14324

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ОПОРУ НАПІВПРОВІДНИКІВ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9 ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ОПОРУ НАПІВПРОВІДНИКІВ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ Мета роботи: Дослідним шляхом встановити закон зміни опору напівпровідника при його нагріванні визначити ширину забороненої зони і концентрацію зарядів у напівпровідник

Украинкский

2013-06-03

107.5 KB

74 чел.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ОПОРУ НАПІВПРОВІДНИКІВ ВІД  ТЕМПЕРАТУРИ

Мета роботи:

Дослідним шляхом встановити закон зміни опору напівпровідника при його нагріванні визначити ширину забороненої зони і концентрацію зарядів у напівпровіднику при різній температурі.

Прилади та матеріали: 

Експериментальна  установка, яка   має   досліджуваний  термоопір, термостат   з нагрівачем   і   стабілізатор   струму.   Джерело   постійної  напруги(U=16В).    Міліамперметр    постійного струму    (Імах=200мА). Цифровий вольтметр або мультіметр для вимірювання постійної напруги

(Umax=20B).

Короткі теоретичні відомості:

Напівпровідники - це речовини, які за своєю електропровідністю, мають проміжне місце між провідниками першого роду і діелектриками. На відміну від металів вони мають від'ємний температурний коефіцієнт опору (в певних температурних інтервалах).

Основною відмінністю напівпровідників від металів є значна залежність їх провідності  (опору) від зовнішніх факторів (освітленість, механічні деформації, опромінення рентгенівськими та радіоактивними променями, дія магнітного поля тощо). На величину електропровідності напівпровідників суттєво впливає наявність домішок. Величина питомого опору напівпровідників лежить в межах від   10 -5 до 10 -8  Ом-м.

До напівпровідників належать деякі хімічні елементи (кремній, германій, селен, бор, телур ), а також окиси ( CuO ), сульфіди (CdS, PbS, ZnS), телуриди ( HgTe, CdTe ), фосфіди (GaP, InP, ZnP2 ) тощо.

Існують напівпровідники із електронною та дірковою провідністю. У напівпровідниковій техніці використовуються напівпровідники, в яких носіями, заряду є електрони хімічного зв'язку ( вірніше їх відсутність вони мають р-тип провідності і електрони провідності (n-типу ).

Приклади, дія яких ґрунтується на значній залежності опору напівпровідників    від     температури,     називаються термісторами  або термоопорами.

Термістори - об'ємні опори, що виготовляють з напівпровідникових матеріалів. Вони мають від'ємний коефіцієнт опору, який у багато разів перевищує температурний коефіцієнт опору металів. Термістори можуть бути найрізноманітніших розмірів і форми, а також мають різні термічні та електричні властивості, високу механічну міцність.

Залежність опору напівпровідників від температури у значних інтервалах описується виразом:

,     (1)

де: А - константа, К - стала Больцмана, Е - енергія активації (висота енергетичного бар'єру ). Під енергією активації розуміють енергію, яку необхідно затратити, щоб перевести електрон із зв'язаного стану у вільний.

Зменшення опору з ростом температури пояснюється тим, що при збільшені температури збільшується число носіїв заряду, тобто збільшується концентрація вільних електронів. Графік залежності опору напівпровідників від температури в координатах Ln R = f(1/T) являє собою пряму лінію, тангенс нахилу якої до осі 1/Т (вісь Ох ) дорівнює:

 (2)

Звідси енергія активації визначається як Е = 2k tgφ (3)

Концентрація електронів в зоні провідності напівпровідника змінюється від температури по експотенціальному закону

, (4)

де n-концентрація електронів провідності при температурі Т,

nо-концентрація електронів провідності при Т→∞

k = І,38 • 10 -23 дж/k- постійна Больцмана

ΔЕ- ширина забороненої зони

Так   як   електропровідність   пропорційна   концентрації   електронів провідності, то залежність питомої електропровідності γо напівпровідників від температури виражається формулою

 (5)

де γо - питома електропровідність при Т→∞

Опір напівпровідника з підвищенням температури зменшується по закону

(6)

де Rо-oпіp при Т→∞

Цю залежність можна використовувати для визначення ширини зони напівпровідника  ΔЕ.

Прологарифмувати цей вираз по основі е, отримаємо

Ln R = Ln Ro + E/2kT      (7) 

Виразимо k  в електрон-вольтах     (1еВ =1,6 • 10 -19 дж) 

K=0,86•10-4еВ/К

Знайдемо значення 1/2k;  1/2k=5,8•10-3К/еВ і підставимо його в (4);

(8)

Якщо побудувати графік залежності  Ln R = f(5,8·10 3 / T), то він буде представляти собою пряму лінію. Тангенс кута нахилу якої до вісі абсцис рівний ширині зображеної зони ΔЕ, вираженою в електрон-вольтах:

Схема експериментальної установки

Германієвий напівпровідник ВК поміщений в термостат з нагрівачем ЕК, який підключається до джерела живлення вимикачем SА1.

Величина струму в колі ВК піддержується незмінним стабілізатором при зміні опору ВК, визваних його нагріванням, стабілізатор струму складається із стабілізатора VD), транзистора VТ, транзисторів R1 і R2.

Для підключення цифрового вольтметра є клеми.

Порядок виконання роботяг:

1). Підключити до експериментальної  установки  (мал.2)   цифровий вольтметр (Umах=20В).

2) Увімкнути живлення тумблером SA1: Значення початкової температури і напруги на термоопорі ВК занести до таб.1.

Сила струму у колі постійна І = 16·10-3 мА.

Таблиця №1

t, оС

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

U1, В

U2, В

Uср.  В

R, Ом

3)Визначити і занести до таб.1 значення падіння напруги U1 і U2 на термоопорі при зміні температури через кожні 5 °С. Провести виміри U як при нагріванні термоопору (U1), так і при його охолодженні (U2).

Обробка результатів:

1. По даним таб.1   визначити  середнє значення  падіння  напруги  Uср = (U1 + U2)/2 на термопарі і його опір   R = Uср / I для всіх значень температури.

Результати занести до таб. 1.

2. Визначити значення   5,8·103 / Т і Ln R для   всіх температур. Результати занести до табл. 2.

Таблиця № 2

Т,k

LnR

По даним   табл.2  побудувати  графік залежності  Ln R = f(5.8·10-3 / T)

3. Враховуючи відношення, визначити концентрацію електронів провідності при температурі 700 С із формули:     R1 / R2 = n1 / n2  , де

n1 =2,4·10 23   м -3  - концентрація електронів провідності при температурі Т1 = 300 К,

n2 - при, температурі Т2 = 343 К (70° С), значення R1 і R2 взяти з таб. 1.

4. Знайти відносну і абсолютну похибку концентрації електронів n 2, враховуючи, що відносна похибка концентрації n1, складає 10%.

Контрольні питання

  1.  Які речовини належать до напівпровідників ?

Як пояснити електричні властивості напівпровідників?

  1.  Які типи провідності є у напівпровідниках ?
  2.  Як впливають домішки на електропровідність напівпровідників ?
  3.  Як виникає діркова та  електрона домішкова  провідність напівпровідників ?
  4.  Що є найбільш характерним для провідності напівпровідників?
  5.  Що називається енергією, активації ?
  6.  Що таке терморезистори і яке їх застосування ?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20082. Условия обеспечения качественной и производительной сборки. Исключение неправильной сборки 92 KB
  Исключение неправильной сборки. Для обеспечение правильной и быстрой сборки и разборки конструкций при проектировании нужно учитывать следующие условия: использовать где это возможно взаимозаменяемые детали и узлы; исключать подгоночные работы и и работы по обеспечению взаимного расположения деталей непосредственно при сборке; предусматривать удобный подход инструмента и оснастки используемой при сборке; использовать в конструкциях агрегатный способ сборки т. Так же увеличивается скорость сборки так как сборку узлов и агрегатов можно...
20083. Осевая и радиальная сборка. Особенности, достоинства и недостатки этих схем 420.5 KB
  В конструкциях с продольными и поперечными осями симметрии часто применяют схемы с осевой и радиальной сборки. При осевой сборке все детали устанавливают в осевом направлении при радиальной в радиальном поперечном. При осевой сборке конструкция корпуса как правило простая удобно производить механическую обработку не сложно уплотнять внутренние полости при герметизации. НЕДОСТАТКИ: конструкция корпуса сложная следовательно механическая обработка более сложная чем в осевой сборке.
20084. Компоновка приборов. Моноблочные и др. конструкции. Схемы компоновки 138 KB
  конструкции. Если в конструкции прибора применен подход на основе функционального разделения на части то в этом случае говорят о блочно модульных конструкциях. Моноблочные конструкции монтируются в едином корпусе и применяют в следих случаях: когда изделие выполняет мало частных функций и разбиение на узлы не целесообразно; для миниатюрных конструкций медицинские зонды; для приборов которые изготавливаются в малом количестве либо имеет небольшой срок службы шариковая ручка. Блочно модульные конструкции это конструкции которые...
20085. Разработка компактных конструкций. «Разнесение» конструкции в радиальном направлении и др. приемы конструирования. Проблемы миниатюризации 125.5 KB
  Разнесение конструкции в радиальном направлении и др.существенное уменьшение осевых размеров конструкции м.достигнуто за счет разнесения конструкции в радиальном направлении Основная идея не встраивать все элементы последовательно друг за другом а встраивать один элемент в другой Конструкция дифференциального винтовой передачи 4. незначительно увеличиваем диаметр и уменьшаем длину 5уменьшение размеров может быть достигнуто за стчет пустот имеющихся в конструкции или создания канавки Н2Н1 Проблема миниатюризации.
20086. Рабочая конструкторская документация. Основные этапы работ на данной стадии 22.5 KB
  При разработке рабочей документации возможны два варианта: Рабочая документация разрабатывается на единичное изделие или небольшую партию. документация разрабатывается без присвоения литеры все недостатки и ошибки устраняют в процессе сборки в чертеже вносят изменения. Документация разрабатывается для серийного или массового производства: 2.
20087. КОНСТРУИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ РАЗДЕЛЕНИЯ И СОВМЕЩЕНИЯ ФУНКЦИЙ; ОСОБЕННОСТИ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ 229 KB
  Если конструкция отдельного узла обеспечивает выполнение нескольких функций то в узле осуществлен принцип объединения. уменьшение объема сборочных и регулировочных работ опоры на центрах со смещенным центром регулировка в двух направлениях Решение на основе совмещения функций имеет отрицательные качества:1 не удается обеспечить оптимальное выполнение отдельных фий особенно это важно в отношении точности и надежности 2.появляется опасность взаимного отрицательного влияния отдельных частных функций друг на друга.
20088. Эскизный проект. Цели и задачи данной стадии разработки. Результаты разработки 22 KB
  Эскизный проект это совокупность конструкторских документов которые разрабатываются с целью установления принципиальных конструктивных решений. Результат разработки варианты конструкции соответствующие расчеты обязательная документация ведомость проекта пояснительная записка появляется чертеж общего вида. Эскизный проект и ТП не являются обязательными и выполняются если это предусмотрено в ТЗ а эскизный проект выполняется еще если если это предусмотрено техническим заданием.
20089. Техническое предложение 31.5 KB
  Техническое предложение. Техническое предложение ТП совокупность технических документов которые содержат техническое и техникоэкономическое обоснование целесообразности разработки. 2 Техническое задание. 3 Техническое предложение.
20090. Требования к элементам приборов. Эксплуатационные, конструктивно-технологические, специальные. Чувствительность. Линейность 185.5 KB
  Статическая характеристика может быть выражена аналитически уравнением типа y=fx связывающим выходную величину y с входной величиной х в числовой форме в виде таблицы или графически. такая характеристика выгодна для показывающих и особенно для регистрирующих приборов т. Линейная характеристика преобразователей в вычислительных устройствах упрощает осуществление математических операций. Вместе с тем иногда нужны преобразователи с нелинейными характеристиками например с логарифмическими или квадратичными.