- •Изучение температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников и металлов.
- •Зона проводимости
- •Валентная зона
- •Порядок выполнения работы
- •I. Температурная зависимость сопротивления полупроводников.
- •II. Температурная зависимость сопротивления металлов.
- •Контрольные вопросы
- •Список литературы
- •Учебно-методическое издание
Работа №408
Изучение температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников и металлов.
Цель работы.Изучить зависимость электросопротивления полупроводников и металлов от температуры.
Приборы и принадлежности. Лабораторная установка ФПК-07. Блок-схема установки приведена на рис. 1.
1 – блок с образцами, 2 – измерительный блок.
Рис. 1.
ВВЕДЕНИЕ.
Плотность тока в проводнике равна произведению удельной электрической проводимости металла на напряженность электрического поля:
. (1)
Выражение (1) – закон Ома в дифференциальной форме, связывающей плотность тока в любой точки внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой точке. В выражении (1) величина
,
обратная удельному сопротивлению , равна для электронных проводников и, в частности, для металлов
(2)
где - заряд электрона,- концентрация электронов,- масса электрона,- время релаксации электронного газа к равновесному состоянию.
Из выражения (2) следует, что проводимость материала тем выше, чем больше концентрация свободных электронов. В металлах концентрация свободных электронов остается постоянной с изменением температуры и других видов воздействия. Зависимость проводимости от температуры определяется уменьшениемс увеличением температуры. Действительно,
, (3)
где - средняя длинна свободного пробега электрона (для металлов), а- средняя скорость теплового движения электронов.
Там как согласно экспериментальным данным
,
а для классического электронного газа
,
откуда получаем
. (4)
Следовательно, в случае классической физикисопротивление металла должно изменяться не линейно, как показывают эксперименты, а по закону
Типичная экспериментальная зависимость сопротивления металлов от температуры представлена на рис.2.
R
Rост
Т
Рис.2
На рис.2 видно, что в широком диапазоне температур сопротивление металлов линейно растет с ростом температуры. Увеличение величины сопротивления Rобъясняется тем, что с ростом температуры Т амплитуда тепловых колебаний кристаллической решетки увеличивается, и столкновение электронов с решеткой происходят чаще. Наличие остаточного нулевого сопротивленияRоств области низких температур связано с наличием дефектов и примесей, искажающих кристаллическую структуру материала.
Таким образом, классическая физика дает для металлов неправильную температурную зависимость R(T).Линейная зависимость может быть объяснена только с использованием моделивырожденного или квантового электронного газав рамкахквантовой физики.
Величина температурного коэффициента сопротивления
для большинства металлов составляет . Для чистых (беспримесных) металлов величина температурного коэффициента близка к значению.
Линейная зависимость сопротивления металлов от температуры позволяет реализовывать на их основе проволочные измерители температур в широком температурном диапазоне.
Наибольшие значения достигаются в полупроводниковых материалах, что связано с резкой температурной зависимостью концентрации свободных носителей:
,
однако сама температурная зависимость R(T) имеет нелинейный характер. Кроме того, диапазон изменяемых температур в случаеполупроводниковых терморезистороввесьма ограничен.
Полупроводники– это большой класс веществ, сопротивление которых изменяется в широких пределах и в очень сильной степени зависит от температуры (по экспоненциальному закону). Электропроводимостьнелегированного (собственного) проводника называетсясобственной проводимостью. Электронная проводимость (проводимость п-типа)возникает при тепловом переходе электронов извалентной зонывзону проводимости(рис.2)