ВВЕДЕНИЕ. Методическое указание к выполнению лабораторной работы по разделу «Физика твёрдого тела» для студентов всех форм обучения по всем специальностям

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 305

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРА

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по разделу «Физика твёрдого тела» для студентов всех форм обучения по всем специальностям

Калининград

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лист

1. Введение……………………………………………… 3

2.Элементарная теория электропроводности

терморезисторов ……………..…………………………. 4

3. Порядок выполнения работы………………………… 7

3.1.Описание экспериментальной установки………….. 7

3.2.Методика выполнения измерений………………….. 9

3.3.Обработка результатов………………………………. 10

4. Вопросы для проверки………………………………… 12

5. Литература……………………………………………... 12

Приложение……………………………………………… 13

Цель работы:

1. Ознакомление с элементарной теорией проводимости полупроводниковых терморезисторов.

2. Измерение зависимости сопротивления терморезистора от температуры.

3. Определение энергии активации (ширины запрещённой зоны).

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 запрещённой 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 " запрещённой зоны", для двух полупроводников: германия – W ≈ 0, 67 эВ и кремния 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 > 3 эВ. 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.