Исследование зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 8фкс

Страницы работы

Содержание работы

Министерство образования Российской Федерации

 Сибирский государственный индустриальный

Университет

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8фкс

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Общая физика"

Издание СибГИУ                                              Новокузнецк 2000

УДК 537.322 (07)

Исследование зависимости сопротивления металлов и полупроводпи' ков от температуры: Метод.указ./Сост.: ТВ. Ерилова, З.А. Маслов­ская, С.В. Коновалов.

В работе рассмотрены особенности температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников. Экспериментально оп­ределяются зависимости R от Т, рассчитываются температурные ко­эффициенты и энергия активации/

Работа предназначена для студентов всех специальностей.

Рецензент - кафедра физики металлов СибГИУ (зав. кафедрой Афанасьев В.К.)

Печатается по решению редакционно-издательского совета уни­верситета.

ТЕОРИЯ  ИССЛЕДУЕМОГО  ЯВЛЕНИЯ

Согласно классической теории электроны проводимости в ме­талле ведут себя подобно молекулам идеального газа. Если к участку проводника приложить разность потенциалов, то на хаотическое дви­жение электронов накладывается их упорядоченное движение. Элек­троны при этом сталкиваются с колеблющими ионами в узлах кри­сталлической решетки.

Современная теория учитывает волновые свойства электронов проводимости. Движение электронов сквозь решетку металла означа­ет распространение электронных волн. Взаимодействие этих волн с ионами решетки отличается от соударения электрона с узлом, которое рассматривалось в классической электронной теории. Электронные волны рассеиваются на ионах кристаллической решетки, колебания которых ангармоничны. В квантовой теории металлов показано, что если бы колебания узлов решетки были строго гармоническими и пе­риодичность решетки не нарушалась, то не происходило бы рассеяния электронных волн на ионах решетки, и сопротивление металлов при любой температуре было бы равно нулю [I].

С повышением температуры возрастает рассеяние электронных волн на тепловых колебаниях решетки и уменьшается средний сво­бодный пробег электронов, и поэтому сопротивление проводника рас­тет.

Приближенно зависимость сопротивления от температуры можно считать линейной:

Rt = R0×(1+a×t),                                                                     (1)

где t°С - температура среды;

Rt - сопротивление проводника при температуре t;

a - температурный коэффициент сопротивления, завися­щий от материала проводника, R0 - сопротивление проводника при 0°С.

Температурный коэффициент сопротивления определяется как относительное изменение сопротивления проводника при изменении его температуры на 1°С. Строго говоря, a зависит от температуры. Поэтому из уравнения (1) можно определить лишь среднее значение а в температурном интервале от 0 до t °С.

Полупроводники - класс веществ, удельные сопротивления которых изменяются в широких пределах и в сильной степени умень­шаются с увеличением температуры.

Это материалы, удельная проводимость s которых имеет про­межуточные значения между проводимостями металлов и диэлектри­ков. Проводимость материала обратно пропорциональна сопротивлению: ~

Зонная структура полупроводников такова, что при абсолют­ном нуле температуры валентная зона у них заселена полностью (рис. 1), а зона проводимости свободна. Их разделяет запрещенная энерге­тическая зона шириной порядка 1 эВ.

Электроны в полупроводниках связаны с атомами энергией связи порядка DЕ.

С повышением температуры тепловое движение начинает раз­рывать связи электронов, и часть их становится свободными носите­лями зарядов. Энергия активации затрачивается на переброску элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости, а на их месте остают­ся положительно заряженные дырки.

Под действием внешнего электрического поля дырки переме­щаются как положительные заряды. И дырки и электроны участвуют в переносе заряда, при этом полупроводник становится проводником.

К полупроводникам относятся кремний, германий, селен и многие окислы металлов.


В состоянии термодинамического равновесия число электро­нов N1 перебрасываемых из валентной зоны в зону проводимости, подчиняется распределению Больцмана

                                                                      (2)

где А= const, DE - энергия активации полупроводника, k - по­стоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

По типу проводимости полупроводники делятся на электрон­ные (n-типа), у которых основными носителями являются электроны, дырочные (р-типа), у которых основными носителями являются дыр­ки, и смешанные. Вводя в полупроводник соответствующую примесь, можно получить тот или иной тип полупроводника. Если к 4-х ва­лентному Ge добавить 5-ти валентный мышьяк As, то 4 из 5 его ва­лентных электронов образуют с соседними атомами германия ковалентные связи, а 5-ый электрон оказывается «лишним», свободным. Мышьяк становится донором, он будет отдавать в объем полупровод­ника избыточные электроны и создает электронную проводимость, Атомы 3-ей группы (In, В) - акцепторы в Ge и Si. Они захватывают один из валентных электронов у Ge или Si в дополнение к своим 3-м электронам и превращаются в отрицательно заряженный ион. В месте захваченного электрона остается "+" заряженная дырка. Эти дырки являются свободными носителями заряда.

Электрическое сопротивление полупроводников при нагрева­нии уменьшается. Зависимость сопротивления К полупроводников от температуры Т в определенных температурных интервалах описыва­ется выражением:

,                                                                 (3)

где А - константа, k - постоянная Больцмана, DЕ - энергия активации.

С повышением температуры электропроводность полупровод­ников возрастает, так как число электронов, переходящих из валент­ной зоны в зону проводимости увеличивается, и, следовательно, уве­личивается и число дырок в валентной зоне (см. рис. 2).

Уменьшение сопротивления с возрастанием температуры мож­но объяснить быстрым увеличением количества носителей тока, т.е. концентрации свободных электронов и медленным уменьшением их подвижности.

Характерным свойством полупроводников является наличие у них отрицательного температурного коэффициента сопротивления.

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Физика
Тип:
Методические указания и пособия
Размер файла:
134 Kb
Скачали:
0