Dependența de temperatură
conductori și semiconductori REZISTENȚĂ
OBIECTIV: determinarea coeficientului de temperatură al rezistenței (TCR) a conductorului și bandgap semiconductor.
ECHIPAMENT: reglabil sursă de tensiune constantă, mini-bloc „Investigarea dependenței de temperatură a rezistenței unui conductor și semiconductor“ și „cheie“, multimetre.
Pentru proprietățile electrice ale materiei sunt împărțite în trei clase: conductoare, dielectrice și semiconductori. conductoarele tipice sunt metale. având rezistivitate scăzută - mai puțin de 10 -6 Ohm · m. Poluprovodnikovr rezistivitate electrică de obicei în intervalul 10 ... 10 -6 -14 ohm-m. Materialele în care valoarea r mai mare de 10 -14 ohm-m, sunt izolatoare. Semiconductors sunt o serie de elemente grupe III-VI din elemente tabel al lui Mendeleev (B, Ge, Si, Ca, Te, etc.), și un număr mare de compuși chimici (GaAs, GaP, ZnS, SiC, etc.). . În funcție de condițiile externe (temperatură, presiune) aceeași substanță poate să aparțină diferitelor clase. De exemplu, germaniu, la o temperatură de azot lichid, 77 K - izolator, la temperatura camerei - semiconductor și Ge lichid - conductor.
Teoria oferă o clasificare rezonabilă a substanțelor. Conform teoriei cuantice a electronilor în atomul poate avea numai anumite valori de energie, care sunt numite niveluri de energie. Aceste niveluri sunt la combinarea atomilor individuali din zonele de energie sub formă cristalină permise. Decalajul care separă astfel de zone, numite bandgap (Fig. 1). banda de energie este considerată finalizată atunci când toate nivelurile zonei ocupate de electroni. Astfel, în conformitate cu principiul de excluziune al lui Pauli același nivel de energie poate fi amplasat nu mai mult de doi electroni având direcții opuse de spin. Zona este considerată a fi liber, în cazul în care nu sunt angajate la toate nivelurile acestei zone.
Fig. 1. Benzile de energie.
Denumirile benzilor de energie:
B3 - valență; C3 - gratuit;
# 8710; W - interzis. eclozare otme-
Chen umplut zona parte (la
T = 0 K).
Dacă atomii, electronii de valență responsabile de proprietățile electrice ale materialului pentru a forma o bandă complet umplut (valență), astfel încât o bandă ulterioară permisă (banda de conducție) este liberă, conductivitatea electrică a unui astfel de material este egal cu zero, și este un izolator. Într-adevăr, atunci când un curent într-o substanță are loc mișcarea de electroni sub acțiunea unui câmp electric extern, ceea ce implică o creștere a energiei de electroni; trecerea la un nivel mai ridicat de energie neocupat. Aceste niveluri sunt lipsesc în cazul umplut banda de valență, și, prin urmare, în esență, cu structura de bandă de electroni nu poate fi accelerată printr-un câmp electric extern.
Pentru a transfera electronii din banda de valență la banda de conducție, acestea ar trebui să informeze de energie nu mai puțin de decalajul de banda # 8710; W.
Unele dintre electroni obține energie sub iradierea luminii sau datorită mișcării termice a atomilor. Prin urmare, la temperaturi normale (T ≈ 300 K) în banda de conducție are un anumit număr de electroni. În funcție de agentul de concentrare poate fi fie un izolator sau un semiconductor, diferența dintre aceste clase este determinată de valorile bandgap # 8710; W și temperatura T. Pentru semiconductori la temperatura camerei # 8710; W este de 0,02 - 2 eV și dielectrici - mai mult de 2 eV.
Dependența de temperatură a conductivității semiconductoarelor se determină prin schimbarea concentrației de purtători - electroni care trec în banda de conducție. Pe măsură ce temperatura crește numărul acestora crește exponențial, semiconductori de rezistență R însă pure scade odată cu creșterea temperaturii T, conform legii
unde A - valoare dependentă slab de temperatură; k = 1,38 · 10 -23 J / K - constanta Boltzmann.
Conductorii au o structură de bandă diferită. Banda de valență este umplută cu electroni cu aproximativ jumătate (vezi. Fig. 1), electronii se pot mișca liber sub influența unui câmp electric extern. Banda de valență este banda de conducție. Concentrația de electroni liber conductor este dependentă de temperatură - principala diferență între conductor și dielectric pe semiconductoare. Temperatura de rezistență dependență a conductorului este mult mai slabă decât pentru dielectricilor. Acesta este determinat de disipare a energiei electronilor în interacțiunea cu ionii de cristal cu zăbrele. Pe măsură ce temperatura crește amplitudinea de oscilație a ionilor, ceea ce duce la o scădere în calea medie liberă a electronilor de conducție în metal. rezistență electrică R conductoarelor crește liniar
unde t - temperatura în grade Celsius; R0 - rezistența conductorului la 0 ° C;
a - coeficientul de temperatură al rezistenței (TCR).
Metodele de determinare a valorii TCS conductor
și decalajul de banda semiconductoare
Ecuația (2) dependența de temperatură a conductorului de rezistență în coordonate R - t este reprezentat printr-o linie dreaptă, a cărei K1 panta = R0 a. Amploarea K1 poate determina valoarea conductorului de încercare TCS:
unde R0 - valoarea R la 0 ° C, se determină prin extrapolarea relația liniară la t = 0 ° C
Magnitudinea pantei curbei experimentale determinate conform graficului sau folosind metoda celor mai mici pătrate (vezi. Anexa 1).
Pentru o rezistență semiconductor neliniar în funcție de temperatură, astfel încât să definească parametrii folosind scalele funcționale ln R - 1 / T. Într-adevăr, luând logaritmul ecuația (1), obținem
Această dependență de ln R1 / T este liniar, cu K2 = panta # 8710; W / 2k. care permite de a găsi lățimea benzii interzise a semiconductorului prin formula
Astfel, pentru a determina TCR a conductorului și decalajul de banda semiconductoare # 8710; W este suficient pentru a primi dependența de temperatură a rezistenței experimental.
Diagrama de instalare electrică este prezentată în Fig. 2.
1- ajustare sursă constantă
Tensiunea radiofrecvența (0 ... + 15);
2- încălzitor; 3 - termocuplu
4, 5 - epruvetelor sârmă
nick și semiconductor; 6 - Unitate
„Investigarea dependenței de temperatură
conductor de reședință rezistență
și semiconductori „; 7 - SWITCH
Tel; 8 - Unitate "cheie"; 9 - Digital
Multimetru în modul de rezistență (modul W 2 k intrări COM, VW); 10 - multimetru digital în modul de măsurare a temperaturii (modul ° C, 5 intrări)
Boilerul electric 2 este conectat la o sursă de tensiune reglementată DC 1 (0 ... + 15). Când sursa de tensiune începe încălzirea probelor. Pentru măsurarea rezistenței eșantioanelor 4, 5, în modul de încălzire continuă ei la rândul său, conectat la un multimetru digital 9 prin intermediul unui comutator 7. a fost măsurată Temperatura probelor cu ajutorul unui termocuplu 3, un semnal care este furnizat la 10 metri (conexiune pentru termocuplu).
Ordinea de performanță
1. Asamblarea circuit electric. La conectarea termocuplului multimetru este necesar să se ia în considerare polaritatea cablajului.
2. Rotiți butonul de „rețea“ generatoare de tensiune de alimentare și multimetre unitatea de bloc. Apăsați „setarea inițială“.
3. Setați măsurătorile caracteristici multimetru necesare. Luați în considerare faptul că atunci când se măsoară rezistența comutatorului gama de conductor este pus în poziția 200 ohmi, și semiconductoare - 2 ohmi.
4. Se măsoară conductorul de rezistență (RPR) și semiconductor (RPP) la temperatura camerei, folosind un mini-bloc de conectare „cheia“ alternativ conductorul multimetru (poziția A) și semiconductoare (poziția B). Rezultate Măsurarea RPR și RPP și temperatura la t (0 ° C), în tabelul de înregistrare.
- butoane de tensiune pentru setarea „0 ... 15“, setați indicatorul 7-8 diviziuni.
- Ca încălzirea probelor sunt măsurate la n. 4, rezistența lor la fiecare 5 ° C la 70 ° C. Toate rezultatele măsurătorilor înregistrate în tabel.
- Butonul „rețea“ generatoare de tensiune de alimentare OPRIT și unitatea de multimetre bloc.
Prelucrarea rezultatelor măsurătorilor
1. Conform tabelului, să construiască un grafic al dependenței de temperatură a firului de rezistență a temperaturii în coordonate R-t. axa de temperatură trebuie să pornească de la 0 ° C
2. Din grafic determină rezistența R0 la t = 0 ° C, iar panta dreptei K1 și df eroarea relativă.
P = 1 - (½) N-1 =
3. Conform formulei (3), pentru a calcula valoarea coeficientului de temperatură de o rezistență a conductorului de testare.
4. Evaluează eroarea relativă conform formulei. în care valoarea erorii R0 dR este determinată de dispersia punctelor în raport cu linia desenată sau o eroare a instrumentului multimetru de 1%.
b) Pentru materiale semiconductoare (RPP)
1. Conform tabelului construi două grafice: unul la coordonatele R-t. iar al doilea - în coordonatele (ln R - 1 / T). Caracterul liniar al doilea grafic arată dependența de temperatură a rezistenței semiconductor cu adevărat exponențială.
2. Determinarea a doua K2 panta linia grafică și df acesteia eroare relativă.
3. Conform formulei (5) se calculează lățimea benzii interzise a semiconductorului # 8710; W.
4. Specificați marja de eroare # 8710; W. dw = df.