Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej
Wydział: Nauk o Materiałach i Środowisku
Kierunek: Inżynieria Środowiska
Rok: 2012/2013
Semestr: II
Ćwiczenie numer 56.
BADANIE WPŁYWU TEMPERATURY NA OPÓR ELEKTRYCZNY PRZEWODNIKÓW I PÓŁPRZEWODNIKÓW.
Grupa laboratoryjna: 107
agentki
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było doświadczalne wyznaczenie temperaturowych zależności oporu elektrycznego przewodnika i półprzewodnika, opracowanie wyników pomiarów i przedstawienie ich w tabeli wyników.
Wstęp teoretyczny
Opór elektryczny jest definiowany jako stosunek wartości napięcia U przyłożonego na końcach przewodnika do natężenia I przepływającego przez ten przewodnik.
W przypadku przewodników opór elektryczny rośnie wraz ze wzrostem temperatury, w szerokim zakresie temperatur jest to zależność liniowa:
gdzie: 
Natomiast w przypadku półprzewodników opór elektryczny maleje wraz ze wzrostem temperatury:
gdzie:
- stała zależna od kondensacji nośników
- szerokość pasma wzbronionego
- stała Boltzmanna
- temperatura w skali bezwzględnej
Przepływ prądu elektrycznego w metalach i półprzewodnikach jest związany z istnieniem swobodnych nośników prądu: elektronów w metalach a w półprzewodnikach elektronów i dziur. Gęstość prądu zależy od kondensacji tych nośników i prędkości z jaką się poruszają. Swobodne nośniki poruszają się chaotycznie z dużymi prędkościami. Jeżeli do próbki zostanie przyłożone pole elektryczne to nośniki prądu uzyskują składową prędkości w kierunku pola i zaczynają poruszać się w tym kierunku.
Wyróżniamy 3 rodzaje półprzewodników:
Półprzewodnik samoistny
Półprzewodnik typu n
Półprzewodnik typu p
Półprzewodnik samoistny to monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawierający obcych atomów w sieci krystalicznej. Półprzewodniki typu p i n otrzymujemy poprzez dodanie odpowiednich domieszek do półprzewodników samoistnych.
Wprowadzenie domieszki dającej nadmiar elektronów w stosunku do półprzewodnika samoistnego powoduje powstanie półprzewodnika typu n, domieszka ta zaś nazywana jest domieszką donorową (oddaje elektron).
Wprowadzenie domieszki dającej niedobór elektronów w stosunku do półprzewodnika samoistnego powoduje powstanie półprzewodnika typu p, domieszka ta zaś nazywa się domieszką akceptorową (przyjmuje elektron).
W najogólniejszym przypadku w materiałach stałych istnieją 3 pasma:
Pasmo przewodnictwa - elektron może poruszać się pod wpływem czynników zewnętrznych takich jak temperatura lub pole elektryczne
Pasmo walencyjne - na elektron działają tylko siły wynikające z ruchu elektronów
Pasmo zabronione - znajduje się pomiędzy pasmami przewodnictwa i walencyjnym
W półprzewodniku typu n powstaje dodatkowy poziom energetyczny (donorowy) położony w paśmie zabronionym niewiele poniżej poziomu przewodnictwa lub w samym poziomie przewodnictwa. Natomiast w półprzewodniku typu p powstaje dodatkowy poziom energetyczny (akceptorowym) położony w obszarze pasma zabronionego niewiele powyżej pasma walencyjnego lub w samym paśmie walencyjnym.
Rys. 1 Półprzewodnik typu p
Poziom akceptorowy
Rys. 2 Półprzewodnik typu n
Poziom donorowy
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie polegało na wykonaniu trzynastu pomiarów oporu elektrycznego przewodnika metalicznego (miedzianego drutu) oraz półprzewodnika (termistora typu NTC) zanurzonych w kąpieli olejowej wewnątrz ultratermostatu. Olej stanowi otoczenie badanych elementów, natomiast woda to czynnik grzewczy. Pierwszy pomiar odbył się w temperaturze 19.2oC drugi pomiar w 25oC, w kolejnych pomiarach temperaturę zwiększaliśmy co 5oC aż do uzyskania 80oC. Do pomiaru oporu elektrycznego służyły dwa mierniki cyfrowe w zakresach odpowiednich dla danych materiałów, a do pomiaru temperatur dwa mierniki uniwersalne z sondami temperaturowymi. Wyniki zostały zapisane w odpowiednich tabelach i wprowadzone do programu komputerowego, który obliczył parametry niezbędne do zakończenia ćwiczenia i wykonania wykresów.
Tabele
Tab.1 Pomiary oporu elektrycznego dla przewodnika i półprzewodnika
Nr. Pomiaru |
przewodnik |
półprzewodnik |
||
|
t |
R |
t |
R |
1 |
20.6 |
17.45 |
20.6 |
12.09 |
2 |
22.0 |
17.56 |
22.0 |
11.05 |
3 |
25.0 |
17.91 |
25.0 |
8.36 |
4 |
30.0 |
18.22 |
30.0 |
6.55 |
5 |
35.0 |
18.56 |
35.0 |
5.23 |
6 |
40.0 |
18.92 |
40.0 |
4.24 |
7 |
45.0 |
19.25 |
45.0 |
3.44 |
8 |
50.0 |
19.61 |
50.0 |
2.84 |
9 |
55.0 |
19.99 |
55.0 |
2.34 |
10 |
60.0 |
20.36 |
60.0 |
1.96 |
11 |
65.0 |
20.75 |
65.0 |
1.65 |
12 |
70.0 |
21.15 |
70.0 |
1.40 |
13 |
75.0 |
21.56 |
75.0 |
1.21 |
Opracowanie wyników
Wyznaczenie oporu elektrycznego przewodnika
w temperaturze
oraz błędu bezwzględnego oporu w temperaturze
Wyznaczenie wartości
oraz wartości błędu
Wyznaczenie temperaturowego współczynnika oporu elektrycznego przewodnika
oraz błędu bezwzględnego
Wyznaczenie wartości stałej
oraz błędu bezwzględnego
Obliczenie szerokości pasma wzbronionego E w półprzewodniku
Obliczenie błędu bezwzględnego
szerokości pasma wzbronionego w półprzewodniku
Obliczenie teoretycznych wartości oporu elektrycznego półprzewodnika
przykładowo dla temperatury 19.2oC
Wyniki końcowe
Tab.3 Wyniki końcowe
Nr pomiaru |
przewodnik |
półprzewodnik |
|||||
|
t |
R |
T |
1/T |
R |
|
|
1 |
20.6 |
17.45 |
293.75 |
34.00 |
12.09 |
9.400 |
10.729 |
2 |
22.0 |
17.56 |
295.15 |
33.90 |
11.05 |
9.310 |
9.521 |
3 |
25.0 |
17.91 |
298.15 |
33.54 |
8.36 |
9.031 |
8.210 |
4 |
30.0 |
18.22 |
303.15 |
32.99 |
6.55 |
8.787 |
6.572 |
5 |
35.0 |
18.56 |
308.15 |
32.45 |
5.23 |
8.562 |
5.299 |
6 |
40.0 |
18.92 |
313.15 |
31.93 |
4.24 |
8.352 |
4.303 |
7 |
45.0 |
19.25 |
318.15 |
31.43 |
3.44 |
8.143 |
3.516 |
8 |
50.0 |
19.61 |
323.15 |
30.95 |
2.84 |
7.952 |
2.891 |
9 |
55.0 |
19.99 |
328.15 |
30.47 |
2.34 |
7.758 |
2.392 |
10 |
60.0 |
20.36 |
333.15 |
30.02 |
1.96 |
7.581 |
1.990 |
11 |
65.0 |
20.75 |
338.15 |
29.57 |
1.65 |
7.408 |
1.665 |
12 |
70.0 |
21.15 |
343.15 |
29.14 |
1.40 |
7.244 |
1.400 |
13 |
75.0 |
21.56 |
348.15 |
28.72 |
1.21 |
7.098 |
1.183 |
przewodnik |
półprzewodnik |
||||||
|
|
||||||
przewodnik |
półprzewodnik |
||
|
|
|
|
15.969 |
4.618 |
0.0058 |
0.3652 |
Wnioski
Opór elektryczny przewodników rośnie wraz ze wzrostem temperatury
Opór elektryczny półprzewodników maleje wraz ze wzrostem temperatury
Opór przewodnika zależy od materiału z jakiego jest wykonany, jego rozmiarów i kształtu (pole przekroju oraz długość)
Opór elektryczny półprzewodnika jest związany z temperaturą zależnością wykładniczą
W szerokim zakresie temperatur opór elektryczny przewodników jest związany z temperaturą zależnością liniową
2
Wyszukiwarka