Fal Jacek 28.03.2006

I ADF, gr.lab.1

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 31.

Wyznaczanie temperaturowego współczynnika rezystancji.

1. Zagadnienia do samodzielnego opracowania.

1. Model pasmowy ciała stałego - mechanizm przewodnictwa elektrycznego metali i półprzewodników.

2. Wpływ temperatury na oporność elektryczną.

Przewodnictwo elektryczne to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych (prąd elektryczny) pod wpływem pola elektrycznego. Pod względem mechanizmu mikroskopowego przewodnictwo elektryczne dzieli się na elektronowe (zachodzi w metalach i półprzewodnikach), jonowe (w gazach, cieczach i kryształach jonowych) oraz mieszane (w plazmie). Przewodnictwo elektryczne jest jednym z zagadnień teorii transportu.

Aby kryształ ciała stałego przewodził prąd, w paśmie przewodnictwa muszą znajdować się elektrony i również nie zajęte poziomy, gdyż ruch elektronów w polu elektrycznym jest związany z powiększeniem ich energii kinetycznej, a więc z przenoszeniem się na wyższe poziomy. Tak zwykle jest w metalach i dzięki temu są one przewodnikami. Jeżeli pasma walencyjne są całkowicie zapełnione, a wyższe całkowicie puste i przerwa energetyczna duża, to kryształ jest izolatorem. Następną grupę stanowią półprzewodniki, w których pasmo przewodnictwa jest puste, lecz pasmo energii wzbronionej jest wąskie i często energia cieplna wystarcza, aby pewną liczbę elektronów przerzucić do pasma przewodnictwa. Toteż kryształy tego typu przewodzą prąd zwykle słabo. Przewodnictwo tych substancji rośnie w wysokiej temperaturze.

Półprzewodniki są to substancje zachowujące się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli przedmiot nieprzewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w pewnym zakresie półprzewodnik staje się przewodnikiem, czyli posiada małą oporność i wolne elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego.

Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego.

Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury.

Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german.

Mechanizm przepływu prądu przez półprzewodnik na przykładzie kryształu germanu:

German: pierwiastek czterowartościowy. W krysztale germanu każdy atom jest związany w przestrzennej siatce krystalicznej z czterema jednakowo oddalonymi atomami. (Takie wiązanie nazywa się wiązaniem kowalencyjnym, a elektrony- elektronami walencyjnymi.) W krysztale czystego germanu, w temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego wszystkie elektrony walencyjne biorą udział w wiązaniach międzyatomowych. Oznacza to, że w krysztale tym nie ma elektronów swobodnych i umieszczenie go w polu elektrycznym nie spowoduje przepływu prądu.

Wraz ze wzrostem temperatury kryształu energia cieplna jest magazynowana przede wszystkim w postaci energii drgań atomów. Część elektronów walencyjnych otrzymuje energię dostateczną do przezwyciężenia sił powiązań z atomami. W rezultacie pojawiają się elektrony swobodne, a w miejscach zwolnionych przez elektrony- tzw. dziury.(Elektrony swobodne są ładunkami ujemnymi, a dziury zachowują się jak ładunki dodatnie.) W krysztale czystego pierwiastka liczba elektronów swobodnych jest zawsze równa liczbie dziur. Z chwilą umieszczenia rozpatrywanego kryształu w polu elektrycznym następuje uporządkowany ruch elektronów i pozorny ruch dziur, przy czym kierunek ruchu dziur jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów. Prąd jest, więc spowodowany zarówno ruchem elektronów, jak i dziur. Ma on jednak bardzo małą wartość, gdyż elektrony swobodne stanowią niewielką część elektronów walencyjnych.

Ważną cechą półprzewodników jest to, że nośniki ładunków elektrycznych w sieci krystalicznej mogą się przemieszczać nie tylko pod wpływem pola elektrycznego, ale także pod wpływem cieplnych drgań sieci krystalicznej. Przemieszczając się w ten sposób z jednego obszaru (gdzie jest ich dużo) do drugiego obszaru (gdzie jest ich mało) tworzą prąd dyfuzyjny. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego.

Przewodnictwo elektryczne w ciałach stałych polega na ruchu nośników ładunków elektrycznych, np. elektronów; wartość przewodnictwa zależy, więc od liczby tych nośników w ciałach stałych. Pod tym względem ciała stałe dzielą się na 3 grupy: przewodniki (metale), półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Wraz ze wzrostem temp. przewodnictwo elektryczne przewodników (metali) maleje, natomiast w temperaturach bliskich 0°K staje się ono bardzo duże (nadprzewodnictwo). Przewodnictwo półprzewodników i dielektryków rośnie ze wzrostem temp.; w temp. niskich pół-przewodniki, praktycznie biorąc, nie przewodzą prądu elektrycznego.

2. Wykonanie ćwiczenia.

1.Połączyć obwód elektryczny układu pomiarowego wg schematu:

2.Zmierzyć temperaturę panującą w komorze termostatu, w miejscu gdzie znajduje się badany element.

3.Regulując dzielnikiem napięcia ustawić takie napięcie wyjściowe U, by wskazania mikro amperomierza mieściły się w zakresie 1/3 skali miernika. Zanotować w tabelce wartości napięcia i natężenia prądu płynącego przez badany element w temperaturze otoczenia.

4.Włączyć grzejnik termostatu i przeprowadzić pomiary natężenia prądu (U = const.) w zależności od temperatury (zmieniając temperaturę np. co 5 stopni).

5.Biorąc pod uwagę klasę używanych mierników oraz własną dokładność odczytywania mierzonych wartości oszacować błędy dU, di, dT.

---