Marcin Sikora
Wydział : Mechaniczny
Kierunek : Automatyka i Robotyka
Rok : II
Data ćwiczenia: 5.III.98
Prowadząca : dr L. Lewowska
Ćwiczenie 44
Temat: POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW
OD TEMPERATURY
Ciała stałe ze względu na ich właściwości elektryczne można podzielić na trzy grupy :
przewodniki, półprzewodniki i dielektryki ( izolatory ) . Do półprzewodników należą
ciała, których przewodność właściwa jest mniejsza od przewodności dobrych przewodników ,ale znacznie większa od przewodności dielektryków . Przewodność
właściwa półprzewodników mieści się w bardzo szerokich granicach . Do najważniejszych
półprzewodników należą krzem, german i arsenek galu . W półprzewodnikach w temp.
zera bezwzględnego pasmo walencyjne jest całkowicie zajęte elektronami , a pasmo
przewodnictwa całkowicie puste. Ze wzrostem temperatury w paśmie przewodnictwa
pojawiają się elektrony , a w paśmie walencyjnym puste miejsca po elektronach tzw.dziury.
Dziury pod wpływem pól zewnętrznych zachowuję się jak dodatnio naładowane cząstki, czyli w półprzewodniku mamy jednocześnie prąd elektronów i dziur . Półprzewodnik może
być półprzewodnikiem samoistnym ( ilość dziur w paśmie walencyjnym równa jest ilości
elektronów w paśmie pólprzewodnictwa ) albo półprzewodnikiem domieszkowym
( przewaga elektronów w paśmie półprzewodnictwa - typ n ; przewaga dziur w paśmie
walencyjnym - typ p ).
W metalach , gdzie swobodnymi nośnikami ładunku są elektrony nie zapełnionego pasma
przewodnictwa , przewodność właściwa wyraża się wzorem σ=enun .
Koncentracja swobodnych nośników n w metalach ,w odróżnieniu od półprzewodników,
nie zależy od temperatury i jest rzedu koncentracji atomów . Koncentracja swobodnych
nośników w metalach jest o kilka rzędów większa niż w półprzewodnikach , dlatego
znacznie większa jest przewodność metali . Ruchliwość swobodnych nośników ładunku un
ustala się w warunkach równowagi , gdy średni przyrost prędkości unoszenia νn wywołany
działaniem siły pola elektrycznego jest równoważony ubytkiem tej przedkości wywołanym
procesami rozproszeniowymi . Przyczyną rozproszenia fali elektronowej są wszelkie
odstępstwa od periodyczności energii potencjalnej elektronu w krysztale .
W metelach można wyróżnić dwa podstawowe mechanizmy rozpraszania .
W zakresie wysokich temperatur decydujące jest rozpraszanie swobodnych nośników ,
związane z drganiami cieplnymi atomów , rozmieszczonych w węzłach periodycznej sieci
krystalograficznej . Ze wzrostem temperatury zwiększa się amplituda drgań sieci i przekrój
czynny na rozpraszanie .Ze wzrostem temp. maleje ruchliwość i przewodność metali ,
zwiększa się ich oporność .
1) Układ pomiarowy
K - komora pomiarowa Rm - opór metalowy
G - grzejnik Rs - opór półprzewodnikowy
T - termometr Atr- autotransformator
Tr - transformator ochronny M - mierniki oporności
W komorze pomiarowej K znajduje się walec miedziany, we wnękach którego
umieszczone są opory ( rezystory ) - metalowy Rm i półprzewodnikowy Rs, termometr T
oraz grzejnik G. Dzięki dobremu przewodnictwu cieplnemu miedzi temperatura wnętrz walca jest w przybliżeniu jednakowa. Grzejnik zasilany jest z autotransformatora Atr przez
transformator ochronny Tr, obniżający napięcie. Oporność mierzy się za pomocą
multimetrów M1 i M2. Pomiarów dokonujemy w zakresie od 20 °C do 90 °C.
2) Tabela wyników
Temperatura ( °C ) |
Opór rezystora półprzewod. ( Ω ) |
Opór rezystora metalowego ( kΩ ) |
||
|
Grzanie |
Chłodzenie |
Grzanie |
Chłodzenie |
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 |
12.23 10.07 8.11 6.58 5.33 4.23 3.49 2.88 2.45 1.98 1.61 1.35 1.13 0.96 0.81 |
13.30 11.35 9.54 7.99 6.50 5.29 3.72 3.08 2.54 2.11 1.77 1.44 1.21 1.01 0.81 |
108.2 110.2 112.1 114.1 116.1 118.5 120.5 122.5 124.5 126.5 128.9 130.9 132.9 134.9 136.9 |
107.5 108.8 110.5 112.2 114.2 116.5 119.8 121.8 123.8 125.8 127.8 129.9 131.9 134.9 136.9 |
4) Obliczenia
a) Przerwa energetyczna półprzewodnika
Dane : T1 = 45° C Rs1 = 2.45 Ω
T2 = 60° C Rs2 = 4.23 Ω
b) Temperaturowy współczynnik oporności
Temperatura ( °C ) |
Współczynnik oporności |
|
|
Grzanie |
Chłodzenie |
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Wartość średnia |
0.0036 0.0036 0.0036 0.0036 0.0038 0.0037 0.0037 0.0037 0.0037 0.0036 0.0038 0.0038 0.0037 0.0037
0.0036 |
0.0026 0.0028 0.0029 0.0031 0.0033 0.0038 0.0038 0.0038 0.0038 0.0037 0.0038 0.0038 0.0038 0.0039
0.0034 |
α = 0.0035
Δα = 0.01
5) Wnioski
Na podstawie wykresu R = f(T) można stwierdzić, że rezystancja metalu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury. W zakresie wysokich temperatur, w mało zanieczyszczonych metalach zależność ta jest w przybliżeniu liniowa. Ponieważ koncentracja swobodnych nośników w metalach nie zależy od temperatury a jej wzrost powoduje drgania cieplne atomów przeszkadzające ruchowi elektronów to wraz ze wzrostem temperatury obserwujemy spadek ruchliwości elektronów i konduktancji metalu, prowadzący do zwiększenia się rezystancji.
Różnica miedzy wynikami odczytanymi podczas ogrzewania są dokładniejsze ,gdyż ciało nagrzewało się powoli i następowała stabilizacja stanu równowagi cieplej. Podczas schładzania ciała zbyt szybko włączono wentylator ( temperatura spadała zbyt szybko ). Stad wynika pewna rozbieżność między przebiegiem wykresów.
4
Wyszukiwarka