Якими засобами і по яких параметрах можна однозначно відрізнити металевий провідник від напівпровідника?
Лабораторна робота №1
Мета роботи: вивчення залежності електропровідності елементарних напівпровідників (германію і кремнію), металів і сплавів від температури.
Устаткування і матеріали: нагрівальна піч опорів, універсальний широкодіапазонний омметр, напівпровідникові зразки, зразки металів і сплавів, високотемпературний термометр.
Основні теоретичні положення
Провідникові і напівпровідникові матеріали утворюють основну сукупність матеріалів електротехніки. Найважливіша роль напівпровідникових матеріалів у сучасній електротехніці обумовлена тим, що вони є основою активних приладів, спроможних посилювати або, що більш точно, перетворювати один вид енергії в інший у малому обсязі речовин без істотних витрат.
Найбільш очевидною ознакою напівпровідника є його менша ніж у металів, але більша ніж у діелектриків електропровідність. При кімнатній температурі напівпровідники мають питомий електричний опір в інтервалі 10-3 – 108 Ом×см. Проте виділити напівпровідники з усього набору матеріалів електротехніки і відокремити ці матеріали від металів за цією ознакою важко. Необхідно враховувати і можливість напівпровідників змінювати свої електричні характеристики в широких межах при введенні в них активних домішок або впливи на них зовнішньої енергії (у металах з підвищенням температури опір зростає).
Електричні властивості металів обумовлені властивостями електронного газу, що заповнює простір остова ґратки. Значна концентрація вільних електронів, що можуть майже вільно переміщуватися в міжатомному просторі, відповідально за низький електроопір металів.
Електронний газ у металах є виродженим, тобто сугубо квантовим.
В запропонованій роботі буде виконане експериментальне вивчення залежності електроопору металів і сплавів від температури.
Схема лабораторної установки
Лабораторна установка для вивчення температурної залежності електропровідності напівпровідників, металів і сплавів складається з (блок-схема мал. 1):
1.нагрівальної печі опорів (1);
2.універсального широкодіапазонного омметра (2);
3.панелі зі змонтованими напівпровідниковими зразками (3);
4.панелі зі змонтованими зразками металів і сплавів (4);
5.високотемпературного термометра (1 поділка – 5 °С) (5).
 | |||
 |
Методика виконання роботи
1. Ознайомлююся з методикою роботи з універсальним омметром відповідно до прикладеної інструкції.
2. Вимірюю опір зразків при кімнатній температурі.
3. Вмикаю нагрівальну піч і знімаю температурні залежності електроопору кожного зі зразків у широкому інтервалі температур. Мінімальний діапазон варіації температури від 20°С до 190°С, інтервал зняття показань 15-20°С. Результати вимірів систематизую в таблиці 1 та 2.
Таблиця 1. Температурна залежність опору металів і сплавів
| Температура, °С | |||||||
| Опір | 1-й зразок (Ом) | 371,8 | 367,8 | 365,0 | 361,8 | ||
| 2-й зразок (кОм) | 0,492 | 0,492 | 0,492 | 0,492 | 0,492 | 0,492 | |
| 3-й зразок (Ом) | 3,3 | 3,6 | 3,7 | 3,9 | 4,1 | 4,4 |
1-й зразок: МЛТ—05
2-й зразок: Дротяний опір
3-й зразок: Мідна котушка індуктивності
Таблиця 2. Температурна залежність опору та провідності напівпровідника (p-n переходу)
| t, °C | T, K | 1/T, K-1 | R, kOm | g, Om-1 | ln g |
| 0.00341 | 3,72 | 0,0002688 | -8,221 | ||
| 0.00320 | 1,232 | 0,000811688 | -7,116 | ||
| 0.00300 | 0,612 | 0,001633986 | -6,4167 | ||
| 0.00283 | 0,185 | 0,005405405 | -5,22 | ||
| 0.00268 | 0,123 | 0,008130081 | -4,12 | ||
| 0.00254 | 0,0814 | 0,012285 | -4,99 |
g = e×n×mn + e×p×mp, де е – заряд електрона, n і p – відповідно концентрація електронів і дірок.
| Температура, °С | ||||||
| Температура, К | ||||||
| ЕРС термопари, мВ | 0,05 | 1,4 | 1,7 | 2,5 | 3,2 |
З графіка можна зробити висновок, що зі збільшенням температури провідність напівпровідника зростає.
З графіків металів та сплавів видно, що у першого зразка при підвищенні температури опір несуттєво зменшується, другий зразок стійкий до температури, а у третього зразка зі збільшенням температури опір зростає.
З графіка видно, що у термопари з підвищенням температури зростає ЕРС.
Знаходжу ширину забороненої зони елементарних напівпровідників:
Порівнюючи результат з довідниковими даними про ширину забороненої зони елементарних напівпровідників, роблю висновок, що напівпровідник виготовлений з
Тепер визначаю температурний коефіцієнт електричного опору металів. Оскільки подані графіки являють собою прямі лінії, то формулу 
можна записати у вигляді 
.
Висновок:Вивчено залежність електропровідності елементарних напівпровідників (германію і кремнію), металів і сплавів від температури.
Контрольне питання
Якими засобами і по яких параметрах можна однозначно відрізнити металевий провідник від напівпровідника?
Найбільш очевидною ознакою напівпровідника є його менша, ніж у металів, але більша, ніж у діелектриків, електропровідність. На практиці прийнято вважати, що при кімнатній температурі напівпровідники можуть мати питомий опір в інтервалі 10~3 -107Ом • см.
Ознакою напівпровідників, що явно відрізняє їх від металів, є функціональна залежність їх електропровідності від температури. Якщо питомий опір напівпровідників із зростанням температури падає, то в металах чітко спостерігається обернена тенденція. Таким чином приведені властивості напівпровідників цілком достатні для їх відокремлення від металів і діелектриків.