Лабораторная работа №9 изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников

Цель работы: экспериментальное изучение поведения электрического сопротивления металлов и полупроводников в температурном интервале 300-380К.

Приборы и принадлежности: лабораторный макет, температурная ячейка, понижающий трансформатор, вольтметр переменного тока тип 434321, цифровой омметр, термометр, образцы.

1. Краткая теория

С точки зрения электрических свойств твердые тела делятся на три класса: металлы, полупроводники и диэлектрики. Одним из основных критериев этой классификации является величина удельного сопротивления материала ρ. У металлов она составляет 10^-8…10^-6 Ом·м, у диэлектриков превышает 10¹² Ом·м. Вещества с удельным сопротивлением от 10^-6 до 10¹² Ом·м относятся к полупроводникам. Важно отметить, что удельное сопротивление не является однозначным критерием для деления на металлы, полупроводники и диэлектрики, а указанные рамки являются условными. В каждом классе существует свой комплекс физических свойств, в частности имеет место принципиальное различие в зависимости величины удельного сопротивления от температуры. Анализ зависимостей ρ(T) на примере металлов и полупроводников и будет выполнен в рамках данной работы.

Для характеристики электрических свойств материалов существует еще одна величина – электропроводность σ. Связь удельного сопротивления и электропроводности дается формулой:

. (9.1)

1. Электрическое сопротивление металлов

Все металлы характеризуются высокой электропроводностью, которая составляет 10⁶-10⁸ Ом^-1·м^-1. Причина этого кроется в специфических условиях связи валентных электроном атомов металла с его ядром. При образовании кристаллической решетки валентные электроны отрываются от своих атомов и начинают свободно перемещаться по всему объему металла (свободные электроны). Важно отметить, что отрыв валентных электронов происходит без какого-либо внешнего воздействия на них. Концентрация свободных электронов n будет определяться концентрацией атомов металла и степенью ионизации. Для одновалентного металла концентрация электронов может быть определена как:

(9.2) где D – плотность металла, M- молярная масса, N_A – число Авогадро.

Согласно классической электронной теории металлов Друде-Лоренца (Drude-Lorentz), свободные электроны ведут себя подобно молекулам идеального газа. Характер их теплового движения хаотичный, в процессе своего движения электроны испытывают многочисленные столкновения с ионами кристаллической решетки. Эти столкновения приводят к установлению теплового равновесия между электронным газом и кристаллической решеткой. Для невырожденного электронного средняя скорость теплового движения электронов вычисляется по известной формуле молекулярно-кинетической теории газов:

, (9.3),

где k – постоянная Больцмана, T –температура в градусах Кельвина, m – масса электрона.

При включении электрического поля E на свободные электроны действует внешняя сила eE, которая упорядочивает их движение (в этой работе в силу одномерности задачи все записи сделаны в скалярной форме). Электроны приобретают дрейфовую скорость V_D, направление которой определяется внешним полем. Она намного меньше скорости теплового хаотического движения электронов, но именно дрейфовая скорость определяет силу тока в проводнике. Дрейфовая скорость – это средняя скорость направленного движения носителей заряда.

На своем пути электроны испытывают столкновения с ионами решетки. На протяжении длины свободного пробега λ электрон движется ускоренно и увеличивает свою кинетическую энергию. В момент столкновения с ионом часть кинетической энергии теряется. Каждый свободный электрон претерпевает на своем пути большое число столкновений с ионами кристаллической решетки, при каждом столкновении скорость по направлению движения резко снижается. Эти явления, «мешающие» движению носителей заряда, обуславливают существование в каждом проводнике электрического сопротивления R. Если проводник имеет форму цилиндра или прямоугольника с длиной l и поперечным сечением S, то связь между R и ρ определяется формулой:

(9.4)