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×m_n + e×p×m_p, 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 -10⁷ Ом • 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.