Дослідження провідних властивостей металів та напівпровідників при зміні температури – МАНЛаб


Дослідження провідних властивостей металів та напівпровідників при зміні температури

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Побудувати графік залежності опору металевого провідника від температури та розрахувати температурний коефіцієнт опору.
  2. За графіком розрахувати значення абсолютного нуля температури за шкалою Цельсія.
  3. Побудувати графік залежності опору напівпровідника від температури.
  4. Побудувати графік залежності .
  5. За графіком визначити енергію активації напівпровідника.

Обладнання:

Установка для вивчення температурної залежності електропровідності металів та напівпровідників ФПК-07, ПК.

Теоретична частина

Провідність металу зумовлена вільними електронами, які під дією електричного поля переміщуються вздовж провідника поміж іонами, що розташовані у вузлах кристалічних ґраток металу. Опір металевого провідника зумовлюється переважно зіткненнями вільних електронів з іонами кристалічної решітки. З підвищенням температури ймовірність таких зіткнень зростає внаслідок збільшення амплітуди коливань іонів. Залежність опору металу від температури наближено можна вважати лінійною:

(1)

де R0 – опір провідника при 0 С;

R – опір при температурі t;

α – температурний коефіцієнт опору металів.

Температурний коефіцієнт опору показує відносну зміну опору провідника при зміні його температури на 1К (1К = 1 ºС).

Робоча формула для обчислення температурного коефіцієнта опору в інтервалі температур t1…t2 має вигляд:

(2)

Однією з ознак напівпровідників, за якою вони відрізняються від металів, є залежність їхньої питомої провідності σ від температури. За низьких температур вона меншає, і при абсолютному нулі напівпровідник стає ізолятором. За високих температур еле­ктрична провідність напівпровідників наближається до провідності металів.

Електрони провідності утворюються в напівпровідниках внаслідок дії зовнішніх факторів (температури, освітлення, сильного електричного поля). Концентрація n вільних електронів в одини­ці об’єму з підвищенням температури зростає за експоненційним законом:

(3)

де ΔЕ – ширина забороненої зони;

n0 – коефіцієнт, величина якого залежить від матеріалу.

Величину ΔЕ називають також енергією активації.

Кожному електронові у зоні провідності відповідає вакантне місце у валентній зоні з додатним елементарним зарядом. Його називають діркою. В чистому (без домішок) напівпровіднику кіль­кість вільних електронів має дорівнювати кількості дірок.

Експериментальну залежність опору напівпровідників від температури можна добре описати виразом:

(4)

Логарифмуючи рівняння , отримаємо

(5)

Отже, логарифм опору напівпровідників є лінійною функцією від величини 1/Т з кутовим коефіцієнтом ΔЕ / 2k.

Установка ФПК-07 призначена для вивчення температурної залежності електропровідності твердих тіл і розрахунку основних параметрів зразків у рамках зонної теорії електропровідності. Установка дає змогу визначати температурний коефіцієнт опору метала, ширину забороненої зони напівпровідника, енергію іонізації атомів домішок та енергії Фермі.

Установка виконана у вигляді двох функціональних блоків: вимірювального пристрою і блока нагрівача з об’єктами дослідження. В електропечі блока нагрівача встановлені досліджувані зразки і датчик температури.

Хід роботи

  1. Увімкніть у мережу контрольний блок та піч установки. Дайте приладу прогрітися протягом 5 хв.
  2. Оберіть зразок під номером «1» за допомогою перемикача на печі. Це металевий провідник.
  3. Натисніть кнопку «Нагрев» на керівній панелі. На печі має увімкнутися освітлення всередині установки.
  4. Зчитуйте значення температури та опору з кроком у 5 градусів та заносьте до таблиці. Верхня межа нагрівання зразку – 70 градусів. Врахуйте, що піч має інерцію, тому вимкнути нагрів необхідно за 5 градусів до верхнього значення температури. Значення температури та опору занесіть до таблиці, попередньо створеної в оболонці Excel.
  5. Вимкніть нагрів і увімкніть вентиляцію. Має світитися індикатор на печі. Зчитуйте значення температури та опору і заносьте до таблиці.
  6. Після охолодження печі оберіть зразок під номером «3». Це напівпровідник.
  7. Проробіть попередні кроки для напівпровідника.

Аналіз даних

  1. Усередніть значення опорів при нагріванні та охолодженні зразку за допомогою інструментів Excel.
  2. Побудуйте графік залежності опору металевого зразку від температури за допомогою інструментів Excel.
  3. Проведіть лінійну апроксимацію графіка. За виглядом отриманої лінійної функції обрахуйте температурний коефіцієнт опору α та мінімальне значення можливої температури за шкалою Цельсія.
  4. Побудуйте графік залежності опору напівпровідника від температури.
  5. Побудуйте графічну залежність .
  6. Апроксимуйте цю залежність рівнянням прямої та за її кутовим коефіцієнтом визначте енергію активації ΔЕ.
  7. Зробіть висновки відповідно до мети роботи.

 

Таблиця результатів

t° (C) Rн(Ом) Rо(Ом) Rс(Ом)
1.