Файл: Исследование электрических свойств проводниковых материалов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 56
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МНЭ
отчет
по лабораторной работе №1
по дисциплине «МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ»
Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
| Студент гр. 1404 | | Сухов Ю.П. |
| Преподаватель | | Тестов И.О. |
Санкт-Петербург
2023
Цели работы
Измерение сопротивлений объемных и тонкопленочных резисторов; исследование зависимостей удельных электрических сопротивлений и их температурных коэффициентов от температуры и состава резистивных материалов, а также зависимостей термоЭДС термопар от разностей температур контактов.
Основные понятия и определения
Проводники электрического тока – это материалы и среды с малым удельным электрическим сопротивлением, значения которого находятся в пределах 10−5-10−8 Ом∙м, обладающие высокой удельной проводимостью, обусловленной наличием в них большой концентрации электрических зарядов, способных свободно перемещаться.
Все металлы и сплавы на их основе в твердом и жидком состоянии и некоторые модификации углерода, механизм протекания электрического тока в которых обусловлен движением свободных электронов, относятся к проводникам электрического тока с электронной электропроводностью или проводникам первого рода.
Электролиты и расплавы ионных соединений относятся к проводникам с ионной электропроводностью, или проводникам второго рода.
Ионизированный газ в состоянии плазмы тоже является проводящей средой, в которой объемные плотности положительно и отрицательно заряженных частиц практически одинаковы.
Высокая проводимость проводников позволяет использовать их для передачи электрической энергии
, возбуждения электромагнитных полей, создания электрических межсоединений, контактирования и др.
К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов относят удельное сопротивление ρ и температурный коэффициент удельного сопротивления αρ.
В процессе направленного движения электроны испытывают рассеяние на статических (атомы, вакансии, междоузельные атомы и т. д.) и динамических (тепловые колебания ионов в узлах кристаллической решетки) дефектах структуры. Интенсивность рассеяния определяет среднюю длину свободного пробега электрона и, в конечном счете, значение удельного сопротивления проводника, которое может быть рассчитано по формуле (1).
| |  | (1) |
где m – масса электрона;
u – средняя скорость теплового движения;
e – заряд электрона;
n0 – концентрация свободных электронов;
λ – средняя длина свободного пробега.
Электронный газ в металлах находится в вырожденном состоянии. Поэтому концентрация электронов и их средняя энергия практически не зависят от температуры, но с повышением температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, что приводит к более интенсивному рассеянию электронов в процессе их направленного движения. Соответственно уменьшается длина свободного пробега и возрастает удельное сопротивление.
Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин называют температурным коэффициентом удельного сопротивления, который рассчитывается по формуле (2).
| | | (2) |
В области линейной зависимости ρ(t) справедливо выражение (3).
| | | (3) |
где 0 и – удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления, отнесенные к температуре t
0.
В технике широко применяются сплавы, имеющие структуру неупорядоченных твердых растворов. Все сплавы имеют повышенное удельное сопротивление в сравнении с компонентами, входящими в их состав.
Полное удельное сопротивление сплава рассчитывается по формуле (4).
| |  | (4) |
где t – сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов решетки;
ост – сопротивление, связанное с рассеянием электронов на статических дефектах кристаллической структуры сплава, остающихся в металле и при температуре абсолютного нуля.
Для многих двухкомпонентных сплавов значение остаточного сопротивления от состава хорошо описывается параболической зависимостью
| | | (5) |
где xA, xB – атомные доли компонентов в сплаве;
С – константа, определяемая природой сплава.
Температурные коэффициенты удельного сопротивления сплавов всегда значительно меньше температурных коэффициентов чистых металлов, образующих сплав. В некоторых сплавах может быть даже отрицательным.
В микроэлектронике широко применяются в качестве различных элементов схем тонкие металлические пленки, получаемые методами конденсации. В очень тонких слоях такие пленки могут иметь не сплошную, а островковую структуру. Но электропроводность пленки возникает при некотором минимальном количестве осажденного металла еще до образования соединительных мостиков между островками металла.
При приложении электрического поля происходит переход электронов через диэлектрические зазоры между соседними островками. Механизмами, ответственными за перенос заряда, являются термоэлектронная эмиссия и туннелирование. Сопротивление пленки островковой структуры во многом определяется и поверхностным сопротивлением диэлектрической подложки.
В процессе конденсации металла на подложке происходит слияние островков и образование сначала проводящих цепочек и каналов, а затем – сплошного однородного слоя. Но и в сплошной пленке удельное сопротивление больше, чем удельное сопротивление объемного проводника, что является следствием высокой концентрации дефектов – вакансий, дислокаций, границ зерен, образующихся при срастании островков.
Вследствие поверхностного рассеяния электронов и повышенной степени дефектности структуры удельное сопротивление тонких металлических пленок существенно превосходит удельное сопротивление объемного материала.
Для сравнительной оценки проводящих свойств пленок пользуются таким параметром, как удельное поверхностное сопротивление
| |  | (6) |
где ρ – удельное сопротивление слоя толщиной d.
Параметр R□ не зависит от размера квадрата. Подбором толщины пленки можно изменять R□ независимо от удельного сопротивления.
При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от вида контактирующих металлов и температуры. Термоэлемент, из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, называют термопарой. При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникнет термоэлектрический ток. Если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появится термоэлектродвижущая сила (термоЭДС).
В относительно небольшом температурном интервале термоэлектродвижущая сила U пропорциональна разности температур контактов (спаев) и рассчитывается по формуле (7).
| | | (7) |
где – удельная термоэлектродвижущая сила.
ТермоЭДС в контуре складывается из трех составляющих. Первая обусловлена температурной зависимостью внутренней контактной разности потенциалов Ui, которая, в свою очередь, связана с температурным изменением положения уровня Ферми.
В металлах с увеличением температуры уровень Ферми смещается вниз по энергетической шкале. Поэтому на холодном конце проводника он должен располагаться выше, чем на более нагретом. Следствием смещения уровня Ферми и является возникновение контактной составляющей термоЭДС.
Вторая составляющая термоЭДС, называемая объемной, обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Средняя кинетическая энергия электронов в металле также несколько изменяется с температурой. Отсюда следует, что электроны, сосредоточенные на более горячем конце, обладают несколько большей кинетической энергией и большей скоростью теплового движения по сравнению с носителями заряда холодного конца. Поэтому они в большем количестве диффундируют от горячего конца к холодному. Диффузионный поток,
перенося заряд от горячего конца к холодному, создает между ними разность потенциалов.
Третья составляющая термоЭДС возникает в контуре вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии (фононами). Их поток также распространяется к холодному спаю («фононный ветер»).
Основной вклад в термоЭДС металлических термопар вносит первая причина, т. е. разность уровней Ферми.
Для точного измерения температуры используются металлические термопары с наибольшим значением термоЭДС. Точность измерения температуры обычно составляет 0,1...1,0 C, а диапазон измеряемых температур зависит от материалов термопары.
Явления возникновения контактной разности потенциалов и термоЭДС следует учитывать при создании измерительных приборов и образцовых сопротивлений, где эти явления нежелательны, и, значит, следует применять металлы и сплавы с возможно меньшими значениями термоЭДС, которая может внести погрешность при измерениях.
Описание установки
Измерение сопротивления исследуемых проводников и термоЭДС термопар производится с помощью мультиметра, постоянно подключенного к испытательному стенду. Все исследуемые образцы расположены в корпусе стенда; резисторы R1, R2, R3 и один из спаев каждой из трех термопар помещены в общий термостат.
Подключение образцов к измерительному прибору осуществляется нажатием соответствующей контактной кнопки на лицевой панели стенда. Маркировка кнопок соответствует маркировке образцов.
При измерениях следует удерживать кнопку контакта к соответствующему образцу в утопленном положении. Геометрические размеры образцов указаны на лицевой панели.
Ход работы
-
Рассчитано удельное сопротивление металлических проводников, используя формулу (8) и сопротивление квадрата металлических пленок по формуле (9)
| | | (8) |
где R – сопротивление образца;
S – площадь поперечного сечения;
l– длина проводника.
| | | (9) |
где R – сопротивление образца;
b и