background image

 

18.03.2013

 

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 44 

Olga Pawłowicz 

 

TEMAT: Pomiar zależności oporu metali i półprzewodników od temperatury

 

CEL  ĆWICZENIA:  Pomiar  oporu  elektrycznego  metalu  i  półprzewodnika  w  funkcji  temperatury  oraz  wyznaczenie 
temperaturowego współczynnika rezystancji (oporu) metalu i szerokości przerwy energetycznej w półprzewodniku.

 

 
 

1. Wstęp teoretyczny.

 

 

Budowa metali (przewodników).

 

Przewodniki,  czyli  substancje,  w  których  istnieją  mogące  się  swobodnie  poruszać  ładunki  elektryczne  to  najczęściej 
metale. Metal zbudowany jest  z  sieci krystalicznej jonów dodatnich  oraz  uwspólnionych ładunków elektrycznych (tu 
elektronów). Zjawisko oporu elektrycznego polega na tym, że dodatnie jony metalu, stawiają opór poruszającym się 
elektronom, które zderzając się z nimi tracą część swojej  energii kinetycznej. Liczba zderzeń będzie tym większa, im 
większe  są  wychylenia  jonów  z  położenia  równowagi,  a  te  zwiększają  się  wraz  ze  wzrostem  temperatury.  Opór 
przewodnika liniowo rośnie wraz ze wzrostem temperatury zgodnie ze wzorem: 

 

R = R

+ αR

0

*t, gdzie:

 

R

0

 to rezystancja w temperaturze odniesienia T

,

 

α to temperaturowy współczynnik rezystancji.

 

 

Model pasmowy półprzewodnika.

 

W półprzewodniku w temperaturze 0 K elektrony walencyjne zajmują wszystkie możliwe stany i nie mogą się poruszać 
- zmieniać stanu.  Pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa istnieje przerwa energetyczna E

g

, czyli 

wartość  energi  o  jaką  musi  wzrosnąć  energia  elektronu,  aby  dostał  się  do  pasma  przewodnictwa.  W  paśmie 
walencyjnym pojawiają się wtedy poziomy nieobsadzone (puste miejsca po elektronach, uzyskują miejscowy ładunek 
dodatni, są miejscami, na które mogą przechodzić inne elektrony).

 

Za  zwiększanie  energi  elektronów,  odpowiedzialne  są  drgania  międzyatomowe,  które  narastają  ze  wzrostem 
temperatury.

 

Mówimy,  że  wraz  ze  wzrostem  temperatury  rośnie  koncentracja  nośników  elektrycznych,  czyli  liczba  elektronów  w 
paśmie przewodnictwa na jednostkę objętości.

 

 

2. Przyrządy pomiarowe.

 

 

grzałka z czujnikiem temperatury o dokładności    C;

 

 

Miernik M-3850, którego dokładność pomiaru rezystancji wyrażamy wzorem: 0,5 % rdg +   dgt.

 

 

3. Tabela Pomiarów

 

T[  C]

 

26

 

31,2

 

36

 

40,7 

 

45,1

 

50,3

 

55,5

 

60,1

 

65

 

70,5

 

75,5

 

80

 

85,5

 

90,5

 

R3 [Ω]

 

33,4

 

27,1

 

22,6

 

18,9

 

16

 

13,6

 

11,3

 

9,9

 

8,3

 

7,1

 

6

 

5,3

 

4,8

 

4,4

 

R4 [Ω]

 

110,8

 

112,4

 

113,8

 

115,4

 

116,9

 

118,3

 

120

 

121,4

 

123,2

 

124,9

 

126,5

 

127,8

 

129,2

 

130,4

 

 

background image

4. Analiza pomiarów dla przewodnika. 
 

 

 

 

 

 

T [°C]  R

4

[Ω]  ΔT [°C]  Δ R [Ω] 

26 

110,8 

0,7 

31,2  112,4 

0,7 

36 

113,8 

0,7 

40,7  115,4 

0,7 

45,1  116,9 

0,7 

50,3  118,3 

0,7 

55,5 

 120 

0,7 

60,1  121,4 

0,71 

65 

123,2 

0,72 

70,5  124,9 

0,73 

75,5  126,5 

0,8 

80 

127,8 

0,8 

85,5  129,2 

0,8 

90,5  130,4 

0,8 

 
 
 
Wyniki pomiaru przedstawiono jako zależność R[T]. Jest to zależność liniowa y=ax b; R = R

+ αR

0

*t gdzie R

0 

b,  αR

0

a 

Współczynniki prostej a i b obliczono za pomocą regresji liniowej.  Otrzymano wyniki:  a = 0,3 0627  Δa = 0,002797 b= 02,77 6 Δb = 0, 7 549. 

                  [

 

  

]      

 

               [ ] 

    

 

 

 

 

 
 

             ,      |

  
  

|      |

  
  

|     

  

 

 

   

 

 

              

     

 

               [ ]                        [

 

  

background image

5. Analiza pomiarów dla półprzewodnika. 

T [°C]  T [K]  R

3

[Ω]  ΔT [K]  ΔR[Ω] 

    

 

[

 

 

 

    

 

[

 
 

ln(R)[Ω]  Δln(R)[Ω] 

26,0 

299  33,40 

0,27 

3,344 

0,012 

3,509 

0,008 

31,2  304,2  27,10 

0,24 

3,287 

0,011 

3,299 

0,009 

36,0 

309  22,60 

0,22 

3,236 

0,011 

3,12 

0,01 

40,7  313,7  18,9 

0,2 

3,188 

0,011 

2,939 

0,011 

45,1  318,1  16,00 

0,19 

3,14 

0,01 

2,773 

0,012 

50,3  323,3  13,60 

0,17 

3,09 

0,01 

2,61 

0,013 

55,5  328,5  11,30 

0,16 

3,04 

0,01 

2,425 

0,014 

60,1  333,1  9,90 

0,15 

3,0021 

0,0091 

2,293 

0,016 

65,0 

338 

8,30 

0,15 

2,959 

0,009 

2,116 

0,018 

70,5  343,5  7,10 

0,14 

2,911 

0,009 

1,96 

0,02 

75,5  348,5  6,00 

0,13 

2,869 

0,009 

1,792 

0,022 

80,0 

353 

5,30 

0,13 

2,8329 

0,0081 

1,668 

0,024 

85,5  358,5  4,80 

0,13 

2,789 

0,008 

1,569 

0,026 

90,5  363,5  4,40 

0,13 

2,751 

0,008 

1,48 

0,03 

 
ΔR obliczono z wzoru na niepewność miernika: 0,5 % rdg + 1 dgt                                      (            )        

ΔT      |

  
  

|     

    

 

 

                       (         )        

ΔlnR     ( )   |

  
  

|     

  

 

                     (            ) 

 

Wyniki pomiaru przedstawiono jako zależność   ( )     (

    

 

). Otrzymano prostą o równaniu y=ax + b:    (  (

    

 

))  

  

  

 

 

    

   

    ( 

 

   

  

  

 

 

  

, gdzie k = 1,3806 10-23 J/K - stała Boltzmanna. Wartość i niepewność współczynnika a odczytano z reglinp():                [

 
 

background image

Wyliczamy  

 

    

 

                [  

   

 ]  

        [  

   

 ]

     [  

     

  

]

               [  ] 

Wnioski: 
 

W pomiarze temperaturowego współczynnika rezystancji dla przewodnika uzyskano wynik                         [

 

  

background image

 
Jest on porównywalny do współczynnika rezystancji takich metali jak: platyna, srebro, aluminium, jednakże nieco niższy. Najprawdopodobniej opornik został 
wykonany z platyny, gdyż tego materiału używa się częściej. Różnica między tablicową wartością współczynnika (około 3,9 * 0 

-3

 K

-1

, podczas gdy w 

pomiarach uzyskano wynik  3,03*10 

-3 

K

-1

) wynika najprawdopodobniej z błędu pomiaru, niedostatecznej ilości czasu potrzebnego na ustabilizowanie 

temperatury, bądź niebezpośrednich pomiarach (nie było możliwości sprawdzenia np.  gdzie grzałka mierzy temperaturę). 
 
 
 
W przypadku wyznaczania przerwy energetycznej półprzewodnika uzyskano wynik:  

 

               [  ] 

Zbliżoną wartość ma German. German jest ważnym półprzewodnikiem, wykorzystywanym do produkcji tranzystorów, diod i innych elementów 
elektronicznych. Jego pasmo wzbronione ma szerokość 0,67 eV.   
 
Na wykresie wyraźnie widać, że część punktów pomiarowych odbiega od prostej najlepszego dopasowania. Usunięcie pierwszych 4 powoduje wzrost 
wartości E

g

 do 0,615 eV.