ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ

Лабораторная работа №1

Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Цель данной работы состоит в экспериментальном изу-чении зависимости сопротивления металлов и полупро-водников от температуры и в измерении температурных коэффициентов сопротивления.

 

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ

 

С точки зрения способности проводить электрический ток все вещества делятся на три класса: проводники, полупро-водники и диэлектрики (изоляторы). Электрическое сопро-тивление полупроводников занимает промежуточное значе-ние между сопротивлением металлов и диэлектриков. Удель-ная электропроводность (или просто проводимость) метал-лов ( ) имеет порядок (10⁸…10⁶) Ом^-1×м^-1, диэлектриков (10¹⁵÷…10^-18) Ом^-1×м^-1 полупроводников (10²…10^-11) Ом^-1×м^-1. Удельное сопротивление проводников зависит от проводи-мости: . Для металлов удельные сопротивления имеют значения порядка 10⁷…10⁸ Ом×м.

Фундаментальным законом в этой области является за-кон Ома (в локальной форме), который можно записать в виде:

(1)

 

где – вектор плотности тока,

– вектор напряженности электрического поля внутри проводника.

Формула (1) называется законом Ома в дифференциаль-ной форме. Для вычисления силы тока, проходящего по проводнику, необходимо знать скорость, которую приоб-ретают электроны под действием электрического поля. Эта скорость ( ) называется дрейфовой, и хотя она нам-ного меньше скорости теплового хаотического движения электронов, именно дрейфовая скорость определяет силу тока в проводнике. Дрейфовая скорость – это средняя ско-рость направленного движения носителей заряда. Если концентрация носителей тока равна , то плотность тока равна:

(2)

 

где е – элементарный электрический заряд.

Средняя дрейфовая скорость носителей тока прямо пропорциональна внешнему электрическому полю:

 

(3)

 

где – коэффициент пропорциональности, называемый «подвижность носителей тока». Из формулы (3) виден фи-зический смысл подвижности: подвижность носителей то-ка численно равна дрейфовой скорости носителей в элек-трическом поле единичной напряженности. Подвижность носителей является константой данного материала и зависит от температуры.

Согласно квантовой теории электропроводности прово-димость твердого тела определяется следующим соотно-шением:

. (4)

 

Подвижность носителей заряда определяется по этой теории следующим образом:

, (5)

 

где – средняя длина свободного пробега электрона;

– эффективная масса электрона в металле;

– средняя общая скорость движения электронов, равная сумме средней скорости теплового хаотического движения и дрейфовой скорости ( ), при этом обычно .

Физической причиной возникновения сопротивления электрическому току является взаимодействие электронов с реальной кристаллической средой, в которой движутся электроны. При этом согласно квантовой теории проводи-мости столкновения электронов (рассеяние электронных волн) происходят с какими-либо нарушениями периоди-ческой структуры кристалла: тепловыми колебаниями, примесными атомами, дислокациями, границами зёрен и другими дефектами. Поэтому в 100…1000 раз больше, чем расстояние между атомами металла.

Рассмотрим, какой характер температурной зависимос-ти проводимости вытекает из формул (4) и (5). Величина для металлов (в них электронный газ вырожден) имеет смысл скорости электронов, которые могут ускоряться под действием электрического поля. Это электроны, которые имеют энергию, близкую к энергии уровня Ферми , т.е. энер-гии, которой обладают электроны в металле при абсолют-ном нуле (V=V_ф). Так как концентрация электронов в ме-таллах практически не зависит от температуры, то темпе-ратурная зависимость проводимости в данном случае оп-ределяется температурной зависимостью подвижности но-сителей заряда (см. формулу (4)). Скорость электронов на уровне Ферми примерно на порядок больше, чем средняя скорость теплового движения, и очень слабо зависит от температуры, поэтому из всех величин, входящих в фор-мулу (5), в металлах только величина проявляет за-метную зависимость от температуры.

Зависимость от температуры объясняется тем, что чем интенсивнее тепловое движение, тем больше вероят-ность рассеивания электронов на кристаллической решет-ке и тем меньше длина свободного пробега электрона ( ). Отсюда следует: и .

Таким образом, сопротивление металлического провод-ника прямо пропорционально температуре:

 

(6)

 

где R₀ – сопротивление металлического проводника при 20° С;

t – температура, °С;

a – температурный коэффициент сопротивления металла.

При низкой температуре, которая много меньше комнат-ной, в действие вступают другие механизмы рассеяния элек-тронов и функциональный характер зависимости изменя-ется, зависимость R(T) становится нелинейной ( ).

Напомним, что для невырожденного электронного газа , равная средней скорости теплового движения элект-ронов, вычисляется по известной формуле молекулярно-кинетической теории газов:

 

, (7)

 

где k – постоянная Больцмана.

В полупроводниках имеются носители тока двух видов: электроны и дырки – поэтому для полупроводников фор-мула (4) примет вид:

 

, (8)

 

где n_e, m_e – концентрация и подвижность электронов;

n_p, m_p – концентрация и подвижность дырок.

В полупроводниках, как и в металлах, подвижность но-сителей тока зависит от температуры, но характер темпе-ратурной зависимости проводимости определяется более сильной зависимостью концентрации носителей тока от температуры, в то время как у металлов концентрация сво-бодных электронов от температуры не зависит. При уве-личении температуры увеличивается вероятность теплового возбуждения электронов в зону проводимости и дырок в валентной зоне, то есть с ростом температуры сильно воз-растает концентрация носителей заряда. Из формулы (8) видно, что в полупроводниках температурная зависимость проводимости определяется зависимостью концентрации носителей зарядов от температуры.

В области собственной проводимости полупроводников температурная зависимость проводимости носит экспо-ненциальный характер:

 

(9)

 

где – ширина запрещенной зоны.

В области примесной проводимости полупроводников, когда носители заряда оказываются одного типа (т.е. име-ются примесные, либо акцепторные), эта зависимость име-ет аналогичный вид:

 

(10)

 

В случае частично скомпенсированных проводников, когда имеются примеси двух типов, температурная зави-симость проводимости принимает следующий вид:

 

, (11)

 

где – константа данного полупроводника;

– энергия активации примеси;

– константа Больцмана;

Т – температура, К.

Таким образом, при экспоненциальной зависимости кон-центрации носителей тока от температуры, именно эта за-висимость и будет определять характер температурной за-висимости проводимости полупроводника.

 

Если примесный полупроводник является полупровод-ником n-типа, то Е_акт определяет глубину расположения донорных уровней относительно дна зоны проводимости (Е_д=Е_акт), т. е. ту энергию, которая необходима для отры-ва электронов от атома примеси и перевода в зону прово-димости, где он может свободно перемещаться по крис-таллу.

Если полупроводник p-типа, то Е_акт определяет энер-гетическое положение акцепторных уровней относительно вершины валентной зоны (Е_а=Е_акт) (см. рис.1).

В настоящей работе измеряется зависимость R(T) тер-морезистора – полупроводникового прибора, в котором для практических целей используется сильная зависи-мость сопротивления полупроводникового материала от температуры. В том интервале температур, где имеет мес-то примесная проводимость, сопротивление полупровод-ника уменьшается с увеличением температуры по экс-поненциальному закону:

 

(12)

 

где R₀, A – константы для данного типа терморезистора, при этом константа А связана со свойствами полупро-водникового материала, из которого изготовлен терморе-зистор, соотношением:

 

(13)

 

Логарифмируя формулу (12), получим:

 

(14)

 

Зависимость (14), построенная в осях: x=1/T, y=lnR, является прямой линией, тангенс наклона которой к оси Х равен константе А. Получение из опытных данных прямой линии в зависимости lnR от 1/T является доказательством того, что сопротивление данного полупроводника зависит от температуры экспоненциально по формуле (12).

Температурный коэффициент сопротивления в общем случае определяется формулой:

(15)

 

Подставив в эту формулу R из (12), получим

 

(16)

 

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Полупроводниковый резистор ММТ-4 и металлический резистор, представляющий собой катушку из медной прово-локи помещены в термостат. Температура в термостате изме-ряется с помощью ртутного термометра или термопары. Со-противление резисторов изменяется с помощью моста посто-янного тока Р-4833 или с помощью комбинированного при-бора Щ4313, работающего в режиме измерения сопротив-ления. На рис. 2 ИП – источник питания термостата.