2741

Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников

Лабораторная работа

Физика

Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников Приборы и принадлежности измеряемые образцы, масляная баня, источник постоянного тока к мешалке, универсальный вольтметр РВ7-32. Введение. Как показывает опыт...

Русский

2012-10-18

88 KB

109 чел.

Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников

Приборы и принадлежности: измеряемые образцы, масляная баня, источник постоянного тока к мешалке, универсальный вольтметр РВ7-32.

Введение. Как показывает опыт, электрическое сопротивление металлов и полупроводников зависит от температуры [1-2].  Зависимость сопротивления металлов от температуры (в области средних температур) можно описать следующим соотношением:

                              Rм= R0(1 +  to)   ,                                          (1)

где R  и Rt   – значение  сопротивления при  0С  и  температуре  t,   соответственно;

– температурный коэффициент сопротивления данного металла,

  t – температура по шкале Цельсия.

Зависимость сопротивления металлов от температуры нашла применение в технике для точных измерений температуры с помощью так называемых термометров сопротивления. Термометр сопротивления представляет собой проволочный резистор, сопротивление которого при различной температуре хорошо известно. Термометры сопротивления используются для измерения температур в широких пределах. Например, платиновый термометр может работать в интервале температур от  –200 до 1000С.

В отличие от металлов сопротивление полупроводников быстро уменьшается с ростом температуры по следующему закону [2,3]:

Rп  = Ае,                                                   (2)

где Т – абсолютная температура,

      е – основание натуральных  логарифмов,

      k – постоянная Больцмана,

       W ширина запрещенной зоны данного полупроводника,

     А – постоянная для данного образца.

При тепловом возбуждении электропроводности количество электро-нов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости, тем больше, чем выше температура и чем ýже интервал запрещенных энергий W.


Концентрация электронов в зоне проводимости определяется выражением

                              n = BTe,                                             (3)

В – постоянная для данного вещества.

Так как в полупроводниковом материале в результате внешнего воздействия одновременно появляются носители тока двух типов, то общая электропроводность вещества определяется формулой

                         еnnun +  еnpup,                                            (4)

где  е – элементарный заряд,

nn,  np – концентрация электронов и дырок,

un,  up – их подвижность.

В случае чистого полупроводникового вещества (без примесей) число дырок в валентной зоне равно числу электронов в зоне проводимости, т. е.  nn= np= n. Тогда

                        = еn(un+ up).                                               (5)

Электропроводность описанного типа называется собственной проводимостью полупроводника.

Электропроводность полупроводника в области собственной проводимости, как следует из формул (3) и (5), определяется выражением

  = е(un + up)BT3/2 e.  

 Пренебрегая температурной зависимостью подвижности, а также учитывая, что степенной множитель  T3/2   возрастает значительно медленнее показательного ехр(–W/2kT), можно записать для электропроводности  следующее соотношение:

= С e,

где С – некоторая  постоянная данного вещества.

Сопротивление полупроводника Rп, как величина обратная электропроводности, описывается формулой (2). Сильная зависимость сопротивления полупроводников от температуры дает возможность использовать их в качестве чувствительных термометров. Полупроводниковые термочувствительные элементы называются термисторами.

Если прологарифмировать выражение (2), получим следующее:

ln Rп = ln A + .                                     (6)

Согласно уравнению (6) величина  ln Rп   линейно зависит от аргумента  1/T, коэффициент W/2k представляет собой угловой коэффициент а прямой, изображенной на  рис. 1. Для удобства построения графика вместо аргумента 1/Т взят 1000/Т. Но тогда необходимо угловой коэффициент уменьшить на три порядка.

Таким образом, с одной стороны  ,

с другой

            (7)

Следовательно,

.            (8)

Уравнение (8) дает возможность определить ширину запрещенной зоны полупроводника W из температурной зависимости его сопротивления.

Описание  установки. В экспериментальную установку входит масляная баня и универсальный вольтметр РВ7-32 (рис.2).  В сосуд с трансформаторным маслом помещены металлический резистор R и термистор R, провода от которых подведены к клеммам на крышке бани.

Нагреватель Н включается в сеть переменного тока 220В через  трансформатор Тр. Для выравнивания температуры во всем объеме масла в сосуд опущена мешалка, приводимая во вращение электромотором Эм. Баня снабжена термометром Т.

Провода от резистора R  и термистора Rп  подведены к переключателю П, а от него – к омметру универсального прибора РВ7-32.

 

Измерения. 1. Включите универсальный вольтметр в сеть 220В. Поставьте его переключатель в положение “R” – измерение сопротивления.  Измеряемая величина сопротивления высвечивается на табло в кОм.  

2. Тумблер-переключатель П на лабораторной панели поставьте в положение 1 – измерение сопротивления металлического резистора R. Показания омметра и термометра запишите в таблицу.

3. Переключите тумблер П в положение 2. Запишите сопротивление полупроводникового термистора Rп в ту же таблицу.

4. Включите мешалку (тумблер Вк-1) и не выключайте ее в течение всей серии измерений.

5. Примерно на 1 минуту включите нагреватель тумблером Вк-2. После увеличения температуры на 3-4 по сравнению с предыдущей нагреватель выключите и, дождавшись установления стабильных показаний термометра, произведите измерение сопротивлений  R и  Rп .

6. Повышая температуру  ступенями по 3-4  от комнатной до 50 С, каждый раз производите измерение сопротивлений резистора и термистора, выключая перед каждым измерением нагреватель и дожидаясь установления показаний термометра.

Резистор

Термистор

t, 0C

Rм , Ом

, К-1

Rп , Ом

ln Rп

10, К-1

W,эВ

 Обработка  результатов  измерений.  1. По данным таблицы постройте графики зависимости сопротивления резистора и термистора от  температуры. Определите по графику температурный коэффициент сопротивления данного металла.

2. Постройте график зависимости  lnRп  от  10.  Определите угловой коэффициент полученной прямой.

3.Вычислите ширину запрещенной зоны полупроводникового материала из уравнения (8), переведите ее в более распространенные в данной области физики единицы – электронвольты, используя существующее между ними соотношение 1 эВ=1,6010-19 Дж.

 

Контрольные вопросы

1.По каким признакам все вещества разделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники?

2.Как элементарная классическая теория металлов объясняет температурную зависимость их сопротивления?

3.Нарисуйте примерный график зависимости сопротивления различных металлов в широком интервале температур. Где место Вашего эксперимента на этой шкале?

4.Какой формулой описывается зависимость сопротивления металла от температуры в области средних ее значений?

5.Что такое температурный коэффициент сопротивления? Каков его физический смысл? Как его можно определить из экспериментальных данных? В каких случаях требуется знание и учет этого коэффициента?

6.Как ведет себя сопротивление полупроводникового материала с ростом температуры? Подчиняется ли его температурная зависимость классической теории электропроводности? В чем противоречие?

7.Что такое зонная теория электропроводности? Что представляют собой металлы, изоляторы  и полупроводники с точки зрения зонной теории?

8.Как зонная теория объясняет температурную зависимость сопротивления полупроводников? Какой формулой описывается температурная зависимость сопротивления?

9.Можно ли на основании Ваших экспериментальных данных сделать вывод об экспоненциальной зависимости сопротивления термистора от температуры?

10.Что такое энергия активации электропроводности? Как ее можно определить по данным эксперимента? Сравните найденное значение энергии активации со средней энергией теплового движения атомов вещества при наибольшей температуре Ваших измерений. Каков Ваш комментарий к полученным результатам?

Список рекомендуемой литературы

1.Калашников С. Г. Электричество. М.: Наука, 1977. С. 114–118, 326–335.

2. Савельев И. В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Кн. 5. С. 233–250.

3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. М.: Наука, 1983. Т. 3. С. 450–459.

4. Кортнев А. В., Рублев Ю. В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: Высшая школа,  1963.  С. 223,  285.

PAGE  57


EMBED Word.Picture.8  

Рис. 2

П

2

1

Т

*

 

R

   

кОм

 

РВ7-32

Сеть

220

В

Тр

Эм

Вк-1

Мешалка

 

Вк-2

Нагреватель

RМ       RП


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42922. Синтез схемы генератора чисел со структурой автомата Мили и Мура 5.78 MB
  Синтезировать схему генератора чисел со структурой автомата Мура на JK и T триггерах в базисе И-НЕ, определить схему с минимальным количеством входов, проверить правильность синтеза в MicroCap.
42923. Компьютерные вирусы: классификация, проблемы борьбы с ними 613.68 KB
  Web 16 О Доктор Веб 16 Основной логотип Dr.origin Вредоносная программа детектированная с помощью технологии Origins Trcing технология несигнатурного поиска разработанная специалистами Доктор Веб Вирусы для разных ОС В данную группу объединяют вредоносные программы разработанные для определенных операционных систем ОС.Web О Доктор Веб Доктор Веб российский разработчик средств информационной безопасности. Антивирусная продукция компании Доктор Веб создана на основе собственной технологии.
42924. Синтезирование и моделирование широкополосного трансформатора сопротивления, выполненного на четвертьволновых линиях передачи 222.05 KB
  В результате получить конструкцию трансформатора сопротивлений соответствующую требованиям установленным заданием и ОСТом. Этапы выполнения работы: Синтез трансформатора сопротивлений в распределенном электрическом элементном базисе. Моделирование Подстройка трансформатора сопротивлений согласно требованиям задания. Подпись Дата Лист 4 НГТУ Rг = 10 Ом внутреннее сопротивление источника сигнала; Rн = 50 Ом сопротивление нагрузки; fн = 1ГГц fв = 2ГГц диапазон частот; KстU = 12 коэффициент стоячей волны напряжения на...
42925. Государственное регулирование рыночной экономики 113.59 KB
  Необходимость вмешательства национального государства в рыночную экономику. Подходы российского государства к макроэкономической политике стратегия тактика. Во всем мире функции государства в управлении экономикой значительно расширились в течение ХХ века особенно в промышленно развитых странах. Необходимость вмешательства национального государства в рыночную экономику.
42926. Сестринский процесс при ревматизме 644 KB
  На данный момент по данным статистики ВОЗ ревматизм остается одной из главных причин инвалидизации трудоспособного населения во многих развивающихся странах, тогда как в развитых странах частота встречаемости заболевания постепенно снижается. По данным статистики: за 2008 год на территории РФ было зарегистрировано 1.929 чел. с острой ревматической лихорадкой, 12.291 чел. с хроническими ревматическими заболеваниями сердца, 8.831 чел. с ревматическими пороками клапанов.
42927. Управление проектами 61.84 KB
  Общая характеристика управления проектами 10 2 2 6 2. Обоснование целесообразности проекта 10 8 2 6 6 3. Основные формы организационной структуры проекта 10 4 4 6 4.
42928. Краткая характеристика предприятия ОАО «Германий» 111.27 KB
  За эти годы предприятие прошло путь от поставщика продукции на внутренний рынок до экспортера всей номенклатуры выпускаемой продукции в США Израиль Японию страны Европы и Азии. В настоящее время предприятие ГЕРМАНИЙ единственное в России имеющее полный цикл переработки широкую номенклатуру продукции и большие производственные мощности. Команда профессионалов создает продукцию и услуги индивидуально учитывая пожелания потребителей по срокам поставки и качеству продукции ориентируясь на их планы в области бизнеса. до готовой...
42929. Сестринский процесс при стенокардии 173.99 KB
  Предмет изучения: сестринский процесс при стенокардии. Цель исследования: изучение сестринского процесса при стенокардии. Для достижения поставленной цели исследования необходимо изучить: Этиологию и предрасполагающие факторы стенокардии; Клиническую картину и особенности диагностики; Методы исследования и подготовку к ним; Принципы лечения и профилактику стенокардии; Манипуляции выполняемые медицинской сестрой; Особенности сестринского процесса при стенокардии. Нестабильная стенокардия: впервые возникшая стенокардия;...
42930. Расчет двухкаскадного резистивного усилителя на биполярных транзисторах 1.87 MB
  Расчет двухкаскадного резистивного усилителя на биполярных транзисторах пояснительная записка к курсовой работе по электронике Студент гр.130601 Аннотация Данная пояснительная записка написана к курсовой работе по дисциплине Электроника для варианта 03 и содержит в себе результаты расчета резистивного усилителя на биполярных транзисторах. В качестве анализируемого усилителя выступает двухкаскадный усилитель на кремниевых биполярных транзисторах основные параметры которого рассчитываются в одной из...