602.3. Описание лабораторной установки.
Рис. 602.3
В данной работе для измерения электрических сопротивлений металлического проводника и полупроводника при различных температурах используется установка, схема которой приведена на рис. 602.3.
Функционально установка может быть разбита на четыре блока. Блок 1 - служит для нагревания исследуемых образцов. Он представляет собой нагревательную печь, включаемую тумблером S1. Блок 2 – жидкостный термометр, служащий для измерения температуры образцов. Блок 3 – комплект исследуемых образцов: металл Rм и полупроводник Rп. Блок 4 – цифровые мультиметры, работающие в режиме измерения сопротивлений. Один измеряет Rм, другой Rп.
602.4.1. Методика эксперимента
В основе данной работы лежат прямые измерения электрических сопротивлений и температур методом непосредственного отсчета с цифрового табло мультиметра и со шкалы термометра соответственно.
Электрическое сопротивление химически чистых металлов в большом интервале температур имеет прямо пропорциональную зависимость от температуры:
, (602.6)
где
-
сопротивление металла приT0=273
K;
α = 1/273
– температурный коэффициент сопротивления.
С учетом T0=273
K
и α = 1/273
следует, что
. (602.7)
Рис. 602.4
Из рис. 602.4а видно,
что соотношение
представляет
собой угловой коэффициент зависимостиRM=f(T).
Определив по графику RM0
и
по формуле (602.7) можно определитьα.
Сопротивление полупроводников в широком интервале температур экспоненциально убывает с ростом температуры:
, (602.8)
где RП0
- сопротивление
полупроводника при
,
-
ширина запрещенной зоны. Прологарифмировав
выражение (602.8) и учтя, что приT1
сопротивление полупроводника RП1,
а при T2
- RП2,
получим:
. (602.9)
Тогда, ширина запрещенной зоны:
. (602.10)
Отношение
/Δ(1/T)
представляет собой угловой коэффициент
линейной зависимости
(см. рис.602.4б). Определив по графику этот
коэффициент можно по формуле (602.10)
определить ΔE.
602.4.2 Порядок выполнения работы
1. Подготовьте цифровые мультиметры согласно инструкции.
2. По термометру нагревательной печи определите начальную температуру образцов и запишите в таблицы 602.1 и 602.2.
3. Вставьте вилки сетевых шнуров печи и мультиметров в сетевые розетки. Включите нагревательную печь и произведите измерения электрических сопротивлений металла и полупроводника в интервале температур 293-393 K через каждые 10 K.
4. Закончив измерения, выключите мультиметры и печь. Откройте дверцу печи для быстрейшего остывания образцов.
602.4.3. Обработка результатов измерений
1. Постройте на миллиметровой бумаге график зависимости RM от температуры T . Точка пересечения координатных осей по оси абцисс 273 K.
2. Продолжив график RM=f(T) до пересечения с осью ординат определите RM0. Далее по графику в соответствие с формулой (602.7), определив угловой коэффициент ΔR/ΔT, рассчитайте температурный коэффициент сопротивления α.
3. Для полупроводника
рассчитайте значения
и 1/T.
Постройте на миллиметровой бумаге
график зависимости
=f(1/T).
Точка пересечения координатных осей
по оси абцисс 1/400 K-1.
4. По графику
определите угловой коэффициент
/Δ(1/T)
и рассчитайте по формуле (602.10) ширину
запрещенной зоны
.
Таблица 602.1.
|
Температура |
RМ, Ом |
RМ0, Ом |
ΔR/ΔT, Ом/K |
α, K-1 | |
|
t, °C |
T, K | ||||
|
20 |
|
|
|
|
|
|
… |
|
| |||
|
120 |
|
| |||
Таблица 602.2.
|
Температура |
1/T, K-1 |
RП, Ом |
ln RП |
|
| ||
|
t, °C |
T, K |
Дж |
эВ | ||||
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
| |||
|
120 |
|
|
|
| |||
