и диэлектриков.
Дальнейшее изучение электропроводимости веществ привело к открытию таких металлов, у которых электропроводимость оказалось промежуточной между проводниками и диэлектриками. Эти вещества назвали
Примесные и чистые проводники.
Заметим, что сопротивление различных веществ, в том числе и полупроводников, зависит от их чистоты. Присутствие в металлических проводниках посторонних примесей мало влияет на концентрацию подвижных носителей зарядов, но сильно изменят их подвижность.
Это объяснятся тем, что примеси создают дефекты в кристаллической решетке, которые увеличивают сопротивление металлов электрическому току. Посторонние примеси в металлах, как правило, увеличивают сопротивление последних.
У диэлектриков атомы примесей обычно имеют электроны, которые слабо связаны с атомами. Эти электроны легко отрываются от атомов и переходят в свободное состояние. Таким образом, электропроводимость диэлектриков в основном определяется количеством содержащихся в них примесей. Следовательно, примеси в диэлектрике, как правило, уменьшают его сопротивление.
У полупроводников, как и диэлектриков, примеси значительно уменьшают их сопротивление. Специальным подбором примесей можно изменять сопротивление полупроводников в нужном направлении. Поэтому примесные полупроводники имеют широкое применение в современной технике.
Примесные проводники.
С помощью добавления в чистый полупроводник специально подобранных примесей можно искусственно приготовить такие полупроводники, которые обладают преимущественно электронной или дырочной проводимостью. Добавим в чистый расплавленный германий около 10-5% примеси, состоящей из атомов какого-либо элемента 5 группы таблицы Менделеева, например мышьяка. Тогда при затвердевании образуется обычная решетка германия, но в некоторых узлах вместо атомов германия, будут находиться атомы мышьяка. Четыре валентных электрона атома мышьяка при этом образуют ковалентные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон в этих условиях оказывается настолько слабо связанным с атомом мышьяка, что для его отрыва нужна очень маленькая энергия, порядка той, которая необходима для ионизации атомов металла.
Поэтому при обычной температуре все атомы мышьяка в полупроводнике оказываются ионизированными. Положительно заряженные атомы мышьяка связаны с решеткой (локализованы) и не могут перемешаться под действием сил внешнего электрического поля, а свободные электроны (по одному от каждого атома примеси) являются подвижными носителями зарядов.
Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной, и ее называют проводимостью n-типа (от <<негатив>> — отрицательный), а сам кристалл называют полупроводником n-типа. Примесь, создающую в полупроводнике свободные электроны, называют донорной (дающей) или примесью n-типа.
Мышьяк Германий
+ =
примесь n-типа.
Если в чистый германий добавить атомы элементов 3 группы таблицы Менделеева, например индия, у которых имеется по три валентных электрона, то этих электронов хватит для установления ковалентной связи с тремя соседними атомами германия. Для установления связи с четвертым атомом германия атом индия заимствует электрон у одного из своих соседей и превращается в отрицательный ион, а у другого из атомов германия возникает дырка, которая хаотически движется к кристаллу.
У кристалла германия с примесью атомов 3 группы проводимость преимущественно дырочная. Её называют проводимостью p-типа (от <<позитив>> — положительный). Примесь, создающую такую проводимость, называют акцепторной (принимающей) или примесью p-типа.
Заметим, что в примесных полупроводниках уже при обычных температурах происходит генерация пар электрон-дырка. Поэтому кроме основных носителей тока там имеются в небольшом количестве и носители тока противоположного знака (не основные носители тока). При невысоких температурах не основные носители тока существенной роли не играют. Однако при высоких температурах, когда происходит интенсивная генерация пар электрон-дырка, полупроводник приобретает смешанную проводимость. Таким образом, преимущественно дырочная или электронная проводимость у примесных полупроводников сохраняется лишь при температурах ниже той, при которой начинает играть существенная роль собственная проводимость полупроводника.
+ =
Примесь p-типа.
Чистые проводники. Термисторы
Рассмотрим подвижные носители зарядов в чистых полупроводниках на примере германия и кремния. У атомов этих элементов на внешней оболочке имеется по четыре валентных электрона. В твердом состоянии эти вещества имеют кристаллическую решетку типа алмаза, в которой каждый атом имеет четыре ближайших соседа.
Связь между соседними атомами в такой решетке ковалентная, т.е два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару.
Ковалентная связь
При низкой температуре все электроны полупроводника связаны с атомами. В таком кристалле нет свободных носителей зарядов, и он является изолятором. Если постепенно повышать температуру такого кристалла, то отдельные электроны могут получить избыточную энергию (за счет энергии хаотического движения), которой оказывается достаточно для их отрыва от атома. Появление таких электронов и создаёт проводимость кристалла полупроводника. При комнатной температуре в кристаллах германия и кремния уже имеются свободные электроны. Энергия, нужна для отрыва электронов от атомов, в германии меньше, чем в кремнии. Таким образом, при одной и той же температуре удельное сопротивление германия значительно меньше, чем кремния (при 200 С Pge=0.6 Ом*м, a Psi=2*103 Ом*м).
При переходе электрона в свободное состояние в оболочке атома полупроводника остаётся свободное место, которое принято называть дыркой. Поскольку до отрыва электрона атом был нейтрален, то после отрыва он приобретает положительный заряд, который приписывают дырке. Так как соседние атомы полупроводника непрерывно обмениваются электронами, то дырку у атома может заполнить электрон другого атома, у которого в свою очередь появляется дырка.
Таким образом, дырки, обладающие положительным зарядом, совершают в полупроводнике такое же хаотическое движение, как и свободные электроны. Поэтому дырки в полупроводнике условно считают подвижными носителями зарядов. Действительно, если при отсутствии электрического поля в полупроводнике дырки движутся преимущественно по направлению этого поля, т.е создают электрический ток.
Итак, нагревание полупроводника ведет к образованию, или к генерации, пар подвижных носителей зарядов <<электрон-дырка>>. Когда свободные электроны и дырки совершают хаотическое движение в полупроводнике, то они могут встретится. Тогда свободный электрон заполняет вакантное место в оболочке атома, т. е в полупроводнике исчезают сразу два свободных носителя зарядов — происходит рекомбинация пары <<электрон-дырка>>. Длина пробега свободного электрона или дырки с момента их возникновения до исчезновения очень мала (около 0.1 мм.)
Когда температура полупроводника постоянна, между генерацией и рекомбинацией пар <<электрон — дырка>> существует подвижное равновесие. При этом в полупроводнике имеется определенное число подвижных носителей зарядов.
Отметим, что в чистом полупроводнике всегда имеется поровну свободных электронов и дырок. Поэтому проводимость чистых полупроводников наполовину дырочная и наполовину электронная. Такую проводимость принято называть собственной проводимостью проводников.
Итак, если чистый полупроводник включить в цепь, то в нем потечет ток. При этом свободные электроны будут двигаться от отрицательного полюса к положительному, а дырки — в обратную сторону. Нельзя забывать, что при этом в действительности движутся не дырки, и связанные ковалентные электроны переходят от одного атома к другому под действием сил поля.
Поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводников во много раз больше, чем у металлов, и имеет отрицательный знак, собственную проводимость полупроводников можно использовать для устройства приспособлений, замыкающих цепь при недопустимом повышении температуры в автоматических устройствах. Полупроводник, сопротивление которого при нормальных условиях велико, включается в сигнальную цепь со звонком или в цепь, управляющую подачей тока. Когда температура недопустимо повышается, сопротивление полупроводника падает и в сигнальной цепи появляется ток, приводящий в действие звонок, или же прекращается подача тока, вызвавшего перегрев. Так как термисторы малы по размерам, то с их помощью можно обнаруживать или измерять изменения температуры в каком-либо малом пространстве.
Практическая часть.
Сравнение зависимости сопротивления различных веществ от температуры.
Интересно сравнить зависимость сопротивления различных веществ от температуры. Вспомним, что у металлов сопротивление при нагревании возрастает, а при охлаждении уменьшается и становиться равным 0 при сверхпроводимости. Сопротивление диэлектриков при нагревании медленно уменьшается. В диэлектрике для отрыва электронов от атомов нужна большая энергия, поэтому твердые диэлектрики большей частью успевают расплавиться прежде, чем приобретают достаточно большую проводимость.
У проводников энергия, необходимая для отрыва электронов от атомов, значительно меньше, чем у диэлектриков. Поэтому при нагревании полупроводников количество подвижных носителей зарядов в них быстро возрастает, и их сопротивление сильно уменьшается. При понижении температуры сопротивление полупроводников возрастает, и при низких температурах их сопротивление так же велико, как и у диэлектриков. Явление сверхпроводимости у полупроводников отсутствует.
Опыт показал, что на сопротивление полупроводников сильно влияет не только температура. Освещение полупроводника значительно уменьшает его сопротивление, так как излучение приносит энергию, достаточную для образования подвижных носителей зарядов в полупроводнике.
Итак, проводимость полупроводников сильно зависит от температуры и от освещенности. Эти особенности полупроводников имеют важное практическое значение
Эксперимент № 1.
Изучить зависимость изменения сопротивления полупроводников от температуры.
Цель: Изучить зависимость изменения сопротивления полупроводников от температуры.
Оборудование: 1- мерный стакан
2-снег 200г
3-Терморезистор
4- металлическая емкость не менее 250мл
5- плитка нагревательная лабораторная
6-штатив
7-лапка
Ход проведения работы:
Насыпим в металлическую емкость снег поставив её на плитку. Терморезистор вставим в эту емкость так, чтобы он не касался дна. Включим плитку в сеть и начнем снимать показания термометра каждые 50
Результат:
получаем зависимость, которая представлена на графике №1
График №1
Эксперимент № 2.
Градуирование шкалы амперметра .
Цель: градуирование шкалы амперметра
Оборудование: 1- мерный стакан
2-лед 100г
3- Терморезистор
4- металлическая емкость не менее 250мл
5-штатив
6-лапка
7-Амперметр
8-Термометр спиртовый
Ход проведения работы:
Положим снег в металлическую емкость, поставим ее на плитку одновременно отмечая на шкале амперметра количество делений. До состояния кипения.
Результат:
Таблица№1 | ||||||||
t0 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 |
R Ом | 1000+ | 1000 | 750 | 500 | 400 | 300 | 200 | 100 |
Кол-во делений | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
Создание прибора для дистанционного измерения температуры.
Соединим последовательно: терморезистор, кнопку, батарейку, шкалу Амперметра разместив их в корпусе непригодного амметра
Состовляющие:№1 Амперметр нового типа со шкалой 1шт
№2 выключатель(кнопка) 1шт
№3 провода 2шт
№4 переменное сопротивление ( термистор ИP8608) 1шт
№5 Терморезистор (ММТ-4) 1шт
Заключение.
Изучив принцип работы полупроводников, определив с помощью экспериментов зависимость сопротивления полупроводника от температуры. Мы получили возможность создать прибор для дистанционного измерения температуры, прибор не совершенен, но это не конец, а только новое начало для более совершенного прибора на полупроводниках
Источники:
№1 Физика: Учебное пособие для 10 кл.
№ 2 Учебник по физике 8 класс.
№3 Физика сборник задач для 8кл.
№4 Физика: Учебное пособие для 8 кл.
№ 5 http://electricsafety.ru/article5.php
№6 https://ru.wikipedia.org/wiki
Почему проводимость полупроводников увеличивается с температурой?
Электропроводность полупроводников увеличивается с повышением температуры. При повышении температуры электроны из валентной зоны могут перепрыгивать в зону проводимости, создавая свободное движение между двумя зонами, тем самым увеличивая проводимость.
Электропроводность (EC) измеряет способность материала передавать электрический ток на определенное расстояние, обычно измеряется в сименсах (S) на расстояние (обычно м-метр). Это измеритель проводимости, который используется для считывания электрического заряда и измерения проводимости.
Говоря о проводимости, вы, наверное, уже знаете, что вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, не проводящее электричество, называется изолятором. Например, медь — хороший проводник, а резина — хороший изолятор. Полупроводники находятся где-то посередине между ними, и наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня, является кремний.
Silicon SemiconductorДля определения электрических свойств вещества измеряют удельное сопротивление (удельное электрическое сопротивление). Например, проводники имеют низкое сопротивление и поэтому могут очень легко проводить электричество по сравнению с изоляторами, имеющими высокое сопротивление, и поэтому электричеству очень трудно проходить.
Полупроводник, который почти не содержит примесей («химическое вещество внутри ограниченной химической фазы»), практически не проводит электричество. Однако, когда к полупроводникам добавляются такие элементы, как температура, электричество проходит через них легче.
Связь между проводимостью и температурой в полупроводникахВ проводниках проводимость обычно ограничивается электронно-фотонным рассеянием. Это означает, что чем выше температура, тем больше происходит столкновений электронов с тепловыми фотонами. Эта активность уменьшает «длину свободного пробега» электронов, увеличивая удельное сопротивление проводника. Однако это не совсем так для полупроводников.
Две вещи влияют на проводимость полупроводников при повышении температуры:
- Подвижность подвижных носителей заряда (электронов).
- Количество/концентрация доступных носителей.
В полупроводнике подвижность и концентрация носителей зависят от температуры.
При повышении температуры в полупроводнике и электроны, и атомы получают больше энергии. Когда электроны получают больше энергии, атомы вибрируют сильнее, увеличивая рассеяние электронов. Это происходит как в обычных металлических проводниках, так и в полупроводниках.
Однако в полупроводниках проводимость обычно увеличивается только с температурой. В металлических проводниках повышение температуры обычно приводит к уменьшению проводимости или увеличению удельного сопротивления.
Что такое зоны валентности и проводимости?Полупроводники также классифицируются по их зонам: полностью заполненная (электронами) валентная зона и незанятая зона проводимости.
Валентная зона содержит электронную орбиталь, с которой электроны могут спрыгивать и перемещаться в зону проводимости, когда они возбуждаются*. Итак, проще говоря, валентная зона — это самая внешняя электронная орбиталь атома, которую могут занимать электроны.
Зона проводимости содержит полосу электронных орбиталей, на которые перескакивают электроны из валентной зоны. Когда электроны возбуждаются и переходят на орбиталь, они могут свободно перемещаться внутри материала. Именно это движение электронов создает электрический ток.
*Термин «возбужденный» в данном случае относится к состоянию атома, иона или молекулы с электроном, имеющим более высокий энергетический уровень, чем обычно.
Как температура влияет на валентные и ковалентные полосы?По мере повышения температуры в полупроводниках возбуждается больше электронов, перескакивающих в зону проводимости из валентной зоны. Из-за дырок (пустых состояний), созданных в валентной зоне, любые доступные электроны могут занимать пробелы, увеличивая проводимость.
Например, при 0 градусов Кельвина (К) валентная зона внутри полупроводника полностью заполнена, а зона проводимости пуста. При подаче энергии электроны могут свободно перемещаться в зону проводимости. Обычно полупроводник является плохим проводником, но при повышении температуры зазор между двумя зонами становится меньше, что позволяет электронам очень легко перемещаться из валентной зоны в зону проводимости.
Проще говоря, при повышении температуры зазор между полосами уменьшается, позволяя электронам свободно двигаться, что увеличивает проводимость. Следовательно, когда температура повышается, больше электронов имеют энергию для перехода между зонами.
А как насчет применения низких температур?
Даже если приложить напряжение при более низких температурах, электроны не получат достаточно энергии, чтобы перейти в зону проводимости, поэтому движение электронов не происходит, поэтому электропроводность в полупроводнике близка или равна абсолютному нулю (0 К). Когда полупроводники находятся при абсолютном нуле, они представляют собой идеальные изоляторы для повседневного использования — например, ваш мобильный телефон.
ЗаключениеЭлектропроводность полупроводников увеличивается с повышением температуры, так как при повышении температуры часть электронов из валентной зоны способна перепрыгнуть в зону проводимости. Именно повышение температуры возбуждает электроны и сокращает ширину запрещенной зоны, позволяя электронам «свободно перемещаться» между двумя зонами, что, следовательно, увеличивает проводимость.
Если вы хотите узнать больше о проводимости/температуре или о том, какой измеритель проводимости/температуры лучше всего соответствует вашим потребностям, не стесняйтесь обращаться к нашей команде мирового класса в Atlas Scientific.
Проводимость и температура
Влияние температуры на проводники, полупроводники и изоляторы
Влияние температуры на проводники, полупроводники и изоляторы — Сопротивление проводника увеличивается с повышением температуры. Принимая во внимание, что сопротивление полупроводников и изоляторов уменьшается с повышением температуры.
Сопротивление вещества либо уменьшается, либо увеличивается с повышением температуры. В металлических веществах, таких как алюминий, медь, серебро и т. д., сопротивление увеличивается с повышением температуры.
Сопротивление проводника увеличивается с повышением температуры из-за увеличения числа столкновений между электронами и атомом. Столкновение между электронами и атомом вызывает препятствие движению электронов. Таким образом, сопротивление увеличивается. Температурный коэффициент сопротивления металлического вещества положительный.
В полупроводниках, таких как германий и кремний, количество свободных электронов в валентной зоне увеличивается из-за разрыва ковалентной связи при повышении температуры. Таким образом, больше электронов из валентной зоны достигает зоны проводимости. В результате сопротивление полупроводникового материала уменьшается с повышением температуры.
Аналогичным образом сопротивление изоляционного материала уменьшается с повышением температуры. На приведенном ниже графике показана взаимосвязь между изменением сопротивления и повышением температуры для трех категорий материалов, широко используемых в электротехнике.
Влияние температуры на материалыВ зависимости от стойкости вещества можно разделить на следующие категории. мы подробно обсудим влияние температуры на проводник, полупроводник и изолятор в последующих разделах.
Сопротивление проводникаМеталлические вещества оказывают очень мало сопротивления току, протекающему через них, и эти вещества называются проводниками. Серебро и медь обладают гораздо меньшим сопротивлением, чем сопротивление алюминия.
Алюминий широко используется в электротехнике из-за его более низкой стоимости и меньшего удельного веса. Металлические вещества имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление металлов увеличивается линейно с повышением температуры, как показано на приведенном ниже графике.
Влияние температуры на Сопротивление полупроводникаМатериалом, обладающим умеренным сопротивлением, являются полупроводники.