При изучении проводимости металлов удобны образцы, изготовленные в виде спирали из проволоки диаметром (0,1 ... 0,2) мм. Материал проволоки для образца предлагает студенту преподаватель. Длина отрезка проволоки подбирается так, чтобы при комнатной температуре его электрическое сопротивление попадало в диапазон значений (2 ... 10) Ом. При изучении проводимости полупроводников удобны резисторы промышленного типа, обладающие при комнатной температуре сопротивлением порядка (1 … 3) кОм. Грубый контроль исходного электрического сопротивления как металлических, так и полупроводниковых резисторов (образцов) производится с помощью стандартного универсального цифрового электроизмерительного прибора (мультиметра, тестера) переносного типа.
Для исследования металлических образцов вполне пригодна измерительная схема, показанная на рис. 5.1.1. Образец в ней подключается к источнику внешнего напряжения U через большое добавочное сопротивление Rдоб, удовлетворяющее условию R(T) <<< Rдоб. Сопротивление металлов и их сплавов при снижении температуры всегда уменьшается, причем практически по линейному закону. Поэтому условие R(T) <<< Rдоб, выдержанное при комнатной температуре, выполняется и в области низких температур, так как все элементы электрической схемы, за исключением образца, находятся в течение всего исследования при комнатной температуре.
Для изучения полупроводников удобней использовать схему, показанную на рис. 5.1.2.
 |
Рис. 1.4.2. Схема измерения электрического сопротивления R(T) полупроводников.
Механизм электропроводности в полупроводниках, как известно, принципиально отличается от механизма электропроводности в металлах. Внешне это проявляется в том, что их сопротивление по мере снижения температуры не уменьшается (как у металлов), а резко увеличивается, стремясь к бесконечности. По этой причине в области низких температур показанная на рис. 5.1.1 электрическая схема для полупроводников практически не пригодна. Вторая схема отличается от первой только тем, что АЦП регистрирует падение напряжения на термисторе, который шунтирован обычным резистором. Шунт находится в опыте при комнатной температуре, поэтому сохраняет постоянное сопротивление Rш. Сопротивление шунта подбирается таким, чтобы в опыте выполнялось условие Rш <<< Rдоб.
Электрическое сопротивление R(T) микротермистора вычисляется по формуле (студент должен обосновать эту формулу самостоятельно)
.
(5.1.5)
В процессе обработки результатов опытов студент должен получить интерполяционные функции R(T) для металлического и полупроводникового образцов. При выборе структуры искомой функции полупроводника можно учитывать, что по представлениям квантовой физики у собственных полупроводников (термисторы обычно являются ими) электрическое сопротивление связано с температурой экспоненциальной функцией вида
,
(5.1.6)
где DЕ – ширина запрещенной энергетической зоны полупроводника. Следовательно, студент получает возможность найти ее значение.
5.2. Основные этапы измерений.
1. Изучение электрического сопротивления R(Т) металлов.
В процессе опыта студент должен произвести комплекс последовательных операций:
– получить у лаборанта образец проволочного резистора (у него должны быть известными длина провода и его диаметр) образцовую термопару; подключить резистор к гнезду 5 блока "холодных спаев", а к гнезду 1 – образцовую термопару;
– подготовить к работе стенд и установить в контроллере исходные параметры опыта – номер работы, свой номер, шаг записи показаний (обычно 5 с), общее число шагов в опыте (обычно 200);
– залить в свободный сосуд-термостат жидкий азот и закрыть его крышкой;
– выбрать пригодный для опыта дюралевый цилиндрик, вставить в его отверстия образцовую термопару и термометр сопротивления;
– опустить цилиндрик в гнездо тепловой ячейки;
– включить в контроллере операцию "режим опыта" и быстро опустить собранную тепловую ячейку в отверстие крышки сосуда с жидким азотом;
– следить на экране контроллера за изменением температуры охлаждаемого образца;
– после завершения примерно 100 замеров быстро перенести тепловую ячейку с образцом в сосуд с дюралевым ядром;
– следить по экрану контроллера за процессом нагрева образца и дождаться окончания опыта;
– вынуть из сосуда ячейку с образцом и передать результаты измерений в базовый компьютер.
2. Изучение электрического сопротивления R(Т) полупроводников.
При проведении опыта с полупроводниковым резистором студент должен практически полностью повторить все операции предыдущего опыта. Образец полупроводникового резистора выдает лаборант. Резистор следует подключать к одному из гнезд 7, 8 блока "холодных спаев". Температура регистрируется, как и прежде, образцовой термопарой.
При исследовании полупроводникового резистора (термистора) последовательно повторяются те же операции, что и в опыте с металлическим резистором.
Протоколы измерений студент получает от преподавателя и в дальнейшем самостоятельно производит их обработку. Обработка сводится к определению интерполяционных полиномов для сопротивления R(Т) образцов. Если у металлического резистора известна длина и диаметр проводника, то от полинома R(Т) следует перейти к полиному r(Т), используя соответствующее соотношение в (5.1.1). В отчет включаются экспериментальные графики и интерполяционные полиномы.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.