ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. Отчет по лабораторной работе э05 исследование зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры

• Название: Отчет по лабораторной работе э05 исследование зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры
• Анкор: ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
• Дата: 02.12.2022
• Размер: 404.88 Kb.
• Имя файла: E-05.docx
• Тип: Отчет; #825055

Томский политехнический университет

Отделение естественных наук ШБИП

Отчет по лабораторной работе Э-05

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Студент(ка) гр. 1Б82

Ф.И.О. Айсагалиева А.А.


Цель работы: определение энергии активации и вида проводимости полупроводникового сопротивления по его температурной зависимости. Приборы и принадлежности: реохорд, нагревательный блок, термосопротивление, эталонное сопротивление, мультиметр-милливольтметр, термометр, блок питания, провода.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

По своим электрическим свойствам твердые тела делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики. Эти три класса веществ характеризуются различной величиной удельного сопротивления (ρ) или удельной электрической проводимости (σ):


Вещества, у которых ρ = 10^-6 /10^-8Ом*м, относятся к металлам.

Низкое удельное сопротивление металлов обусловлено высокой концентрацией свободных электронов. В диэлектриках концентрация свободных электронов мала и их удельное сопротивление ρ = 10⁸/10¹³ Ом*м.

Промежуточное положение занимают вещества, для которых удельное сопротивление ρ = 10^-5/10⁸ Ом*м и быстро убывает с ростом температуры. Эти вещества называются полупроводниками. В периодической системе Д.И. Менделеева полупроводники образуют группу элементов, изображенную на рис.1. Наиболее типичными, широко применяемыми на практике полупроводниками, являются бор (B), углерод (C), кремний (Si), фосфор (P), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Te), йод (I).


Рис. 1.Часть периодической системы Д.И. Менделеева, содержащая полэлементы. упроводниковые

Электропроводность металлов, диэлектриков и полупроводников объясняется c позиций квантовой механики. Основное отличие квантовой механики от классической заключается в следующем: с точки зрения квантовой механики система частиц может находиться лишь в определенных, отличных друг от друга («дискретных») энергетических состояниях, в то время как, с точки зрения классической теории, система может находиться в состояниях с любыми значениями энергии в пределах некоторого интервала энергий. С квантовой точки зрения переход системы из одного возможного состояния в другое происходит скачкообразно с изменением энергии на конечную величину ΔЕ.

По квантовой теории полная энергия электрона в области отрицательных энергий (E ˂ 0) может принимать лишь одно из следующих значений:


где B – константа, а n принимает значения целых чисел: n = 1, 2, 3 … .

При образовании твердого тела из отдельных атомов и молекул состояние электронов, движущихся вокруг отдельных ядер на внутренних электронных оболочках, не меняется. Внешние же электронные оболочки в результате сближения атомов и возникающего взаимодействия между электронами перестраиваются. В одних случаях электроны (валентные, внешние) освобождаются и делаются свободными (металл). В других случаях электроны продолжают удерживаться молекулами или полями, которым они принадлежат (в этом случае подвижность электронов ограничена) – диэлектрики. Промежуточный случай, когда имеется наличие большого числа слабосвязанных, почти свободных электронов, представляет собой полупроводник.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА

График зависимости

представляет собой прямую, угловой коэффициент которой равен

Величину ∆W можно вычислить по формуле






Следовательно, для определения энергии активации проводимости полупроводника необходимо измерить его сопротивление R_Tm при T_m и R_Tn при

T_n.



Tm Tn


Рис. 2. Зависимость nR_T от T 1 для полупроводника

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА

СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Экспериментально было показано, что сопротивление металлов зависит от температуры следующим образом [1, 4]:

R_t = R_o (1 + t + βt² + γt³ + …),

где R_t– сопротивление металлического проводника при температуре t^оС;

R_o – его сопротивление при 0^оС;

, β, γ - коэффициенты, зависящие от природы металла.

В интервале температур от 0^оС до 100^оС можно ограничиться первым членом степенного ряда, то есть считать, что сопротивление проводника, в первом приближении, изменяется по закону:

R_t = R_o (1 + t )

Коэффициент называют температурным коэффициентом сопротивления. Он показывает относительное изменение первоначального сопротивления при нагревании его на один градус по шкале Цельсия:



Из формулы следует, что для определения температурного коэффициента сопротивления металла необходимо знать сопротивление металла R_o при 0^оС и при некоторой температуре t^oC.

Вначале измеряют сопротивление металла при комнатной температуре R_k, затем нагревают металл и через равные промежутки ∆t проводят измерения его сопротивления при соответствующих температурах. Строят график зависимости сопротивления металла от его температуры.



R (Ом)

Ro

toC

Рис. 3. Зависимость сопротивления металла от температуры

Согласно формуле , этот график имеет вид прямой линии, продолжение которой (экстраполяция) пересекает ось ординат в точке R_o.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Для проведения работы используется установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 4.

Измеряемые полупроводниковое и металлическое сопротивления, размещены в камере нагревателя (1), дверку которого открывать без ведома преподавателя не рекомендуется.

Измеряемые сопротивления подключены к блоку переключателя (2), который позволяет устанавливать напряжение на измеряемых сопротивлениях в диапазоне (0 12) В рукояткой (6) и подавать на измерительные приборы (8), (9) напряжения и ток измеряемых сопротивлений. При нажатой кнопке (5) измеряются величины U и I металлического сопротивления, а в отжатом (обычном) положении – величины U и I полупроводникового сопротивления.

Блок измерительных приборов состоит из – вольтметра (8) и микроамперметра (9), собранного на базе вольтметра В7-38 с шунтом.

При измерении тока показания прибора умножаются на величину шунта и получается ток в мкА.

Если ток измеряется прибором Ф216/1. Его шкала прокалибрована на 10 мА. 1 разряд – 10 мкА.

Рис.4. Блок-схема установки

1. Нагреватель. 2. Блок переключателя. 3. Клеммы (красные) металлического сопротивления. 4. Клеммы (черные) полупроводникового сопротивления. 5. Кнопка переключения. В отжатом состоянии–измерение полупроводникового сопротивления, в нажатом – металлического. 6. Рукоятка регулировки напряжения. 7. Клеммы регистрации тока и напряжения. 8. Цифровой вольтметр. 9. Цифровой микроамперметр.

3. 
   Нажать на поле «Режим 3». На индикаторах появятся запрограммированные ранее показания температуры и времени.
   
4. 
   Нажать на поле Выбор. На табло индикатора температуры замигает цифра в старшем разряде. Нажатием на поле или установить требуемое показание. Нажатием на поле и на поля или переходят к установке требуемых показаний в следующих разрядах (при каждом нажатии на поле  происходит переход от старшего разряда к младшему по кольцу).
   

10.Выключатель

«СЕТЬ» 12.Индикатор

«ПЕРЕГРЕВ»

Рис.5. Панель управления нагревателя

5. 
   Установка времени выдержки образцов при выбранной температуре происходит в том же порядке, но с предварительным нажатием на поле Выбор (при каждом нажатии на поле Выбор происходит переход к установке времени или температуры по кольцу).
   
6. 
   После установки необходимых временных и температурных параметров вновь нажать на поле «Режим 3». На индикаторе температуры появятся показания температуры, а на индикаторе времени – время выдержки сопротивлений для выбранной температуры. Нажать на поле «Пуск». На табло индикатора температуры засветится запятая младшего разряда, свидетельствующая о включении нагревателей. Табло показывает изменение температуры. Она будет расти до установленного программой значения. (Различие может составлять (1 2) градуса). На табло индикатора времени высвечивается цифра
   

«0». По окончании работы нажать на кнопку выключения прибора и вилку сетевого шнура отключить от питающей сети.

ЗАДАНИЕ

1. 
   Получите вольтамперную характеристику изучаемых полупроводникового и металлического сопротивлений. Сравните их. Определите их статические и дифференциальные сопротивления, сделайте выводы.
   
2. 
   Получите зависимость изучаемых сопротивлений от температуры при изменении ее от 30^оС до 120^оС.
   
3. 
   Определите энергию активации полупроводникового сопротивления и температурный коэффициент α для сопротивления, изготовленного из металла. Определите:
   

а) природу металла, из которого изготовлено сопротивление,

б) природу материала, из которого изготовлено полупроводниковое сопротивление,

в) сделайте вывод о том, какова проводимость полупроводникового материала –собственная или примесная.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Получение вольтамперной характеристики

1. 
   Ознакомьтесь с принципом действия и работой установки.
   
2. 
   Убедитесь, что температура внутри нагревателя близка к комнатной.
   
3. 
   Измерьте и запишите в таблицу 1 значения напряжения на сопротивлениях и соответствующие им токи, последовательно увеличивая напряжение от 0 до максимального значения (12 В) через 0,5 Вольта, а затем по данным таблицы постройте вольтамперные характеристики при комнатной температуре.
   

Таблица 1

№	U(B)	Iпп (А)	Iм(А)
1	0	0	0
2	0,5	0,52	0,72
3	1	1,07	1,44
4	1,5	1,53	2,01
5	2	2,08	2,41
6	2,5	2,56	3,29
7	3	3,08	3,41
8	3,5	3,60	4,51
9	4	4,11	5,14
10	4,5	4,67	5,79
11	5	5,56	6,87
12	5,5	5,91	7,10
13	6	6,38	8,14
14	6,5	6,94	8,87
15	7	7,41	9,37
16	7,5	8,04	10,14
17	8	8,55	10,70
18	8,5	9,06	11,27
19	9	9,73	12,01
20	9,5	10,09	12,78
21	10	10,42	13,16
22	10,5	11,03	13,71
23	11	11,74	14,32
24	11,5	12,05	15,01
25	12	12,94	15,61

При регистрации вольтамперной характеристики необходимо иметь в виду, что полупроводниковое сопротивление в цепи тока не остается постоянным. Оно убывает по мере нагревания полупроводника током. Таким образом, термосопротивление зависит от тока и, значит, является нелинейным элементом. Типичная статическая вольтамперная характеристика полупроводникового сопротивления показана на рис 4. Для проводников,

обладающих линейной характеристикой (металлы), сопротивление статическое

и дифференциальное одинаковы. Нагрев проводника с



током вызывает незначительное увеличение его сопротивления. При нагреве полупроводника током, его сопротивление резко убывает. Вольтамперная характеристика при этом перестает быть линейной и становится

колоколообразной.
На участке ОА кривой сохраняется линейность и, значит




Рис.6
В точке С дифференциальное сопротивление равно нулю, так как в ней

; в точке В

оно отрицательно, так как

4. По данным таблицы постройте график зависимости U = f (I) и определите

Rст и Rдиф.

Получение температурных зависимостей сопротивлений

1. 
   Пользуясь рекомендациями по установке температуры нагревателя и времени выдержки, установите температуру 30^оС и время выдержки 002 (соответствует 2 минутам).
   
2. 
   Установите напряжение 2В, и вручную поддерживайте его в процессе измерения I. 3. Измерьте значения I_пп и I_м.
   

4. 
   Оставляя неизменным время выдержки (002 мин) повысьте температуру нагревателя на 10^о и повторите п.1,2,3.
   
5. 
   Повышая температуру на 10^о и производя измерения U и I_пп и I_м доведите температуру нагревателя до 120^оС.
   
6. 
   Показания вольтметра и микроамперметра при температурах, последовательно увеличивающихся на 10^о, запишите в таблицу 2. Значения сопротивлений металла и полупроводника при каждой температуре подсчитайте по закону Ома.
   

Таблица 2.

№ п/п	toC	T,K	1 - , K T 1	U (B)	Iпп (A)	Iм (A)	Rпп (Ом)	Rм (Ом)	ln Rпп
1	30	303	3,3003	2	2,64	2,72	0,75	0,73	6,71
2	40	313	3,1949	2	3,01	2,56	0,66	0,78	6,49
3	50	323	3,096	2	3,38	2,51	0,59	0,79	6,38
4	60	333	3,003	2	4,63	2,48	0,43	0,81	6,06
5	70	343	2,9155	2	5,57	2,42	0,35	0,82	5,86
6	80	353	2,8329	2	6,21	2,38	0,32	0,86	5,77
7	90	363	2,7548	2	6,95	2,34	0,29	0,86	5,66
8	100	373	2,681	2	7,64	2,28	0,26	0,87	5,56
9	110	383	2,611	2	8,59	2,24	0,23	0,89	5,44
10	120	393	2,5445	2	16,49	2,21	0,12	0,90	4,78

4. 
   По данным таблицы 2 постройте графики температурной зависимости соответствующих сопротивлений: R_{пп =} f (t) и R_м = f (t). Объясните различия в ходе кривых.
   
5. 
   По данным таблицы постройте график зависимости ln (Rпп) от 1/Т.
   

Рис 7 – График температурной зависимости Rпп=f(t)



Рис 8 – График температурной зависимости Rм=f(t)



Рис 9 – График температурной зависимости ln(Rпп)=f(1/Т)

Вывод: В ходе лабораторной работы определены энергия активации и виды проводимости полупроводникового сопротивления по его температурной зависимости.

Выполнил студент группы 1Б82

Айсагалиева А.А.

^{(Фамилия И.О.)}

Проверил Преподаватель Коротченко К.Б.