ФГОУ ВПО «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 305

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРА

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей

Калининград

2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

1. Введение……………………………………………… 2

2.Элементарная теория электропроводности

терморезисторов ……………..…………………………. 3

3. Порядок выполнения работы………………………… 6

3.1.Описание экспериментальной установки………….. 6

3.2.Методика выполнения измерений………………….. 7

3.3.Обработка результатов………………………………. 9

4. Вопросы для проверки………………………………… 11

5. Литература……………………………………………... 11

Цель работы:

1. Ознакомление с элементарной теорией проводимости полупроводниковых терморезисторов;

2. Измерение зависимости сопротивления терморезистора от температуры;

3. Определение энергии активации (ширины запрещённой зоны);

1. Введение

В зависимости от величины электропроводности σ, измеряемой при комнатной температуре, твёрдые тела подразделяются на три группы: металлы (проводники) – σ ~ 10⁶ –10⁸ (Ом·м)^-1, диэлектрики – σ ~ 10^-10 –10^-8 (Ом·м)^-1 и полупроводники. Само название "полупроводники" объясняется тем, что электропроводность таких тел имеет промежуточное значение между проводниками и диэлектриками.

В зонной теории твёрдых тел электрические свойства описываются в зависимости от наличия свободных носителей тока, т.е. электронов. При этом используется специальная терминология для характеристики энергетического состояния электронов.

Связанные с атомами электроны, не участвующие в проводимости электрического тока, называются электронами, расположенными в "валентной зоне" энергии.

Свободные электроны – носители электрического тока, находятся в "зоне проводимости", обладая более высокой энергией, чем электроны "валентной зоны". В металлических проводниках уже при нормальной температуре имеется огромное число свободных электронов, энергия которых соответствует "зоне проводимости". При наложении внешнего электрического поля (разности потенциалов) такие электроны совершают направленное движение, т.е. проводят электрический ток. Известно, что с повышением температуры электропроводность металлов уменьшается (растёт электросопротивление). Это объясняется увеличением амплитуды колебаний тяжёлых ионов металла, что приводит к увеличению частоты столкновений и рассеянию (торможению) электронов, вследствие чего растёт электросопротивление.

В полупроводниках для появления свободных электронов требуется энергия активации W ≤ 3эВ, необходимая для отрыва электронов с атомных оболочек. Величину энергии активации, обеспечивающей отрыв электронов от атома, называют "шириной запрещенной зоны" энергии, т.к. электроны как бы "скачком" перебрасываются из "валентной зоны" в "зону проводимости". Схема таких условных энергетических зон обычно приводится в литературе и оказывается удобной для теоретического анализа.

Величина энергии активации, которую электроны должны вначале получить для переброса из "валентной зоны" в "зону проводимости", различается для разных типов полупроводников. В качестве примера укажем энергию активации, т.е. ширину "запрещенной зоны", для двух полупроводников: германий – W ≈ 0,67 эВ и кремний W ≈ 1,1 эВ.

Диэлектрики можно превратить в проводники, нагревая их до высоких температур и при больших напряжениях (10² - 10³) кВ. Этим обеспечивается высокая энергия активации электронов, которые отрываются от атомов вещества диэлектрика и становятся свободными носителями тока. К диэлектрикам относят твёрдые тела с энергией активации W > 3эВ. Например, алмаз является диэлектриком при нормальных температурах, но при нагревании становится проводником, если энергия активации электронов достигает величины W ≈5 эВ. Согласно современным данным физики твёрдого тела диэлектрики отличаются от полупроводников, в основном, только величиной энергии активации (шириной "запрещённой зоны"). Кроме того, в полупроводниках наблюдается плавное изменение электропроводности, а в диэлектриках появление электропроводности часто имеет "взрывной" характер, в результате чего происходит разрушение тела.

В полупроводниках энергию активации можно передать электронам разными способами. Например, в некоторых типах полупроводников эта энергия появляется при освещении от внешнего источника излучения, т.е. электроны "захватывают" кванты энергии hν (внутренний фотоэффект). Такие полупроводники называются "фоторезисторами".

Большое число полупроводников относится к типу "терморезисторов", где энергия активации сообщается электронам посредством повышения температуры тела, т.е. при нагревании. Электропроводность терморезисторов растёт, а электросопротивление уменьшается с увеличением температуры.