Порядок виконання роботи. Тема: «Залежність електричного опору металів та напівпровідників

Тема: «Залежність електричного опору металів та напівпровідників

від температури»

Мета роботи: Дослідним шляхом запевнитись у фізично різній природі електропровідності металів та напівпровідників. Проаналізувати температурну залежність електричного опору металів та напівпровідників.

Прилади та устаткування: Спеціальні скляні контейнери із зразками металевих провідників та напівпровідників, містки постійного струму (містки Уітстона), спиртові термометри, посудина для гарячої води, електрокип’ятиль-ник.

Теоретичні відомості

Електричний струм у провідниках І роду (металах) зумовлений переміщен-ням під дією зовнішнього електричного поля так званих «вільних» електронів – електронів, слабо зв’язаних з іонами кристалічної решітки металу. Німецький фізик Г.Ом (1787 – 1854) експериментально встановив, що сила струму І, який тече по однорідному металевому провідникові (в якому не діють сторонні сили неелектричної природи), прямо пропорційний напрузі U і обернено пропорцій-ний електричному опору провідника R:

І = U/R.

Досліди показують, що при підвищенні температури опір металевих провід-ників зростає за лінійним законом:

R_t = R₀ (1 + ά tº),

де R_t та R₀ - відповідно опір провідника при t^оC та 0ºC, ά – температурний коефіцієнт опору (для чистих металів він близький до 1/273 град^-1).

Температурним коефіцієнтом опору металів (т.к.R) ά зветься відносна зміна опору провідника при його нагріванні на 1ºС:

ά = (R_t - R₀) / (R₀tº).

Значення т.к.R деяких металів наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Метал	ά, град^-1
Сталь	0,0050
Алюміній	0,0042
Свинець	0,0041
Мідь	0,0040
Цинк	0,0039

Зростання електричного опору металів при підвищенні температури пояснюєть-ся втратами енергії поля на зіткнення електронів провідності з іонами криста-лічної решітки металу, коливальний рух яких при підвищенні температури стає більш інтенсивним, і вірогідність таких зіткнень зростає.

При температурах нижче 20 К (-253ºC) деякі метали (алюміній, свинець, цинк та інші) проявляють так зване явище надпровідності – різке падіння до нуля електричного опору. Пояснюється це явище на основі постулатів кванто-вої механіки.

Напівпровідники – це клас матеріалів, який займає за своїм опором та електропровідністю проміжкове положення між провідниками та ізоляторами. До них відносяться елементи ІУ,У,УІ групи Таблиці Менделєєва - кремній (Si) германій (Ge), арсен (As), селен (Se) та деякі сполуки (PbS, CdS, PbSe тощо).

Електропровідність цих матеріалів зумовлена наявністю в них двох типів вільних носіїв заряду: електронів (е) та дірок (р) і пояснюється за допомогою так званої зонної моделі електропровідності. Сутність цієї моделі полягає в тому, що для вільних носіїв заряду кожного напівпровідникового матеріалу існує набір «дозволених» і «заборонених» енергетичних рівнів, які створюють «Валентну зону», «Зону провідності» та «Заборонену зону» (рис.1).

Рис.1 Рис.2

При абсолютному нулі температур (0К) напівпровідники характеризуються повністю зайнятою електронами валентною зоною, що відділена від зони провідності порівняно вузькою забороненою зоною з шириною ΔЕ приблизно 1еВ (метали не мають забороненої зони енергій для електронів). При незначно-му підвищенні температури електрони з верхніх рівнів валентної зони напівпровідника можуть бути перекинуті на нижні рівні зони провідності (рис.2). При накладанні на кристал електричного поля електрони в ньому переміщуються проти поля і створюють електричний струм. В результаті таких переходів електронів у зону провідності одночасно у валентній зоні виникають вакантні стани, що отримали назву «дірок». Дірки рухаються за напрямком електричного поля, їхня зона провідності – валентна зона.

Таким чином, провідність напівпровідників (а отже і опір) залежить від концентрації вільних носіїв заряду. При звичайних температурах концентрація вільних електронів і дірок незначна, внаслідок чого напівпровідник за своєю провідністю близький до діелектриків. При підвищенні температури енергія електронів різко зростає і відповідно помітно збільшується інтенсивність генерації пар «електрон-дірка», що спричинює інтенсивне (за експоненціаль-ним законом) збільшення провідності напівпровідника:

γ = γ₀ ехр (-ΔЕ /2kТ),

де γ – електропровідність при температурі Т, γ₀ – постійна, характерна для даного напівпровідника, ехр – основа натуральних логарифмів, k – постійна Больцмана. Електричний опір напівповідників зростає при нагріві і дуже чутливий до зміни температури, т.к.R деяких напівпровідників у сотні разів більший ніж у металів.

Порядок виконання роботи

На рис.3 зображена принципова схема дослідження температурної залежно-сті опору.

Рис.3

Дата добавления: 2015-10-30