Отчет по лабораторной работе №1

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский энергетический институт

(Технический университет)

филиал в г. Смоленске

Кафедра ТОЭ

Отчет по лабораторной работе № 1

“Электропроводность проводниковых и полупроводниковых материалов”

Смоленск 2004 г.

Цель работы: изучение электропроводности металлов и полупроводников. В качестве объектов исследования используется отожжённая медь марки М1, фото- и терморезисторы.

Рабочее задание.

Ознакомиться с установкой
Проверить механический нуль нульиндикаторного моста.
Переключить К1 и К2 в положение «отключено».
Включить питание установки и моста.
Измерить сопротивление медного проводника и терморезистора при комнатной температуре, подключая их попеременно к мосту переключателем К3.
Включить термостат и через каждые 5 градусов измерять величину сопротивления меди и терморезистора. Результаты измерений занести в таблицу 1 и 2 соответственно.
Построить график зависимости сопротивления меди от температуры и объяснить его.
Построить график зависимости удельного сопротивления меди от температуры. Рассчитать , где R – измеренное сопротивление, l – длина медного проводника, S – его сечение. Объяснить полученную зависимость.
Определить для меди значение  по формуле . Сравнить полученное значение со справочными данными и объяснить разницу в значениях.
Используя формулу рассчитать отношение для исследуемого медного проводника.
Построить график зависимости сопротивления терморезистора от температуры. Найти _пп и сравнить со значением  меди.
Построить график зависимости ln_пп от обратной температуры 1/T, учитывая, что _пп=h/RS, где S – площадь контакта, h – толщина полупроводника, R – его сопротивление. Объяснить полученную зависимость.
Определить, используя формулу , глубину залегания примесного уровня.
Построить энергетическую диаграмму терморезистора.
Переключить К2 в положение «включено», а К3 в нейтральное.
Снять зависимость сопротивления фоторезистора от освещённости реостатом R1, меняя ток накала лампы Л1, данные занести в табл. 3.
Построить зависимость lgR_ф=f(lgI) для сопротивления и объяснить её.
Определить показатель степени в выражении _ф=сI^x.

Рис. 1. Схема для измерения электропроводности металлов и полупроводников.

1 – мост постоянного тока

2 – люксметр

Л1 – источник света

R_пп – полупроводниковое сопротивление

R_м – медное сопротивление

R1 – реостат

К1 – выключатель

К1 – выключатель

К3 – переключатель

Технические данные установки.

Медный проводник:

Полупроводник Ge+As:

Ход работы.

Табл. 1

Зависимость сопротивления меди от температуры

Температура		R_м, Ом	_м, Омм x10
tC	Т, К	R_м, Ом	_м, Омм x10

Табл. 2

Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Температура			R_пп, Омм^-1	_пп, Ом	ln
tC	Т, К	10⁴/T	R_пп, Омм^-1	_пп, Ом	ln

Табл. 3

Зависимость сопротивления фоторезистора от освещённости

Освещённость I, лк	R_ф, Ом	lgI	lgR

Металлы.

Медь. Получение меди. Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5-7,2 мм; затем катанку протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности оксид меди CuO Физические свойства меди:

температура плавления 1083,0С;
температура кипения 2300 С;
плотность 8,94 Мг/м3;

удельная теплоемкость 385 Дж/(кг К);
коэффициент теплопроводности 390 Вт/м К);
ТК линейного расширения 16 106, К-1;
удельное сопротивление 0,017 мкОм м;
ТК удельного сопротивления 43 104, К-1
Работа выхода электронов 4,3 эВ;

, образующийся при нагреве, а затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров – до 0,03-0,02 мм.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала: 1) малое удельное сопротивление;

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии;

4) хорошая обрабатываемость ( медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5) относительная легкость пайки и сварки.

Физические свойства меди:

температура плавления 1083,0С;
температура кипения 2300 С;
плотность 8,94 Мг/м3;

удельная теплоемкость 385 Дж/(кг К);
коэффициент теплопроводности 390 Вт/м К);
ТК линейного расширения 16 106, К-1;
удельное сопротивление 0,017 мкОм м;
ТК удельного сопротивления 43 104, К-1
Работа выхода электронов 4,3 эВ;

При холодной протяжке получают твердую ( твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит. Если же медь подвергать обжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение перед разрывом и более высокую удельную проводимость. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Свойства медной проволоки:

Предел прочности при растяжении р МТ =360-390 МПа

ММ =260-280 Мпа

Относительное удлинение перед разрывом l/l МТ =0,5-2,5 %

ММ =18-35 %

Удельное сопротивление  МТ =0,0179-0,0182 мкОм м

ММ = 0,01754 мкОм м

Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию ( для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.) .Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими материалами, в особенности алюминием.

Алюминий.

Алюминий является вторым по значению ( после меди) проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов с плотностью менее 5 Мг/м3; плотность литого алюминия около 2,6, а прокатного – 2,7 Мг/м3.Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как медный, нужно взять его сечение в 1.63 раза большим, т. е. Диаметр должен быть в 1.3 раза больше диаметра медного провода. Если же сравнить по массе два отреза алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами.

Физические свойства алюминия:

температура плавления 657,0С;
температура кипения 1800 С;
плотность 2,70 Мг/м3;

удельная теплоемкость 922 Дж/(кг К);
коэффициент теплопроводности 209 Вт/м К);
ТК линейного расширения 24 106, К-1;
удельное сопротивление 0,028 мкОм м;
ТК удельного сопротивления 42 104, К-1
работа выхода электронов 4,3 эВ;

Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 ( не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей , не превышающее 0,004%. Разные примеси в различной степени снижают удельную проводимость  алюминия.

Полупроводники.

Германий. Содержание германия в земной коре невелико, около 7 10-4%. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в диоксид германия (GeO2) – порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в водородной печи при температуре 650-700 С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия получают непосредственно из GeCl4 путем разложения этого соединения при высокой температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же для непосредственого получения монокристаллов методом вытягивания из расплава ( метод Чохральского ).

Физические свойства германия:

атомная масса 72,60;
атомный объем 13,5;
постоянная решетки 0,566 нм;
плотность при 20С 5,3 Мг/м3;

средний температурный коэффициент линейного расширения (0-100С) 6,0  10-6 К-1;
коэффициент теплопроводимости 55 Вт/(м К);
средняя удельная теплоемкость (0-100С) 333 Дж/(кг К);
температура плавления 936С;
удельная теплота плавления 4,1  105 Дж/кг;
коэффициент поверхностного натяжения ( при температуре плавления) 0,6 Н/м;
собственное удельное сопротивление при20С 0,47 Ом м;
собственная концентрация основных носителей 2,5  1019 м-3;
ширина запрещенной зоны при 20С 0,72 эВ;
подвижность электронов 0,39 м2/(В  с);
подвижность дырок 0,19 м2(В  с);
диффузионная длина неосновных носителей 0,2-3,0 мм;
работа выхода электронов 4,8 эВ;
первый ионизационный потенциал 8,10 В;
диэлектрическая проницаемость 16;
термо – ЭДС относительно платины при Т = 100К 33,0 мВ.

При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная с температуры 1100С – падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5-6 %. Максимум фотопроводимости достигается при   1,5 мкм в области инфракрасной части спектра.

Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие ,применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности, умножения двух величин в приборах вычислительной техники и т. д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой ( для инфракрасных лучей ), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн. Германий используется для изготовления счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон температур германиевых приборов от – 60 до + 70 С; при повышении температуры до верхнего предела прямой ток, например у диодов, увеличивается почти в два раза, а обратный – в три раза. При охлаждении до – 950-60)С прямой ток падает на 70 –75 %.

Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний.

Это один из распространенных элементов земной коры ( около 30% ). Технический кремний (около одного процента примесей ) получают в электрических печах восстановлением его оксидов углесодержащими веществами. Затем химическим путем образуют легколетучие хлористые соединения кремния, например трихлорсилан (SiHCl3), представляющий собой жидкость с температурой кипения около 32 С. После тщательной дополнительной очистки трихлорсилан с потоком водорода поступает в камеру восстановления, в которой на нагретые электрическим током до 1250 С кремниевые стержни – затравки оседает чистый поликристаллический кремний. Процесс ведут до получения нужного диаметра стержня ( до 100 и более мм).

Физические свойства кремния:

атомная масса 28,06;
атомный объем 11,7;
постоянная решетки 0,542 нм;
плотность при 20С 2,3 Мг/м3;

средний температурный коэффициент линейного расширения (0-100С) 4,2  10-6 К-1;
коэффициент теплопроводимости 80 Вт/(м К);
средняя удельная теплоемкость (0-100С) 710 Дж/(кг К);
температура плавления 1414С;
удельная теплота плавления 1,6  106 Дж/кг;
коэффициент поверхностного натяжения ( при температуре плавления) 0,72 Н/м;
собственное удельное сопротивление при20С 2000 Ом м;
собственная концентрация основных носителей 1  1016 м-3;
ширина запрещенной зоны при 20С 1,12 эВ;
подвижность электронов 0,14 м2/(В  с);
подвижность дырок 0,05 м2(В  с);
диффузионная длина неосновных носителей 0,1-0,5 мм;
работа выхода электронов 4,3 эВ;
первый ионизационный потенциал 8,14 В;
диэлектрическая проницаемость 12,5;
термо – ЭДС относительно платины при Т = 100К 41,6 мВ.

Электропроводимость кремния очень сильно зависит от концентрации примесей.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При использовании кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120 –200С, что значительно выше, чем для германия.

Карбид кремния.

Карбид кремния стехиометрического состава содержит 70,045 % Si и 29,955 % С (по массе).

Технический карбид кремния изготовляется в электрических печах при восстановлении диоксида кремния ( кварцевого песка ) углеродом. Окраска кристаллов SiC и тип электропроводности зависят от инородных примесей либо избытка атомов Si или С над количеством их, отвечающим стехиометрическому составу.

Основные физические свойства кристаллов SiC :

плотность 3,2 Мг/м3;
коэффициент теплопроводимости при 20 С 10 –40 Вт/(м  К);
удельная теплоемкость 620 –750 Дж/(кг  К);
температурный коэффициент линейного расширения ( 4 –7 )  10-6К-1;
твердость по минералогической шкале 9,5;
ширина запрещенной зоны 2,8 –3,1 эВ;
подвижность электронов при 20 С 0,01 –0,05 м2/(В  с);

подвижность дырок при 20 С 0,002 –0,005 м2/(В  с);
диэлектрическая проницаемость 6,5 –7,5 ;
термо – ЭДС относительно меди 300 мк В/К;

Удельная проводимость материала примерно 150 См/м; при температуре 20 С, размере зерен 63 –75 мкм и давлении на порошок 60 МПа в области слабого поля ( до 5 В на сантиметр высоты порошка ) удельная проводимость порошка будет примерно 2  10-6 См/м. При увеличении зерна до 85 – 105 мкм и при всех прежних условиях удельная проводимость порошка возрастает до значений больших 10-3 См/м . Вся зависимость плотности тока от напряженности электрического поля имеет нелинейный характер, т. е. электропроводность порошков карбида кремния не подчиняется закону Ома. Карбид кремния в электротехнике применяется для изготовления резисторов вентильных разрядников,защищающих линии передачи высокого напряжения и аппаратуру; для производства различных низковольтных варисторов, используемых в автоматике, электроприборостроении, в технике получения высоких температур и т. д.

Blog

Отчет по лабораторной работе №1

Содержание

Отчет по лабораторной работе № 1

“Электропроводность проводниковых и полупроводниковых материалов”