Лабораторная работа № 7 Изучение температурной зависимости электросопротивление металлов и полупроводников.

Цель работы: 1. Исследовать зависимость сопротивления металлического образца от температуры и определить термический коэффициент сопротивления.

2.Исследовать зависимость сопротивления полупроводникового образца от температуры и определить энергию активации

Основные .Указания

Для выполнения данной работы студентам необходимо детально ознакомиться с теорией электропроводности кристаллов

Особое внимание следует обратить на различие величины удельной электропроводимости ; у металлов , у полупроводников у диэлектриков .

Важно помнить, что качественное объяснение такого широкого спектра изменения величины удельной электропроводимости различных кристаллических тел заключается в следующем. Энергетический спектр электронов в кристалле имеет зонную структуру, т.е. области разрешенных значений энергий разделены интервалами запрещенных энергий. Последнюю, заполненную полностью или частично, зону называют валентной (В.З.) , выше валентной имеется полностью свободная от электронов зона, которую называют зоной проводимости (3.Пр.) (Рис.1).

Движение электронов в кристалле сопровождается процессом его перехода из одного квантового состояния в другое. В металлах такие переходы осуществляются при любой температуре. В диэлектриках и полупроводниках при T=O такие переходы невозможны, т.к. валентная энергетическая зона заполнена полностью, При повышении температуры электроны получают дополнительную энергию и могут перейти из валентной зоны в зону проводимости. Ширина запрещенной зоны (3.3.) ; называется энергией активации.

Следует иметь в виду, что электрический ток в полупроводниках обусловлен одновременным переходом электронов и в зоне проводимости, и в валентной зоне. При перемещении электронов валентной зоны вверх по шкале энергий освобождающийся энергетический уровень движется вниз. Такой уровень отождествляется с фиктивной частицей - дыркой, которая имеет заряд, равный по величине заряду электрона, но противоположного знака.

Для металлов температурная зависимость удельной электропроводимости , где е- заряд электрона, n. - концентрация электронов, определяется зависимостью подвижности электронов

от средней длины свободного пробега , т.к. число свободных электронов и их скорость v не зависят от температуры.

Необходимо помнить, что вероятность рассеяния электронов пропорциональна числу фотонов, которое при температурах выше температуры Дебая пропорционально температуре. Поэтому средняя длина свободного пробега с ростом температуры уменьшается, подвижность электронов падает, а сопротивление растет

,

где - сопротивление образца при 0°С; - термический коэффициент сопротивления.

Следует знать, что в полупроводниках от температуры зависят: число электронов и дырок , длина свободного пробега и скорость движения .электронов .

Окончательно

Здесь - постоянная Больцмана.

2. Приборы и принадлежности, схема опыта

Образцы металла и полупроводника; прибор для измерения сопротивления-вольтметр B7-I6; нагреватель; термопары для измерения температуры; вольтметр универсальный В7-21А для измерения термоэдс.

Схема измерительной установки представлена на рис.2.

К образцам металла 3 и полупроводника 8 приклеены термопары 2 и 7, позволяющие с помощью вольтметра 6 измерять их температуру. Сопротивление образцов измеряется универсальным вольтметром I. Два реле 5 и 10 позволяют фиксировать сопротивление металла и полупроводника на вольтметра I при нажатых соответственно кнопках К2 и КЗ. При переводе переключателя KI в среднее положение измерение сопротивлений образцов производится при комнатной температуре. Положение "металл" переключателя KI включает нагреватель 4 образца металла. Это позволяет исследовать температурную зависимость сопротивления металлического образца. Подобным образом исследуется температурная зависимость сопротивления полупроводника за счет подогрева его нагревателем 9 при переводе К₁ в положение "полупроводник".

Вольтметр В7-21А позволяет в широком диапазоне измерить ЭДС термопары.