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材料科学
题目

材料的电导性能4-1 实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据,经数学回归分析得出关系式为:lg O=A+Bdfrac (1)(T)(1) 试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。(2) 若给定T1=500K,σ1=10-9(lg O=A+Bdfrac (1)(T)T2=1000K,σ2=10-6(lg O=A+Bdfrac (1)(T)计算电导活化能的值。

材料的电导性能

4-1 实验测出离子型电导体的电导率与温度的相关数据,经数学回归分析得出关系式为:

(1) 试求在测量温度范围内的电导活化能表达式。

(2) 若给定T1=500K,σ1=10-9(T2=1000K,σ2=10-6(计算电导活化能的值。

题目解答

答案

解:(1) = = W= 式中k=

(2) B=-3000

W=-ln10.(-3)*0.86*10-4*500=5.94*10-4*500=0.594eV

4-3本征半导体中,从价带激发至导带的电子和价带产生的空穴参与电导。激发的电子数n可近似表示为:式中N为状态密度,k为波尔兹曼常数,T为绝对温度。试回答以下问题:

(1)设N=1023cm-3,k=8.6”*10-5eV.K-1时, Si(Eg=1.1eV),TiO2(Eg=3.0eV)在室温(20℃)和500℃时所激发的电子数(cm-3)各是多少:

(2)半导体的电导率σ(Ω-1.cm-1)可表示为式中n为载流子浓度(cm-3),e为载流子电荷(电荷1.6*10-19C),μ为迁移率(cm2.V-1.s-1)当电子(e)和空穴(h)同时为载流子时,假定Si的迁移率μe=1450(cm2.V-1.s-1),μh=500(cm2.V-1.s-1),且不随温度变化。求Si在室温(20℃)和500℃时的电导率

解:(1) Si 20℃ =1023*e-21.83=3.32*1013cm-3

500℃ =1023*e-8=2.55*1019 cm-3

TiO2 20℃ =1.4*10-3 cm-3

500℃ =1.6*1013 cm-3

(2) 20 ℃=3.32*1013*1.6*10-19(1450+500)

=1.03*10-2(Ω-1.cm-1)

500℃ =2.55*1019*1.6*10-19(1450+500)=7956 (Ω-1.cm-1)

4-6 一块n型硅材料,掺有施主浓度,在室温(T=300K)时本征载流浓度,求此时该块半导体的多数载流子浓度和少数载流子浓度。

4-10 300K时,锗的本征电阻率为47Ω.cm,如电子空求本征锗的载流子浓度分别为3900和1900.求本征锗的载流子浓度.

4-11本征硅在室温时电子和空穴迁移分别为1350和500,当掺入百万分之一的As后,设杂质全部电离,试计算其电导率.比本征硅的电导率增大了多少倍?

解析

步骤 1:理解电导率与温度的关系
电导率与温度的关系式为 $\lg \sigma = A + B \dfrac{1}{T}$,其中 $\sigma$ 是电导率,$T$ 是绝对温度,$A$ 和 $B$ 是常数。我们需要从这个关系式中推导出电导活化能的表达式。

步骤 2:推导电导活化能的表达式
首先,将关系式 $\lg \sigma = A + B \dfrac{1}{T}$ 转换为指数形式:
$$
\sigma = 10^{A + B \dfrac{1}{T}} = 10^A \cdot 10^{B \dfrac{1}{T}}
$$
由于 $10^A$ 是一个常数,可以表示为 $A'$,则有:
$$
\sigma = A' \cdot 10^{B \dfrac{1}{T}}
$$
我们知道,电导率 $\sigma$ 与载流子浓度 $n$ 和迁移率 $\mu$ 有关,即 $\sigma = n e \mu$,其中 $e$ 是电子电荷。因此,可以将 $\sigma$ 表示为:
$$
\sigma = A' \cdot 10^{B \dfrac{1}{T}} = A' \cdot e^{B \dfrac{\ln 10}{T}}
$$
根据 Arrhenius 方程,电导率与温度的关系可以表示为:
$$
\sigma = A' \cdot e^{-\frac{W}{kT}}
$$
其中 $W$ 是电导活化能,$k$ 是玻尔兹曼常数。因此,可以得到:
$$
B \dfrac{\ln 10}{T} = -\dfrac{W}{kT}
$$
从而得到电导活化能的表达式:
$$
W = -B \ln 10 \cdot k
$$

步骤 3:计算电导活化能的值
给定 $T_1 = 500K$,$\sigma_1 = 10^{-9} \Omega^{-1} \cdot cm^{-1}$,$T_2 = 1000K$,$\sigma_2 = 10^{-6} \Omega^{-1} \cdot cm^{-1}$,代入关系式 $\lg \sigma = A + B \dfrac{1}{T}$,得到两个方程:
$$
\lg 10^{-9} = A + B \dfrac{1}{500}
$$
$$
\lg 10^{-6} = A + B \dfrac{1}{1000}
$$
解这两个方程,得到:
$$
-9 = A + B \dfrac{1}{500}
$$
$$
-6 = A + B \dfrac{1}{1000}
$$
将两个方程相减,得到:
$$
-3 = B \left( \dfrac{1}{500} - \dfrac{1}{1000} \right) = B \dfrac{1}{1000}
$$
从而得到:
$$
B = -3000
$$
代入电导活化能的表达式,得到:
$$
W = -(-3000) \ln 10 \cdot k = 3000 \ln 10 \cdot k
$$
其中 $k = 0.86 \times 10^{-4} eV \cdot K^{-1}$,代入得到:
$$
W = 3000 \ln 10 \cdot 0.86 \times 10^{-4} eV = 0.594 eV
$$

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