Изучение температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников и металлов.
Цель работы. Изучить зависимость электросопротивления полупроводников и металлов от температуры.
Приборы и принадлежности.Лабораторная установка ФПК-07. Блок-схема установки приведена на рис. 1.
1 – блок с образцами, 2 – измерительный блок.
Рис. 1.
ВВЕДЕНИЕ.
Плотность тока в проводнике равна произведению удельной электрической проводимости металла 
на напряженность электрического поля 
:
. (1)
Выражение (1) – закон Ома в дифференциальной форме, связывающей плотность тока в любой точки внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой точке. В выражении (1) величина
,
обратная удельному сопротивлению 
, равна для электронных проводников и, в частности, для металлов
(2)
где 
- заряд электрона, 
- концентрация электронов, 
- масса электрона, 
- время релаксации электронного газа к равновесному состоянию.
Из выражения (2) следует, что проводимость материала тем выше, чем больше концентрация свободных электронов. В металлах концентрация свободных электронов остается постоянной с изменением температуры и других видов воздействия. Зависимость проводимости от температуры определяется уменьшением с увеличением температуры. Действительно,
, (3)
где 
- средняя длинна свободного пробега электрона (для металлов 
), а 
- средняя скорость теплового движения электронов.
Там как согласно экспериментальным данным
,
а для классического электронного газа
,
откуда получаем
. (4)
Следовательно, в случае классической физики сопротивление металла должно изменяться не линейно, как показывают эксперименты, а по закону 
Типичная экспериментальная зависимость сопротивления металлов от температуры представлена на рис.2.
R
Rост
Т
Рис.2
На рис.2 видно, что в широком диапазоне температур сопротивление металлов линейно растет с ростом температуры. Увеличение величины сопротивления R объясняется тем, что с ростом температуры Т амплитуда тепловых колебаний кристаллической решетки увеличивается, и столкновение электронов с решеткой происходят чаще. Наличие остаточного нулевого сопротивления Rост в области низких температур связано с наличием дефектов и примесей, искажающих кристаллическую структуру материала.
Таким образом, классическая физика дает для металлов неправильную температурную зависимость R(T). Линейная зависимость может быть объяснена только с использованием модели вырожденного или квантового электронного газа в рамках квантовой физики.
Величина температурного коэффициента сопротивления
для большинства металлов составляет 
. Для чистых (беспримесных) металлов величина температурного коэффициента близка к значению 
.
Линейная зависимость сопротивления металлов от температуры позволяет реализовывать на их основе проволочные измерители температур в широком температурном диапазоне.
Наибольшие значения 
достигаются в полупроводниковых материалах, что связано с резкой температурной зависимостью концентрации свободных носителей:
,
однако сама температурная зависимость R(T) имеет нелинейный характер. Кроме того, диапазон изменяемых температур в случае полупроводниковых терморезисторов весьма ограничен.
Полупроводники – это большой класс веществ, сопротивление которых изменяется в широких пределах и в очень сильной степени зависит от температуры (по экспоненциальному закону). Электропроводимость нелегированного (собственного) проводника называется собственной проводимостью. Электронная проводимость (проводимость п-типа) возникает при тепловом переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.2)
Дата добавления: 2015-09-07; просмотров: 1603;