5. Экспериментальная установка.
В связи с тем, что сопротивление полупроводников и металлов сильно отличаются друг от друга, экспериментальная установка состоит из двух частей. Электрическая схема измерений для полупроводникового образца представлена на рис.6.
Рис.6. Схема установки для измерения электропроводности полупроводника.
Образец германия 1 имеет геометрические размеры: 20×10×1 мм3. Он закреплен на подложке и укреплен в измерительном модуле. Модуль через вход АС (alternatingcurrent- переменный ток) на задней стороне напрямую соединяется с выходом 12 В источника 2. Напряжение измеряется мультиметром 3, который подключается через два нижних гнезда на передней стороне модуля. Температура и ток отображаются на дисплее 4 модуля. Режим индикации дисплея устанавливается с помощью кнопки «Display». Ток через образец не должен превышать 30 мА. Нагрев образца начинается и прекращается при нажатии на кнопку «on/off» на задней стороне модуля. Стабилизации температуры не предусмотрено.
Электрическая схема для измерений электропроводности металла приведена на рис.7.
1
Рис.7. Схема установки для измерения электропроводности металла.
Здесь 1 - образец меди размерами 28 мм × 25.5 мм ×18 мкм; 2 - источник постоянного тока, обеспечивающий ток до 20 А; 3 - милливольтметр; 4 - амперметр; 5 - вспомогательный проводник в форме меандра, протекание тока через который приводит к нагреву образца; 6 - источник переменного тока, обеспечивающий ток через меандр; 7 - термопара с измерителем температуры.
6. Порядок выполнения работы
6.1 Измерения электропроводности полупроводника.
6.1.1. Ознакомление с приборами.
Убедиться, что собранная электрическая схема соответствует рис. 6.
Включить источник тока с помощью выключателя, находящегося на задней панели прибора. Убедиться, что на измерительном модуле загорелся индикаторный светодиод. Ознакомиться с имеющимися на передней панели модуля органами управления:
кнопка Ip–T– переключает дисплей модуля на индикацию тока через образецIpили температурыtº;
р
учка
- служит для управления током через
образец;
гнезда для измерения напряжения на образце Uрасположены в нижней части модуля.
Установить ток через образец Ipравным 0.
Включить цифровой мультиметр и ознакомиться с его органами управления. В мультиметре предусмотрено автоматическое отключение питания при длительном простое, в этом случае надо еще раз его включить.
6.1.2. Измерения электропроводности полупроводника
1) Измерить зависимость падения напряжения Uна образце от тока через образецIрпри комнатной температуре. Изменять ток от 0 до 30 мА с шагом 5 мА.
Табл.1.
-
Ip, мА
U, В
2). Измерить зависимость падения напряжения на образце от температуры при заданном значении тока (задается преподавателем в пределах от 5 до 30 мА). Предварительно необходимо нагреть образец до температуры 170 ºС, а данные снимать при охлаждении образца. Для этого:
а) переключить индикатор модуля на измерение температуры;
б) нажать кнопку «on/off» на задней панели модуля;
в) дождаться температуры 170 ºС.
г) выключить нагрев кнопкой «on/off».
е) измерения проводить от 170 ºС до 60 ºС с шагом 10 ºС, от 60 ºС до 40 ºС с шагом 5ºС, от 40 ºС до комнатной – с шагом 2 ºС. Данные занести в табл.2.
Табл.2.
-
tº, ºС
T,K
1/T, 10-3K-1
U, В
σ, (Ом·м)-1
lnσ
6.1.3. Обработка результатов
1) По результатам табл.1 построить зависимость IpотU. По наклону линии определить сопротивлениеR0, удельное сопротивление ρ0и удельную проводимость σ0образца при комнатной температуре. Определить погрешность этих величин.
2) Заполнить табл.2 , используя соотношение:
,
где площадь сечения образца S=10 мм2, длина образца ℓ=20 мм.
3) Построить зависимость падения напряжения на образце Uот температурыtº по данным табл.2.
4) Построить зависимость ln(σ) от обратной температуры 1/Т. По наклону высокотемпературной ветви графика рассчитать ширину запрещенной зоны образца:
tg(α)=Eg/(2k),
где Eg– ширина запрещенной зоны образца,k=1,38·10-23Дж/К=8,625·10-5эВ – постоянная Больцмана. Определить погрешность измерений.
6.2 Измерения электропроводности металла
6.2.1. Ознакомление с приборами. Амперметр встроен в источник постоянного тока 2. Изучить пределы измерений приборов. Проверить соответствие выбранного диапазона измерений напряжения и правильность подключения проводов к мультиметру..
6.2.2. Измерение электропроводности металла
1) Измерить и записать температуру в комнате.
2) Измерить зависимость падения напряжения Uна образце от тока через образецIпри комнатной температуре. Изменять ток от 0 до 18 А с шагом 1 А. Данные занести в табл.3.
Табл.3.
-
I, А
U, мВ
3) Измерить зависимость падения напряжения на образце от температуры при заданном значении тока (задается преподавателем в пределах от 5 до 15 А). Предварительно необходимо нагреть образец до температуры 110 ºС, а данные снимать при охлаждении образца. Для этого:
а) включить источник переменного тока на напряжение 6 В;
б) дождаться температуры 110 ºС;
в) выключить источник переменного тока 6;
г) измерения проводить от 110 ºС до комнатной температуры с шагом 10 ºС. Данные занести в табл.4.
Табл.4.
-
tº, ºС
T, K
1/T, 10-3K-1
U, В
σ, (Ом·м)-1
lnσ
ρ, Ом·м
λ, м
6.2.3. Обработка результатов
1) По результатам табл.3 построить зависимость IотU. По наклону линии определить сопротивлениеR0, удельное сопротивление ρ0и удельную проводимость σ0образца при комнатной температуре. Определить погрешность этих величин.
2) Заполнить табл.4 , используя соотношение:
,
где площадь сечения образца S= 25.5 мм ×18 мкм, длина образца ℓ = 28 мм.
3) Построить зависимость логарифма удельной проводимости ln(σ) от обратной температуры 1/Т. Сравнить с аналогичной зависимостью для полупроводника. Объяснить различия.
3) Построить зависимость удельного сопротивления металла ρ от температуры Tпо данным табл.4.
4) Проверить выполнение линейной зависимости ρ(T) в исследуемом диапазоне температур. Определить температурный коэффициент удельного сопротивления меди :
Сравнить со справочными данными.
5) Используя формулы (1) и (3) определить длину свободного пробега электрона в меди. Построить зависимость средней длины свободного пробега электрона в металле от температуры.