Министерство образования Российской Федерации
Университет
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8фкс
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
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.
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.
 |
(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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.