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 (alternating current - 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 образец Ip или температуры tº;
р
учка
- служит для управления током через
образец;
гнезда для измерения напряжения на образце U расположены в нижней части модуля.
Установить ток через образец Ip равным 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 U на образце от тока через образец Iр при 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 Ip от U. По наклону линии определить сопротивление R0, удельное сопротивление ρ0 и удельную проводимость σ0 образца 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 U от температуры tº 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=1,38·10-23 Дж/К=8,625·10-5 эВ – 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 U на образце от тока через образец I при 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 I от U. По наклону линии определить сопротивление R0, удельное сопротивление ρ0 и удельную проводимость σ0 образца 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 T по 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.