Лабораторные работы №1,2,3,6,7,8 / мээт-1

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Кафедра Микроэлектроники.

Отчёт по лабораторной работе № 1.

Выполнил: Комиссаров С.С. гр. 9221

2000 г.

Исследование электрических свойств проводниковых материалов.

Основные понятия и определения.

Проводниковыми называются материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. К основным характеристикам проводниковых материалов относят: удельное сопротивление - , температурный коэффициент удельного сопротивления - _, удельную термоэлектродвижущую силу (термоЭДС) - _Т.

Наилучшими проводниками электрического тока являются металлы. Удельное сопротивление металлов может быть выражено следующим образом: , где m, e – масса и заряд электрона, – средняя скорость теплового движения, n₀ – концентрация свободных электронов, – средняя длина свободного пробега.

Электронный газ в металлах находится в вырожденном состоянии. Поэтому концентрация электронов и средняя скорость их теплового движения слабо зависят от температуры. Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один Кельвин называется температурным коэффициентом удельного сопротивления:

В области линейной зависимости (Т) справедливо выражение: где ₀ и _ – удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления, отнесённые к температуре Т₀,  – удельное сопротивление при температуре Т.

Сплавы имеют повышенное удельное сопротивление по сравнению с входящими в их состав компонентами. Полное удельное сопротивление сплава , где _Т – сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов решётки, _ост – добавочное (остаточное) сопротивление связанное с рассеянием электронов на неоднородностях структуры сплава. Для многих двухкомпонентных сплавов изменение остаточного сопротивления от состава хорошо описывается зависимостью , где х_А и х_В – атомные доли компонентов в сплаве.

В микроэлектронике широко применяются в качестве различных элементов схем тонкие металлические плёнки. Для сравнительной оценки проводящих свойств плёнки пользуются сопротивлением квадрата поверхности , где  – удельное сопротивление слоя толщиной d. Этот параметр не зависит от размеров квадрата.

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов. Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующий замкнутую цепь, называют термопарой. В относительно небольшом температурном интервале термоЭДС пропорциональна разности температур контактов:

Описание установки.

Измерение сопротивления проводников и термоЭДС термопар производится с помощью ампервольтомметра Ф-30, постоянно подключенного к установке. Все исследуемы образцы расположены в корпусе установки, причём резисторы R₁, R₂, R₃ и один из спаев термопар помещены в термостат.

Проведение испытания.

Определение удельного сопротивления различных проводников при комнатной температуре.

Определяется сопротивление плёночных и проволочных резисторов. Результаты в таблице 1.

Определение температурных зависимостей сопротивления проводников и термоЭДС

термопар.

Измеряются значения резисторов при комнатной температуре, затем включается нагреватель и регулятор температуры устанавливается в первое положение. После стабилизации температуры производится измерение сопротивления резисторов и термоЭДС термопар. Затем с помощью регулятора температуры производится установка более высокой температуры. При каждом измерении фиксируется температура холодного спая термопары. Температурные зависимости приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 1. Размеры и тип элементов, сопротивление при комнатной температуре.

	Материал	R, Ом	Длина l, мм	Ширина b, мм	Толщина d , мм	,Ом
1	Плёночный	39,5	0,2	2,5	0,01	493
2	Плёночный	775	3,25	2	0,01	476
3	Плёночный	7591	9,5	0,6	0,01	479
				Диаметр, мм	, мкОм м
6	Манганин	64,1	1040	0,1	0,484
7	Медь	10,1	8300	0,13	0,0161
8	Нихром	3,1	900	0,7	1,32
9	Константан	199,6	1000	0,06	0,564
10	Никель	2,9	1500	0,25	0,0949

Таблица 2. Тип резисторов и термопар в термостате.

Резистор	Материал	Термопара	материал
R1	Никель	ТП-1	Медь-Железо
R2	Медь	ТП-2	Медь-Константан
R3	Константан	ТП-3	Медь-Манганин

Таблица 3. Температурная зависимость резисторов.

	Никель, R1		Медь, R2		Константан, R3
T,c	Rt, ом	,10-3K-1	Rt, ом	,10-3K-1	Rt,ом	,10-3K-1
20	19,6	6,53	27,7	3,35	31,0	0,00377
40	22,9	5,59	29,1	3,19	31,0	0,00377
60	25,5	5,02	31,4	2,96	31,0	0,00377
70	25,8	4,96	31,7	2,93	31,0	0,00377
80	26,4	4,85	32,4	2,87	31,0	0,00377
90	27,3	4,69	33,1	2,81	31,0	0,00377
100	28,6	4,48	34,0	2,74	30,9	0,00372
110	30,2	4,24	35,7	2,61	30,9	0,00372
120	31,7	4,04	37,3	2,49	30,9	0,00372
130	32,5	3,94	38,1	2,44	30,9	0,00372
140	33,7	3,80	39,1	2,38	30,9	0,00372
150	34,8	3,68	40,0	2,33	30,9	0,00372
160	36,0	3,63	40,7	2,29	30,9	0,00372
170	37,5	3,42	42,6	2,19	30,9	0,00372
180	38,6	3,32	42,7	2,18	30,9	0,00372
190	39,6	3,24	43,3	2,15	30,9	0,00372
200	41,8	3,07	44,5	2,09	30,9	0,00372
210	42,9	2,99	46,0	2,02	30,9	0,00372
220	43,5	2,95	46,0	2,02	30,9	0,00372
230	45,1	2,84	47,2	1,97	30,9	0,00372
240	47,8	2,68	49,0	1,90	30,9	0,00372
250	49,0	2,62	50,0	1,85	30,9	0,00372

Таблица 4. Температурная зависимость термоЭДС термопар.

tr,с	tх, c	t,c	ТП-1,.10мВ	ТП-2,.10мВ	ТП-3,.10мВ
24	110	86	2,97	3,43	0,07
25	130	105	3,63	4,43	0,08
26	150	124	4,10	5,39	0,09
26	180	154	4,91	6,45	0,10
28	200	172	5,35	7,55	0,12
30	240	210	6,04	9,38	0,12
31	250	219	6,24	9,87	0,12

Обработка результатов.

По данным таблицы 1 рассчитываются удельные сопротивления проволочных резисторов и сопротивления квадрата поверхности плёночных образцов.

По данным таблицы 3 строится график температурной зависимости сопротивления для исследованных материалов.

Рассчитать температурный коэффициент удельного сопротивления металлов и сплавов как , где _R и _l температурные коэффициенты сопротивления и линейного расширения соответственно. Температурный коэффициент сопротивления рассчитать по формуле , где R_T – сопротивление образца при данной температуре.

Значение коэффициентов линейного расширения имеют следующие значения: для меди - , никеля - , константана - .

По данным таблицы 3 построить зависимость _=f(T)

Построить температурную зависимость удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления от состава для сплава Cu-Ni.

Значения удельного сопротивления сплавов могут быть получены по приближённой формуле , где а=2,35 – постоянный коэффициент, x – содержание никеля в сплаве в относительных долях по массе.

Значения температурного коэффициента удельного сопротивления сплавов Cu-Ni при различных содержаниях никеля могут быть приближённо рассчитаны по формуле

xNi	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1
, мкОм м	0,0161	0,407	0,564	0,627	0,455	0,0949
,10-3K-1	3,35	0,409	0,0037	0,627	1,11	6,53

Построить температурную зависимость термоЭДС для термопар.

Вывод: