DSCF6624

204

3. Półprzewodniki

Własności półprzewodników są bardzo czułe na zmiany temperatury, ponieważ liczba elektronów w paśmie przewodzenia wzrasta szybko przy ogrzewaniu. Jeśli różnica energii pomiędzy pasmem przewodzenia i pasmem walencyjnym jest AE, to prawdopodobieństwo P tego, że w ciągu jednostki czasu energia równa szerokości przerwy energetycznej stanie się dostępna dla któregoś z elektronów w paśmie walencyjnym, jest proporcjonalna do

czynnika exp( ^—    k oznacza stałą Boltzmanna, T - temperaturę

bezwzględną:

0)

mm

Energia dostarczana z zewnątrz przy ogrzewaniu może zostać zużyta na przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodzeni! Wynika tąd, że liczba elektronów w paśmie przewodzenia, a więc i przewodność, jest proporcjonalna do czynnika wykładniczego*:

I |~^oxp(^_śl'j i

Szybka zmiana przewodności półprzewodnika przy zmianie temperatury została wykorzystana w urządzeniach nazwanych termistorami (Ihermally sensitńe resistors), odznaczających się dużym, najczęściej ujemnym, temperaturowym współczynnikiem zmiany oporu. W niezbyt dużym zakresie temperatur przewodność termistora opisuje zależność typu 8, czyli opór termistora można zapisać w postaci:

(9)

^rt ~ ^rt₀ ^exP

gdzie b = AE/2k.

Podobne zależności są spełnione dla elementów półprzewodnikowych, w których przeważa przewodność samoistna - termistor należy do takich elementów. W diodach i tranzystorach decydującą rolę odgrywa przewodność domieszkowa.

‘Dokładniej a~7^4,2e*p^ —    jednak ze względu na decydujący wpływ czynnika

wykładniczego wyrażenie 7 jest dobrym przybliżeniem.

W przypadku diody będziemy badać zależność prądu wstecznego od Kjoperatury:

(10)

odzie Ef oznacza energię Fermiego.

4.    Zastosowanie

Temperaturową zmianę oporności przewodników metalicznych wykorzystano przy budowie termometrów oporowych (dokładność pomiaru rzędu 10"³ K) i bolometrów. Do konstrukcji termometrów oporowych używa się najczęściej platyny, niklu i miedzi, rzadziej żelaza.

Z kolei stopy o malej wartości temperaturowego współczynnika oporności służą do wytwarzania stabilnych oporników.

Termistory znalazły zastosowanie jako ograniczniki prądu w chwili włączania urządzeń elektronicznych, jako kompensatory zmian temperaturowych parametrów innych elementów półprzewodnikowych, a także w pomiarach temperatury, mocy, przepływu gazu, poziomu cieczy oraz jako detektory promieniowania wysokiej częstości. Dzięki wysokiej czułości temperaturowej (rzędu 5 10^_2K^_1) przy użyciu termistorów można rejestrować zmiany temperatury rzędu 10^-6K. Typowe dopuszczalne temperatury pracy nie przekraczają zwykle 600 K, istnieją jednak termistory pracujące przy dwukrotnie wyższych temperaturach.

Zastosowanie diod omówiono w ćw. E-4; wspomnijmy więc tylko, że badana przez nas wielkość prądu wstecznego jest jednym z parametrów charakteryzujących diodę.

5.    Podstawy pomiaru

Doświadczenie polega na zbadaniu zależności temperaturowej przewodnika metalowego, stopu i termistora oraz zbadaniu zależności prądu wstecznego diody (ogólnie złącza p — ri) od temperatury. W dwu pierwszych wypadkach oczekujemy zależności liniowej: odpowiednie związki dla elementów półprzewodnikowych wygodnie jest przedstawić w postaci:

(U)

lnitr⁼ ln Rr -I-^T To 2kT