Labb 3: specifikt motstånd

Version in English

Introduktion

De flesta ämnen har antingen lågt elektriskt motstånd (metaller) eller högt elektriskt motstånd (isolatorer som glas, plast, salt och socker). Kisel, germanium och några andra ämnen är undantag. Deras motstånd ligger någonstans emellan, och kan variera över många tiopotenser beroende på temperatur och renhet. De är halvledare, viktiga i den elektroniska industrin, och paradhäster för fastatillståndsfysikens nytta. Labbet består av två delar. Du kan välja vilken del du vill börja med:

Förberedelse-uppgift

Det finns stora skillnader mellan metaller och halvledare, som yttrar sig tydligast i ledningsförmågans temperatursberoende. Uppskatta temperaturskoefficienten av motståndet av ett glödfilament. Givet är att en vanlig svensk glödlampa på 60 Watt har vid rumstemperatur ett motstånd på 62 Ohm.

Metaller

Material

Vi har lämpliga strips av fem olika metaller: aluminium, järn, nickel, koppar och zinc.
Spänningsaggregaten kan ge upp till 10 ampere likström, som man läser av på inbygd mätinstrument.

Genomförande: fyrpunktsmetoden

  1. Vrid aggregatets utgångsspänning först på noll.
  2. Anslut en metallstrip med hjälp av krokodilklämmor till den variabla utgången för likström.
  3. Slå på aggregatet, och vrid upp spänningen. Använd strömbegränsningen till at få en ström på några ampere.
  4. Mät spänningen mellan krokodilklämmorna med multimeter. Hur stort är motståndet?
  5. Mät spänningen nu med multimeterns kontakter direkt på metallstrippen. Hur stor är strippens motstånd? Vilken mätning är bättre, den här eller den förre? Varför?
  6. Mät spänningen för några olika avstånd mellan mätproberna vid hög ström (typ 10 A). Plot dina värden som funktion av avstånd i strippens längdriktning.
  7. Mät spänningen för några olika strömmar, och gör en graf. Stämmer Ohms lag?
  8. Mät plattans tjocklek och bredd, och bestäm materialets specifika ledningsförmåga, specifika motstånd och relaxationstid. (Anta att järn och nickel har två valenselektroner per atom.)
  9. Mät nu för de andra fyra metallerna spänningen som funktion av avståndet på plattan vid en hög ström (t ex 10 A). Skriv dina värden i en tabell som även innehåller literaturvärden för specifikt motstånd (t ex från WebElements).

Germanium

Bakgrund

Ledningsförmågan bestäms först och främst av koncentrationen av laddningsbärare. I metaller är den given av antalet valenselektroner, oberoende av temperatur.

I isolatorer och halvledare är vid T=0 valensbandet helt fylt, och separerat från ledningsbandet genom bandgapet Eg. Vid högre temperaturer är chansen att elektronerna inte befinner sig i grundtillståndet inte längre noll. Koncentrationen av laddningsbärare är då en exponentiell funktion av temperatur. Ledningsförmågan av en intrinsisk (det vill säga ren) halvledare är därför proportionell mot exp(-Eg/2kT).
Ett annat sätt att få fler laddningsbärare i germanium är att dopa det med t ex arsen, som har en elektron fler än germanium. Den koncentrationen är då oberoende av temperatur, men vid höga temperaturen blir de termiskt exciterade alltid fler.

Experiment

Experimentet går ut på att mäta en germaniumplattas resistans som funktion av temperatur. Ur mätningarna kan man bestämma germaniums bandgap.

Tillbehör

Kopplingsanvisningar

Ta PHYWE plattan 11807.00.

Mät plattans motstånd vid rumstemperatur med multimetern (notera också temperaturen).

Genomförande

Koppla nu

Ersätt plattan med PHYWE 11805.00 eller 11802.00 och mät temperatursberoendet av dess resistans på samma sätt.

Bearbetning av mätresultat

Gör (till exempel med hjälp av Logger Pro eller Mathematica) en graf av plattornas ledningsförmåga som funktion av reciproka absoluta temperatur.

Med en logaritmisk skala för ledningsförmågan ska punkterna ligga nära en rät linje, åtminstone vid höga temperaturer. Där gäller σ = σo exp (-Eg/2kT) eller ln(σ) = ln(σo) - Eg/2kT. Linjen ln(σ) = a - b T-1 har alltså en lutning b = Eg/2k, där Eg är germaniums bandgap och k är Boltzmanns konstant. Bestäm lutningen b (och dess standardfel) och bestäm bandgapet i eV. Jämför med litteraturvärden. Vilken annan metod finns det för att bestämma bandgap?

Lämna in en rapport. Om den finns som Mathematica notebook kan du mejla den till mig som en attachment.


[Upp till kurssidan] [Tillbaka till dragprovslabbet] [Vidare till Halleffektslabbet]