Изучение температурной зависимости

ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ

Описание метода исследования

Зависимость сопротивления проводника от температуры (4.2) в координатах
R   ↔   t  изображается прямой линией, угловой коэффициент которой

k ₁ = a _t × R ₀.                                             (4.3)

По величине k ₁ можно определить значение температурного коэффициента сопротивления исследуемого проводника:

.                                           (4.4)

Значение сопротивления проводника R ₀находится путем экстраполяции полученной линейной зависимости до температуры 0 ºС.

Для полупроводника зависимость сопротивления от температуры нелинейная, поэтому для её нахождения используют координаты ln R ↔ , где Т – температура по шкале Кельвина. Действительно, логарифмируя уравнение (4.1), получаем

.                                      (4.5)

График функции lnR от  является линейным с угловым коэффициентом:

.                                        (4.6)

Это позволяет найти ширину запрещённой зоны полупроводника по формуле:

D W = 2 k· k ₂.                                              (4.7)

Таким образом, если экспериментально найти зависимость сопротивления проводника и полупроводника от температуры, то можно рассчитать для первого – ТКС a _t, для второго – ширину запрещённой зоны D W.

Описание установки

Оборудование: регулируемый источник постоянного напряжения, миниблоки «Исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника», «Ключ», мультиметры.

Электрическая схема установки показана на рис. 4.2, описание миниблока – на рис. 4.3, а монтажная схема – на рис. 4.4.

 

                                                    Рис. 4.2. Электрическая схема:

1 – регулируемый источник постоянного напряжения («0 … +15 В»); 2 – электронагреватель; 3 – термопара; 4, 5 – исследуемые образцы проводника и полупроводника; 6 – миниблок «Исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника»; 7 – переключатель; 8 – блок «Ключ»; 9 – мультиметр в режиме измерения сопротивления; 10 – мультиметр в режиме измерения температуры

Электронагреватель 2 подключен к регулируемому источнику постоянного напряжения 1 («0…+15 В»). При включении источника начинается нагрев исследуемых образцов. Для измерения сопротивления образцов 4, 5 в режиме непрерывного нагрева их поочередно подсоединяют к мультиметру 9 с помощью переключателя 7. Температуру образцов измеряют с помощью термопары 3, напряжение с которой подаётся на клеммы измерителя температуры (мультиметр 10).

 

 

Рис. 4.3. Миниблок «Исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника»:

1 – клеммы термопары для подключения к мультиметру; 2 – нагреватель печи;

3 – проводник;

4 – полупроводник;

R_пр – вывод проводника;

 R_пп – вывод полупроводника

 

 

 

 

Рис. 4.4. Монтажная схема установки:

6, 8, 9, 10 – см. рис. 4.2

Выполнение работы

1. Заполнить табл. 4.2 (см. бланк отчёта).

2. Собрать электрическую цепь по монтажной схеме, приведённой на рис. 4.4. При подсоединении термопары к мультиметру необходимо учитывать полярность подключения проводов.

3. Включить в сеть блоки питания генераторов и мультиметров. Нажать кнопку «Исходная установка».

4. Установить необходимые режимы измерений мультиметров. Учесть, что при измерении сопротивления проводника переключатель диапазонов ставится в положение 200 Ом, а полупроводника – 2 кОм или 20 кОм.

5. С помощью миниблока «Ключ» подключая поочередно к мультиметру проводник (положение В) и полупроводник (положение А), измерить их сопротивление при комнатной температуре. Результаты измерений записать в табл. 4.3 (см. бланк отчёта).

6. Кнопками «Установка напряжения 0 … +15 В» установить по индикатору  7–8 делений.

7. По мере нагрева образцов, измерять по п. 4 их сопротивления через каждые 5 ºС до 70 ºС. Результаты измерений записать в табл. 4.3.

8. Выключить из сети блоки питания генераторов напряжений и мультиметров.

ОТЧЁТ

Таблица 4.2

Наименование прибора	Предел допускаемой относительной погрешности (в % от измеренного значения)
Омметр	=0,8 %
Термометр	=1,0 %

Результаты измерений

Таблица 4.3

№	t, ºC	Т, К	1/ T, К^–1	R пр, Ом	R пп, Ом	ln R пп
1
2
…	…
N	70

Результаты расчетов

1. k ₁ = … = … Ом/ºС;  (4.8)

Написать формулу, показать расчёт и записать результат!

2. R ₀ = … Ом;

3. a _t = … = … 1/ºC;     (4.10)

4. g = … = … %;          (4.11)

5. d k ₁ = … = … Ом/ºС; (4.13)

6. d R ₀ = … Ом;             (4.14)

7. e = … = … %;          (4.12)

8. E = … = … %;          (4.15)

9. Da _t = … = … 1/ºC;   (4.16)

10. Окончательный результат: a _t = … ± … 1/ºС, Е = … %;

11. k ₂ = … = … К;        (4.9)

12. D W = … = … Дж = … эВ.  (4.7) (1 эВ  Дж).

13. Оценка погрешностей ширины запрёщенной зоны D W исследуемого полупроводника.

14. Вывод.

Примечание. К отчёту прилагаются два графика, построенные по данным табл. 4.3.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ