Wstęp teoretyczny do ćwiczeń laboratoryjnych numer 44:
Pomiar zależności oporności metali i półprzewodników od temperatury.
Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiarów:
zależności oporności elektrycznej metalu i półprzewodnika do temperatury
wyznaczenie temperaturowego współczynnika metalu
wyznaczenie przerwy energetycznej półprzewodnika
Według instrukcji podłączamy nasz układ, na którym wykonamy pomiary. Włączamy multimetry i autotransformator do sieci, następnie w temperaturze pokojowej mierzymy kilka razy rezystancję. Później podnosimy stopniowo napięcie zasilania grzejnika (przy pomocy autotransformatora), podwyższamy temperaturę kontrolując cały czas jej wartość za pomocą termometru. Wykonujemy pomiary rezystancji. Następnie te same pomiary robimy w obniżonej temperaturze. Zakres temperatury na której będziemy wykonywać ćwiczenie wynosi 20-90 oC. Mierząc zależność oporności od temperatury dla półprzewodnika wyznaczamy przerwę energetyczną.
Ciała stałe posiadają właściwości elektryczne, możemy je podzielić na trzy kategorie: przewodniki, półprzewodniki i dielektryki. Półprzewodniki to ciała w których przewodność właściwa jest znacznie mniejsza od przewodności przewodników, ale większa od dielektryków. Najważniejszymi półprzewodnikami są między innymi: krzem, german, arsenek galu. Na podstawie struktury elektronowej możemy rozróżnić te trzy kategorie. To właśnie ze struktury wynikają wszystkie elektryczne, optyczne i wiele innych właściwości specyficznych dla tych grup.
Elektrony, które uczestniczą w przewodnictwie cieplnym pochodzą z zewnętrznych powłok atomowych, posiadają największą energię. Oddziałują one z sąsiednimi elektronami i tworzą się elektrony uwspólnione. Energia elektronów walencyjnych tworzy się paśmie ciała stałego, wiele poziomów energetycznych leży blisko siebie. Różnica energii pomiędzy tymi pasmami jest znikomo mała, można więc przyjąć, że cała energia w pasmach zmienia się w sposób ciągły. Bardzo ważne jest, żeby pasma zostały wypełnione przez elektrony walencyjne.
Półprzewodniki
Model pasmowy półprzewodnika jest identyczny jak dielektryka. Jego sieć krystaliczna nie jest zakłócona żadnymi domieszkami. W pasmach półprzewodników ich przerwy mieszczą się zazwyczaj w przedziale 0,1-2eV. Ponieważ przerwy są tak małe w sieci krystalicznej, energia drgań cieplnych elektronów, która jest proporcjonalna do temperatury ciała, może już w niskich temperaturach wystarczyć aby przenieść część elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa. Wolne miejsce, które zostaje po elektronie walencyjnym nazywane jest dziurą. Jeśli wtedy przyłożymy do ciała pole elektryczne ową wolną przestrzeń zajmą wtedy elektrony z niżej położonego poziomu energii. Dziura zostanie przesunięta na dół. Ruch ten zostanie zrównoważony dodatnimi ładunkami.
Jednak zazwyczaj jest tak, że struktura krystaliczna półprzewodniku jest zdefektowana, między innymi przez domieszki innego pierwiastka. W procesie produkcyjnym dąży się do tego, żeby otrzymać kryształ jak najbardziej czysty i niezdefektowany, by móc go kontrolować.
Półprzewodniki od metali odróżnia zależność koncentracji elektronów od temperatury (metale są prawie całkowicie niezależne od temperatury w tym przypadku).
Metale
Nośnikami ładunku w metalach są elektrony niezapełnionego pasma przewodnictwa. Koncentracja swobodnych nośników jest większa o kilka rzędów niż w półprzewodnikach, co powoduje iż przewodność metali jest większa. Ruchliwość swobodnych nośników zostaje ustalona w warunkach równowagi. Wtedy właśnie średni przyrost prędkości unoszenia (czyli prędkość uporządkowania ruchu nośników odbywającego się wzdłuż pola elektrycznego) jest wywołany działaniem pola elektromagnetycznego, a następnie równoważony ubytkiem owej prędkości (które są wywołane procesami rozproszeniowymi). Rozproszenia powstają na skutek wszelkich odstępstw od energii potencjalnej elektronu w szkle. Wyróżniamy dwa rodzaje rozpraszania w metalach. W wysokich temperaturach rozpraszane są swobodne nośniki, które są związane z drganiami cieplnymi atomów. Drugim rodzajem jest zaburzenie strukturalnych sieci.
Gdy temperatura rośnie ruchliwość i przewodność metali spada, ale zwiększa się ich oporność.