Termistorul - laboratorul de optica

UNIVERSITATEA 'POLITEHNICA' DIN BUCURESTI

CATEDRA DE FIZICA

LABORATORUL DE OPTICA

BN - 122 B

TERMISTORUL

STUDIUL VARIATIEI CU TEMPERATURA A REZISTENTEI ELECTRICE A MATERIALELOR SEMICONDUCTOARE

TERMISTORUL

STUDIUL VARIATIEI CU TEMPERATURA A REZISTENTEI ELECTRICE A MATERIALELOR SEMICONDUCTOARE

1. Scopul lucrarii

Verificarea legii dependentei rezistentei electrice cu temperatura la materialele semiconductoare.

2. Teoria lucrarii

Pentru materialele semiconductoare pure (sau slab dopate) numite termistoare, la temperaturi inferioare catorva sute de grade Celsius, energia Fermi se afla in banda interzisa, departe atat de banda de valenta cat si de banda de conductie.

La T 0, agitatia termica va popula banda de conductie cu o concentratie de electroni liberi notata cu n, in timp ce in banda de valenta vor aparea golurile, in concentratie p.

Daca semiconductorul este nedopat, p = n.

Din teoria benzilor de energie in materialele semiconductoare rezulta expresiile celor doua concentratii de sarcini electrice:

(1)

(2)

unde este masa efectiva a electronilor; este masa efectiva a golurilor; k este constanta Boltzman; T este temperatura semiconductorului; h este constanta Planck; este energia corespunzatoare minimului benzii de conductie; este energia corespunzatoare plafonului benzii de valenta, este energia nivelului Fermi aflat, in cazul semiconductorilor intrinseci, la jumatatea 'distantei' dintre si

Facand produsul expresiilor (1) si (2) rezulta:

(3)

Tinand seama ca:

(4)

se deduce concentratia purtatorilor in semiconductorii intrinseci

(5)

Conductibilitatea electrica a unui semiconductor este:

(6)

Mobilitatile fiind practic independente de temperatura rezulta:

(7)

unde si poarta numele de largimea benzii (zonei) interzise.

Rezistenta unei probe semiconductoare va fi:

(8)

si dependenta ei de temperatura e reprezentata in fig. 1.

Fig. 1

Logaritmand expresia (8) se obtine:

(9)

3. Dispozitivul experimental este prezentat in figura 2 si cuprinde un cuptor electric (1) pentru incalzirea termistorului, un ohmmetru (2), care serveste la masurarea rezistentei termistorului si un transformator (3) pentru alimentarea ohmetrului. Cuptorul are inertie termica mare astfel incat, desi nu este alimentat printr-un reostat ci direct de la retea, cresterea temperaturii este foarte lenta. Acest fapt inlatura necesitatea unui termostat, permitandu-ne sa presupunem ca fiecare masurare de rezistenta se face intr-un regim stationar. Pe capacul cuptorului sunt fixate termometrul (4) pentru indicarea temperaturii si termistorul (5) cu cele 2 borne care sunt legate prin conductori izolati la ohmetru.

Fig. 2

Ohmetrul este construit dupa schema puntii Wheastone. El cuprinde ungalvanometru (6) ca instrument de zero, un comutator (7) (rotativ sau cu fisa) care schimba intervalele de valori indicand de fiecare data factorul multiplicator, si o rezistenta variabila (8) cu cursor gradat si prevazut cu indicator. Un intrerupator (9) intercalat in circuitul acumulatorului permite ca alimentarea ohmetrului sa se faca doar in timpul citirilor. La unele ohmetre intrerupatorul intra in constructia lor sub forma unui buton .

4. Modul de lucru

Se verifica legaturile de la termistor la ohmetru si la transformator. Sub indrumarea cadrului didactic se face prima masurare a rezistentei termistorului. Cursorul rezistentei variabile se pune pe pozitia minima iar comutatorul factorului multiplicator pe pozitia maxima. Se apasa scurt pe buton (intrerupator) si se observa sensul deviatiei acului galvanometrului. Se trece la factorul multiplicator inferior observand din nou sensul deviatiei acului. Operatiunea se repeta pana cand sensul deviatiei acului se schimba. Din acest moment se apasa permanent pe buton si rotind cursorul, se aduce acul galvanometrului la zero, dupa care se ridica degetul de pe buton. Rezistenta termistorului este egala cu valoarea indicata la cursor inmultita cu factorul multiplicator. In acest moment se citeste si temperatura. Valorile se trec intr-un tabel de forma:

Se porneste incalzirea cuptorului punandu-l la priza de 380 V curent alternativ. Pe masura ce temperatura creste se fac noi masuratori ale rezistentei, nemaifiind necesare incercarile cu diferiti factori multiplicatori. Temperatura se citeste imediat dupa aducerea acului la zero. Intervalul de temperatura dintre doua citiri se alege atfel incat de la temperatura initiala (care eventual este mai mare decat temperatura camerei) si pana la temperatura finala (care nu trebuie sa depaseasca 100^oC) sa se faca un numar de aproximativ 10 citiri. Este preferabil ca intervalele de temperatura dintre citirile succesive sa fie egale, insa rezultatele experientei nu vor fi viciate daca din neatentie a fost depasita vreuna dintre temperaturile propuse. Important este ca citirea temperaturii sa se faca practic concomitent cu determinarea rezistentei. La terminarea masuratorilor se scoate cuptorul din priza.

5. Prelucrarea rezultatelor experimentale

Folosind datele din tabel se traseaza un grafic cu axele respectiv . Printre punctele experimentale se traseaza dreapta de interpolare. Se deduce panta m a acestei drepte. Conform relatiei (9)

Se va calcula exprimata in electroni volti. (k = 8,6.10 eV / K)

6. Intrebari

1. Ce este un termistor?

2. De ce un termistor este mult mai sensibil la variatia temperaturii decat un metal?

3. Care este starea de umplere a nivelelor din banda de conductie, respectiv valenta, la un semiconductor la T = 0 K si T 0 K?