Визначення температурного коефіцієнта опору напівпровідника

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд експериментального пристрою

Напівпровідники – це речовини, які за своєю електропровідністю займають проміжне положення між металами та діелектриками. До основних властивостей напівпровідників належать такі: 1) електропровідність і концентрація носіїв струму суттєво залежать від зовнішніх факторів (температури, опромінення тощо); 2) зростання температури призводить до зростання провідності і зменшення опору.

Температурна залежність опору напівпровідників виражається виразом:

, (1)

де R – опір зразка за температури Т; R₀ – деякий коефіцієнт, сталий у вузькому діапазоні температур; W_A – енергія активації провідності. Енергія активації провідності дорівнює ширині забороненої зони напівпровідника ΔE. Температурним коефіцієнтом питомого опору напівпровідника називається величина, рівна:

(2)

Для визначення зазначених величин необхідно отримати табличну залежність опору зразка напівпровідника від температури за допомогою ЦВК; інструментами математичних таблиць побудувати графічну залежність опору та за лінією тренду отримати ширину забороненої зони; за шириною забороненої зони записати вираз для температурного коефіцієнту питомого опору напівпровідника.

Хід роботи

Частина 1. Отримання даних 

1. Складіть електричне коло, представлене на світлині. Для ефективного проведення експерименту в коло необхідно помістити регульований опір. Напруга на колі, в яке вміщено зразок напівпровідника, має бути в межах 5 В. Живлення кола нагрівника здійснюється джерелом регульованої напруги.
2. З’єднайте джерело струму з електричним колом, під’єднайте датчик струму та напруги до ЦВК. Помістіть датчик температури в нагрівник поряд зі зразком напівпровідника. З’єднайте ЦВК з ПК та запустіть програмне забезпечення.
3. Запрограмуйте ЦВК вимірювати необмежену кількість даних та частоту замірів 2 заміри на секунду.
4. Увімкніть запис даних. Увімкніть електричне коло нагрівника і зразка. Коли значення температури зразка досягне 50-60°С, вимкніть запис даних.
5. У разі відсутності можливості проведення експерименту завантажте дані вимірювань з ресурсу.

Аналіз даних

1. Для аналізу отриманих даних у наведеному експерименті використовується програма Phywe measure 4 версія 6.13 (https://repository.curriculab.net/files/software/setupm_version_4613.exe). Файл даних має бути отриманий або відкритий у цій програмі.
2. У графічному вікні розташовані три графіки. Оберіть табличне представлення інформації, натиснувши у верхньому меню кнопку Таблиця даних  .
3. Скопіюйте дані таблиці в буфер та перенесіть їх у математичні таблиці.

Рис. 2. Зовнішній вигляд екрану з графіками струму, напруги і температури

4. Використовуючи інструменти математичних таблиць, перерахуйте температуру в шкалу абсолютних температур та побудуйте графік R(1/T).

5. Побудуйте лінію тренду як графік експоненціальної функції та визначте значення показника.

6. За виразом (1) розрахуйте енергію активації, що дорівнює ширині забороненої зони.

7. Використовуючи вираз (2), запишіть рівняння для коефіцієнта питомого опору напівпровідника.

8. Проаналізуйте впливові фактори, що визначають похибку вимірювань, та сформулюйте висновок до роботи.