СМЫСЛ
Онлайн помощь студентам
Как зависит сопротивление полупроводников от температуры?
Лабораторная по физике.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
- Провести исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры.
- Определить энергию активации.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры положена в основу работы многих технических устройств. Полупроводниковый прибор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от температуры, называется термистором (терморезистором, термо-сопротивлением). Главные параметры термисторов – диапазон рабочих температур и температурный коэффициент сопротивления. Различают термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и с положительным коэффициентом сопротивления (позисторы). Диапазон рабочих температур большинства термисторов лежит в пределах 200-400 K.
Для изготовления термисторов используют смеси окислов металлов, германий, кремний, карбид кремния, синтетический алмаз, твёрдые растворы на основе титаната бария (легированные лантаном, церием, висмутом), органические полупроводники и т. д. Термисторы выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок. Размеры их варьируют от нескольких микрометров до нескольких сантиметров. Термисторы применяются для регистрации изменения температуры в системах дистанционного измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации и теплового контроля, температурной компенсации различных элементов электрической цепи, измерения скорости движения жидкостей и газов, измерения вакуума, мощности и др.
Полупроводники – это широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельного сопротивления r, промежуточными между удельным сопротивлением металлов (r~10-8¸10-6 Ом×м) и хороших диэлектриков (r~10-12¸10-14 Ом×м). Характерной особенностью полупроводников, отличающих их от металлов, является уменьшение их сопротивления с ростом температуры. В широком интервале температур сопротивление полупроводников изменяется по закону:
R = A*Exp(Eg/2kT) (27)
где Eg – энергия активации или ширина запрещённой зоны, её значение может быть равным от сотых долей электрон вольт (эВ) до 2-3 эВ; А – коэффициент слабо зависящий от температуры, k – постоянная Больцмана.
Формула (27) показывает, что для валентных электронов в полупроводнике энергия связи с атомами порядка Eg. С увеличением температуры часть электронов, пропорциональная Exp(Eg/2kT), становится свободной и участвует в создании тока проводимости. Связь электронов с атомами может быть разорвана и другими воздействиями на них: электрическим полем, облучением светом или более жёстким электромагнитным излучением.
Все полупроводники можно разбить на две группы:
1. чистые (собственные, беспримесные или полупроводники i-типа) – это полупроводники, состоящие из атомов одного сорта;
2. примесные (легированные) – в них часть атомов собственного полупроводника заменяется на атомы другого вещества (полупроводника).
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры положена в основу работы многих технических устройств. Полупроводниковый прибор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от температуры, называется термистором (терморезистором, термо-сопротивлением). Главные параметры термисторов – диапазон рабочих температур и температурный коэффициент сопротивления. Различают термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и с положительным коэффициентом сопротивления (позисторы). Диапазон рабочих температур большинства термисторов лежит в пределах 200-400 K.
Для изготовления термисторов используют смеси окислов металлов, германий, кремний, карбид кремния, синтетический алмаз, твёрдые растворы на основе титаната бария (легированные лантаном, церием, висмутом), органические полупроводники и т. д. Термисторы выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок. Размеры их варьируют от нескольких микрометров до нескольких сантиметров. Термисторы применяются для регистрации изменения температуры в системах дистанционного измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации и теплового контроля, температурной компенсации различных элементов электрической цепи, измерения скорости движения жидкостей и газов, измерения вакуума, мощности и др.
Полупроводники – это широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельного сопротивления r, промежуточными между удельным сопротивлением металлов (r~10-8¸10-6 Ом×м) и хороших диэлектриков (r~10-12¸10-14 Ом×м). Характерной особенностью полупроводников, отличающих их от металлов, является уменьшение их сопротивления с ростом температуры. В широком интервале температур сопротивление полупроводников изменяется по закону:
R = A*Exp(Eg/2kT) (27)
где Eg – энергия активации или ширина запрещённой зоны, её значение может быть равным от сотых долей электрон вольт (эВ) до 2-3 эВ; А – коэффициент слабо зависящий от температуры, k – постоянная Больцмана.
Формула (27) показывает, что для валентных электронов в полупроводнике энергия связи с атомами порядка Eg. С увеличением температуры часть электронов, пропорциональная Exp(Eg/2kT), становится свободной и участвует в создании тока проводимости. Связь электронов с атомами может быть разорвана и другими воздействиями на них: электрическим полем, облучением светом или более жёстким электромагнитным излучением.
Все полупроводники можно разбить на две группы:
1. чистые (собственные, беспримесные или полупроводники i-типа) – это полупроводники, состоящие из атомов одного сорта;
2. примесные (легированные) – в них часть атомов собственного полупроводника заменяется на атомы другого вещества (полупроводника).
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Схема установки и порядок проведения эксперимента те же, как и в работе. Сопротивление полупроводника измеряется здесь с помощью осциллографа С1-112
Схема установки и порядок проведения эксперимента те же, как и в работе. Сопротивление полупроводника измеряется здесь с помощью осциллографа С1-112
Рисунок 1.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1.Проведём измерения сопротивления металлического проводника при комнатной температуре и выше через 4-5 градусов. Результаты измерений представлены в таблице 2.
1.Проведём измерения сопротивления металлического проводника при комнатной температуре и выше через 4-5 градусов. Результаты измерений представлены в таблице 2.
Таблица 2.
№ | t °С | RП/Пн, Ом | RП/Похл, Ом | 1/T | LnRП/Пн | LnRП/Похл |
1 | 25 | 1,256 | 1,179 | 0,003355705 | 0,22793207 | 0,16466662 |
2 | 30 | 1,185 | 1,03 | 0,00330033 | 0,16974277 | 0,0295588 |
3 | 35 | 1,05 | 0,9 | 0,003246753 | 0,04879016 | -0,10536052 |
4 | 40 | 0,925 | 0,765 | 0,003194888 | -0,0779615 | -0,26787945 |
5 | 45 | 0,8 | 0,615 | 0,003144654 | -0,2231436 | -0,48613301 |
6 | 50 | 0,715 | 0,515 | 0,003095975 | -0,3354727 | -0,66358838 |
7 | 55 | 0,625 | 0,475 | 0,00304878 | -0,4700036 | -0,74444047 |
8 | 60 | 0,555 | 0,436 | 0,003003003 | -0,5887872 | -0,83011304 |
9 | 65 | 0,495 | 0,465 | 0,00295858 | -0,7031975 | -0,76571787 |
По экспериментальным данным строим график зависимости откладывая по всем осям значения LnR и 1/T. Линейный характер полученной зависимости свидетельствует об экспоненциальном законе спадения сопротивления с увеличением температуры.
Рисунок 3. Зависимость сопротивления от температуры.
2.Значение энергии Eg определим из формулы (27), логарифмируя её:
LnR = LnA + Eg/2kT
Вводим новые переменные:
LnR = y, 1/T=x, lnA=b, Eg/2kT = a.
Получим зависимость: y = a*x + b
Находим значение а:
(-7,9221-8,8926)/2= - 8,40735
Определяем значение энергии активации:
Eg = 2kT*a = - 8,40735*2*273*1.38*10-23= -6.633477* 10-20 Дж = -0.4 эВ.
Вывод: значение энергии активации составляет 0,4 эВ.
LnR = LnA + Eg/2kT
Вводим новые переменные:
LnR = y, 1/T=x, lnA=b, Eg/2kT = a.
Получим зависимость: y = a*x + b
Находим значение а:
(-7,9221-8,8926)/2= - 8,40735
Определяем значение энергии активации:
Eg = 2kT*a = - 8,40735*2*273*1.38*10-23= -6.633477* 10-20 Дж = -0.4 эВ.
Вывод: значение энергии активации составляет 0,4 эВ.
Заявка на услуги
Укажите наиболее удобный для ВАС способ связи
и с Вами свяжутся в ближайшее время
и с Вами свяжутся в ближайшее время
Нажимая на кнопку, Вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями.
- Имя - "" (имя переменной не требуется)
- Поле в одну строку - myvk
- Телефон - myphone
- Телефон - mywhatsapp
- Поле в одну строку - mytelegram
- E-mail - myemail
Вконтакте
Телефон
WhatsApp
Telegram
E-mail
