Тема 6. Физика твердого тела

Цель работы: определить температурный коэффициент сопротивления проводника и род исследуемого образца.

Приборы и принадлежности: установка для изучения температурной зависимости электропроводности металлов и полупроводников ФПК – 07, карандаш, линейка, калькулятор, миллиметровая бумага.

Таблица заданий по исследованию проводников

Задание 1

t,град.С	25	30	35	40	45
R, Ом	19	26	34	45	46,8

Задание 2

t,град.С	40	45	50	55	60
R, Ом	46	47	48	49	50

Задание 3

t,град.С	35	40	45	50	55
R, Ом	32,6	48	50,2	54	58,6

Задание 4

t,град.С	45	50	55	60	65
R, Ом	47	49	51,2	53	54,6

Задание 5

t,град.С	25	35	45	55	65
R, Ом	22	34	46	57	69

Цель работы: оценить ширину запрещенной зоны полупроводника.

Таблица заданий по исследованию полупроводников

Задание 6

t,град.С	27	30	33	40	45
R, кОм	25	21,4	15,6	12,5	10,4

Задание 7

t,град.С	40	45	50	55	60
R, Ом	12,6	10,3	8,8	7,5	6,7

Задание 8

t,град.С	25	30	35	40	45
R, кОм	25	16,4	13,6	11,5	9,4

Задание 9

t,град.С	27	37	47	57	67
R, кОм	32	18,3	12,6	9,5	8,9

Задание 10

t,град.С	23	33	43	53	63
R, кОм	28,2	19,5	12,6	8,5	7,4

Теоретическая часть выполняется обучающимся самостоятельно [5, с. 50].

Экспериментальная часть

1. Описание экспериментальной установки

Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 1. Установка состоит из объекта исследования (1) (электропечи с установленными в ней исследуемыми образцами и датчиком) и устройства измерительного (2). В объекте исследования установлены электропечь с помещенными внутри образцами, датчик (термометр сопротивления), вентилятор для охлаждения электропечи и источники питания электропечи и вентилятора со схемами управления. Электропечь служит для нагрева образцов. Вентилятор служит для ускорения охлаждения электропечи после окончания работы с установкой. Источники питания со схемами управления предназначены для питания электропечи и вентилятора и управлением их работой с устройства измерительного. На передней панели объекта исследования находится окно, позволяющее наблюдать электропечь и образцы, установленные в ней. На этой же панели размещены следующие органы управления и индикации: выключатель «СЕТЬ» – предназначен для включения и выключения питания объекта исследования; переключатель «ОБРАЗЕЦ» – предназначен для поочередного подключения образцов к измерительному входу устройства измерительного (2). Положениями переключателя «ОБРАЗЕЦ» соответствует подключение следующих образцов:

«1» – металл (медь),

«2» – сплав с низкотемпературным коэффициентом сопротивления (манганин или константан),

«3» – полупроводник (полупроводниковый терморезистор),

«0» – в этом положении измерительный вход устройства измерительного закорочен.

На задней панели объекта исследования (1) расположены клемма заземления, держатели предохранителей (закрыты предохранительной скобой), сетевой шнур с вилкой и соединительный шнур с разъемом для подключения объекта исследования к измерительному устройству (2).

На передней панели устройства измерительного размещены следующие органы управления и индикации: кнопки «НАГРЕВ» и «ВЕНТ» – предназначены для включения и выключения (путем повторного нажатия) электропечи и вентилятора объекта исследования; кнопка «СТОП ИНД» – предназначена для включения и выключения режима остановки индикации значений температуры и сопротивления при снятии показаний с индикаторов; индикаторы «^оС» и «Ом» – предназначены для индикации значений величин температуры и сопротивления образцов в процессе работы; индикаторы «НАГРЕВ», «ВЕНТ» и «СТОП ИНД» – предназначены для индикации установленных режимов работы.

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки ФПК – 07

Принцип действия установки основан на измерении сопротивления образца в процессе его нагрева.

2. Порядок выполнения расчетно-графической работы

1. Заполните таблицу экспериментальных данных по зависимости сопротивления исследуемого образца от температуры.

Таблица 1

R,Ом
t, 0C
Т, К

2. По данным табл. 1 постройте график зависимости R = f (t).

а) б)

Рис. 2. График зависимости сопротивления исследуемого образца от температуры нагревания: а) проводник (металл), б) полупроводник

3. Из графика зависимости R = f (t) (рис. 2,а) найти значение коэффициента сопротивления металла ( , , где R₀ – сопротивление металла при комнатной температуре), оценить ошибку определения коэффициента сопротивления (α_Cu = 4.3∙10^{-3 о}С^-1).

4. По данным графика зависимости сопротивления от температуры (рис. 2.) делаем заключение о природе материала: если вещество является полупроводником, тогда необходимо занести данные в табл. 2.

Таблица 2

R, Ом
t, 0C
Т, оК
, К-1
ln R

5. По данным табл. 2 постройте график зависимости натурального логарифма сопротивления полупроводника от обратной температуры .

6. Из графика (рис. 3) определите ширину запрещенной зоны полупроводника (поскольку сопротивление проводника с ростом температуры уменьшается по экспоненциальному закону , то ширина запрещенной зоны определяется как , , где k = 1.38∙10^-23 ДЖ∙ К^-1

Рис. 3. График зависимости натурального логарифма сопротивления

полупроводника от обратной температуры

7. Сделайте вывод по проделанной работе.