Описание лабораторного оборудования
Исследуемым объектом является брусочек монокристаллического кремния (2), закреплённый с помощью зажимного устройства (1) (рис.3). Роль термозонда исполняет жало паяльника (3), включенное в сеть 220 В. Жал паяльника изажимное устройство подключаем к гальванометру (4). При касании паяльником конца брусочка образуется замкнутая цепь, и в случае разности потенциалов на концах бруска в цепи протекает ток, регистрируемых гальванометром. По направлению отклонения стрелки определяется потенциал горячего конца, а значит и тип носителя заряда в полупроводнике.
Рисунок 2. Схема опыта.
3. Работа в лаборатории.
1. Корректором микроампермилливольтметра установить стрелку в нулевое положение.
2. Переведите переключатель рода операций в положение «I».
3. Переведите переключатель пределов измерений в положение соответствующие
наибольшему пределу измерений.
4. Включить прибор в сеть ~ I напряжения 220 В.
5. Переключатель «сеть» перевести в верхнее положение. При этом должна загореться сигнальная лампочка.
6. Для отключения прибора необходимо:
а) переключатель «род работы» перевести в положение «Арреитир»;
б) отключить прибор от сети.
4. Содержание отчёта.
1. Цель работы.
2. Приборы, оборудование.
3. Описание методики проведения испытания.
4. Выводы по проделанной работе.
5. Контрольные вопросы.
1. Объясните механизм проводимости в собственных и примесных полупроводниках.
2. Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков по своим электрическим
свойствам.
3. В каких устройствах используются свойства полупроводников изменять сопротивление при
действии температуры, освещенности, действия электрического поля. Приведите примеры
использования этих устройств.
Литература.
- В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев и др. Электротехнические и конструкционные материалы. «Мастерство», 2001 г.
- Л.В. Журавлева Электроматериаловедение, АСАДЕМА, 2004 г.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
Определение зависимости проводимости полупроводников от температуры.
1. Цель работы: Получить навыки измерения сопротивления терморезистора.
2. Пояснения к работе:
Значение удельной проводимости определяется концентрацией свободных носителей заряда и их подвижностью.
Подвижность носителей заряда определяется, прежде всего, их эффективной массой, скоростью и частотой столкновений с узлами и дефектами кристаллической решётки, в целом слабо зависит от температуры. Поэтому на характер зависимости электропроводности полупроводника от температуры основное влияние оказывает концентрация носителей заряда. Рассмотрим это влияние па примере полупроводника, легированного донорной примесью, основными носителями заряда которого являются электроны. Будем считать, что = const.
При температуре, стремящейся к абсолютному нулю все электроны связаны с атомами, в зоне проводимости электронов нет и проводимость равна нулю. Если за счет внешней энергии повысить температуру полупроводника, то некоторые электроны начнут переходить в зону проводимости. Прежде всего, это коснётся слабо связанных электронов атомов примесей, которым для перехода в зону проводимости необходима энергия много меньшая, чем энергия активации собственных электронов. Следовательно, с ростом температуры концентрация носителей заряда и проводимость будут возрастать. Упрощенно эту зависимость можно описать выражением:
где: γ0 - постоянный коэффициент.
Для удобства изображения принято строить графики зависимости
не , а ln
Прологарифмировав выражение (1) получаем
ln
т.е. ln γ линейно возрастает при уменьшение 1/Т.
Этому выражению соответствует участок 1-2 на рисунке 1.
При дальнейшем возрастании температуры произойдет истощение примеси, т.е. все валентные электроны перейдут в зону проводимости, после чего проводимость перестанет увеличиваться (участок 2-3). Проводимость будет оставаться постоянной до тех пор, пока температура не уменьшится на столько, что энергия собственных электронов превысит ширину запрещённой зоны, когда концентрация носителей заряда начнет резко возрастать за счет собственных электронов, переходящих в зону проводимости (участок 3-4).
В связи с тем, что концентрация собственных атомов на несколько порядков больше концентрации атомов примесей, значение собственной электропроводимости будет существенно больше значения примесной.
|
|
![](https://konspekta.net/poisk-ruru/baza2/2003527212319.files/image023.gif)
![](https://konspekta.net/poisk-ruru/baza2/2003527212319.files/image025.jpg)
Рисунок 1. Теоретическая зависимость полупроводников от температуры при различных концентрациях примесей.
Полупроводниковые термосопротивления (терморезисторы) характеризуются значительным возрастанием электропроводимости с повышением температуры.
Для изготовления терморезисторов применяют ряд материалов: окись кобальта, окись магния, карбид кремния и др.
Терморезисторы находят широкое применение для измерения и регулирования температуры, тремокомпенсации, стабилизации напряжения, ограничения импульсных пусковых токов в качестве бесконтактных реостатов и токовых реле времени.
В данной работе изучается зависимость величины сопротивления терморезистора ММТ-4 (медно-марганцевый терморезистор) от температуры. Этот тип терморезистора выполнен в герметичном исполнении и может работать на воздухе с повышенной влажностью и даже в жидкостях.
3. Работа в лаборатории.
Рисунок 1. Схема опыта.
1. Ознакомиться с измерительной установкой и работой над ней.
2. Замерить сопротивление резистора при комнатной температуре при этом переключатель
поставить в положение R.
3. Снять зависимость сопротивления терморезистора от температуры.
Для этого включить термостат, замерить сопротивление при температуре 25°С, затем Производить измерения через 10°С до температуры 100°С - 110°С.
4. Результаты измерений занести в таблицу.
Таблица 1. Зависимостьсопротивления полупроводника от температуры.
Показания милливольтметра | Температура ![]() | h (множитель) | Om R | R=n-R Ом |
5. Построить график измерения сопротивления терморезистора от температуры.
4. Содержание отчёта.
1. Цель работы.
2. Приборы, оборудование.
3. Схема установки.
4. Ход работы.
5. Таблица результатов.
6. График зависимости.
7. Ввод.
5. Контрольные вопросы.
1. Объясните механизм собственной проводимости полупроводников.
2. Объясните механизм примесной проводимости полупроводников.
3. Объясните изменение проводимости полупроводников с изменением освещённости,
напряженности поля.
Литература.
1. В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев и др. Электротехнические и конструкционные материалы.
«Мастерство», 2001 г.
2. Л.В. Журавлева Электроматериаловедение, АСАДЕМА, 2004 г.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Определение удельного сопротивления проводниковых материалов.
1. Цель работы: 1. Закрепить понятие удельного сопротивления проводников
2. Ознакомиться с методикой определения этого сопротивления
3. Получить навыки в работе с чувствительными приборами
2. Пояснение к работе
Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости и при соответствующих условиях, газы.
Металлические твердые проводники являются основным типом проводниковых материалов, применяемых в радио и электротехнике.
Механизм прохождения тока в металлах (в твердом и жидком состоянии) обусловлены движением свободных электронов, поэтому металлы и называются проводниками с электронной проводимостью или проводниками I рода.
Проводниками 2 рода или электролитами являются растворы солей, щелочей и кислот, прохождение тока в которых связано с переносом ионов, вследствие чего состав электролита изменяется. Металлические проводники могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления.
Материалы высокой проводимости используются для изготовления обмоточных, монтажных, установочных проводов, обмоток электрических машин и т.п. Проводниковые материалы высокого сопротивления используется для изготовления постоянных и переменных резисторов, электронагревательных приборов, ламп накаливания, реостатов и т.д.
Ток в металле - упорядоченное движение электронов. На пути коллективного движения электронов возникают препятствия, причиной которых являются наличие искажений в строении кристаллической решётки из-за внедрения в эту решетку каких - либо примесей и колебательных тепловых движений узлов решётки
Таким образом, чистые металлы должны иметь меньше сопротивления электрическому току, чем сплавы и тем меньше, чем ближе значение температуры к абсолютному нулю.
Электрические свойства металлических проводников в первую очередь характеризуется удельной электропроводностью и обратной величиной - удельным сопротивлением р. Удельное электросопротивление для проводника с постоянным поперечным сечением "S" и длиной l вычисляется по формуле
р = R мкОм* м
В системе СИ (Ом*м)
Величина удельного сопротивления металлического проводника на основании классической электронной теории электропроводности металлов может быть выражена следующей формулой
р = мкОм * м
где т - масса электрона, кг.
υ- средняя скорость теплового движения электрона внутри металлического проводника, м/с
l ср- средняя длина свободного пробега электрона, м
п - концентрация электронов
Для различных проводников скорости хаотического движения примерно одинаковы, незначительно отличаются также и концентрации свободных электронов n. Например, в нормальных условиях для меди п = 8,5*1028 м-3, для алюминия п =8,3*1О28 м-3
Наиболее существенно у различных проводников отличается значение ℓcp, зависящее от структуры состава проводника и определяющие его сопротивление электрическому току.
Поэтому величина удельного сопротивления в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая в свою очередь зависит от строение проводника, его структуры.
Таблица 1 Основные Физические свойства некоторых чистых металлов и сплавов
Металл | Плотность мг/м3 | Температура плавления
![]() | Удельное сопротивления мкОм *м | TKp*10-4 К-1 | Удельная термо-7Д.С. относ. Меди мкВ*К-1 | TKl*10-6, K-1 |
2 | 3 | 4 | 6 | |||
Медь | 8,94 | 0,0172 | 0,0 | |||
Алюминий | 2,7 | 0,028 | -3,1 | |||
Вольфрам | 19,3 | 0,055 | +0,2 | 4,4 | ||
Молибден | 10,2 | 0,057 | +4,5 | 5,1 | ||
Тантал | 16,6 | 0,135 | +4,3 | 6,5 | ||
Титан | 4,5 | 0,42 | +2,7 | |||
Серебро | 10,5 | 0,016 | -0,3 | |||
Железо | 7,87 | 0,098 | + 14,8 | |||
Никель | 8,9 | 0,073 | -21,1 | |||
Кобальт | 8,71 | 0,062 | -21,9 | |||
Свинец | 11,4 | ,021 | -3,0 | |||
Олово | 7,31, | 0,12 | -2,9 | |||
Константен | 8,9 | 0,49-0,52 | -2/+6 | 40-50 | 10-15 | |
Манганин | 8,4 | 0,47-0,48 | 10-15 | 1-2 | 15-20 | |
Нихром | 7,1-7,5 | - | 1,0-1,16 | 140-160 | - | >=22 |
Х15 Н60 |
Рисунок 1 - Схема опыта
Удельное сопротивление проводниковых материалов определяется на постоянном токе путем измерения сопротивления образца.
3. Порядок выполнения работы.
В зависимости от предложенного преподавателем прибора для определения R следует придерживаться
следующего порядка:
1. Ознакомиться с методом измерения сопротивления на приборе.
2. Изучить основные теоретические положения.
3. Вычислить площадь поперечного сечения проводника по формуле.
4. Подключить измерительный прибор, измерить сопротивления образца.
5. Вычислить р для каждого материала по формуле ρ = R
6.Результаты измерения записать в таблицу 1.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№5 Определение термо-ЭДС проводников.
1. Цель работы: Получить навыки измерения термо-ЭДС. Исследовать зависимость термо-ЭДС от температуры.
2. Пояснения к работе:
При соприкосновении 2-х различных металлов между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной разностью потенциалов. Причина контактной разности потенциалов заключается в различных значениях работы выхода электронов из металла, а также в том, что число свободных электронов в единице объема различных металлов неодинаково. Это значит, что электроны из металла с большей энергией электронов переходит в металл с меньшей энергией электронов, заряжает его отрицательно, в то время, как теряющие электроны металл заряжается положительно.
Контактная разность потенциалов для различных пар металлов не одинакова и меняется от десятых долей вольта до нескольких вольт.
Но наличие контактной разности потенциалов не может привести к возникновению ЭДС, так как сумма разности потенциалов в замкнутом контуре, при одинаковой температуре, равна нулю. Если составить замкнутую цепь из двух металлов и один из слоев нагреть, оставляя другой холодным, то в цепи потечет ток.
Этот эффект получил название термоэлектрического явления.
Таким образом, видно, что контактная разность потенциалов обусловлена двумя причинами: различием в работах выхода и различием в числе свободных электронов. Если привести в соприкосновение два разных металла или сплава (А и Б), то в месте их контакта возникает разность потенциалов, называемая контактной.
На контактной разности потенциалов основан принцип действия термопары (рис.1).
При замыкании свободных концов во втором слое термопары возникает ЭДС, которая равна сумме разностей потенциалов в спаях.
ЕТ=K(T1-T2)l =αA-B(T1-T2),
где: ЕТ термо-ЭДС измеряемая в В;
αA-B - коэффициент термо-ЭДС В/град.;
T1-T2- разность температур горячего и холодного спая термопары;
поА, по В - концентрация свободных электронов в металлах.
Отсюда следует, что возникающая ЭДС в данной паре зависит от разности температур горячего и холодного спаев и не равна нулю, если один из контактов нагрет до более высокой температуры, чем другой.
Термоэлектрические явления в настоящее время широко используются как для измерения высоких температур, так и для обнаружения весьма слабых нагреваний. Для измерения высоких температур, так и для обнаружения весьма слабых нагреваний. Для измерения высоких температур применяются термопары, представляющие собой две проволоки из определенных металлов с известной термо-ЭДС. В месте контакта проволока спаивается или сваривается, один конец помещается в среду с повышенной температурой, другой остается при комнатной температуре.
В цепи возникает ЭДС, определяется разность температур T1-T2. Поскольку T2 известна, можно определить T1.
Таблица 1. Результаты
Материал | R Ом | ℓM | dмм | SMM | р расг мкОм *м | р табл. мкОм*м |
1.Медь 2.Алюминий 3.Сталь4. Манганин 5.Константам 6.Нихром |
5. Содержание отчета
1. Цель работы
2. Схема опыта
3. Порядок выполнения работы
4. Результаты эксперимента
5. Пример расчета и расчетные формулы
6. Вывод по проделанной работе
6. Контрольные вопросы
1. Каковы состав и структура исследуемых проводников
2. Что называется удельным электросопротивлением
3. Единицы измерения удельного сопротивления металлических проводников.
4. Где применяются металлические проводники?
6. Назовите сплавы высокого сопротивления, широко применяемые в
электротехнике? Каков их состав?
7. На какие группы делятся металлические проводники по величине удельного
сопротивления?
Литература: Никифоров Н. Н. и др. «Электрорадиоматериалы»
![]() |
Рисунок 1. Схема термо-пары.
Описание лабораторной установки.
Схема установки для измерения термо-ЭДС приведена на рисунке 2. Для отключения прибора необходимо:
а) переключатель «Род работы» перевести в положение «Арриертир».;
б) отключить микровольтамперметр от сети;
в) произвести измерения.
![]() |
Рисунок 2. Схема опыта.
3. Порядок выполнения работы.
1. Ознакомиться с методом измерения термо-ЭДС с помощью микровольтамперметра иработой
термостата.
2. Собрать лабораторную установку по схеме рис.2.
Я. Измерить термо-ЭДС термопары при комнатной температуре.
4. Включить термостат и нагреть до 100°С.
5. Измерить термо-ЭДС термопары, нагревая её от комнатной температуры до 100°С через
каждые 10°С.
6. Вычислить удельную термо-ЭДС термопары a1-2 для каждого интервала.
Температурапо формуле:
a1-2= (mB/град)
где: ЕТ - термо-ЭДС термопары мВ; ∆t= t гор. - txoл. С.
7. Результаты измерения и вычислений занести в таблицу 1.
№ | Измерить | Вычислить | ||||||
н/н | Тгор. ![]() | Em мВ | ∆t ![]() | а | 1-2 (мВ / град) | |||
Ф116/2 - микровольтамперметр; ТП - термостат;
Т - термометр.
Технические данные микровольтамперметра постоянного тока типа Ф116/2.
1. Микровольтамперметры постоянного тока фотокомпенсационного типа Ф116/2
предназначены для измерения малых напряжений и токов.
2. Класс точности приборов 1,556,2,5,4.
3. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В с частотой
50Гц.
4. Микровольтамперметры безотказно работают при температуре окружающего воздуха от 10 до
35 С и относительной влажности не более 80%.
5. Пределы измерения: 0-75mV, 0-75μA.