材料的导电特性与温度的关系试验.docx

材料的导电特性与温度的关系实验(热敏电阻)热电偶、半导体热敏电阻、制冷电堆等早已广泛应用于我们日常生活生产的加热、 制冷、温 .度控制及其它电子器件中 , 而高分子导电材料在静电屏蔽、温度控制和面发 热体等方面有重要应用，因此，热电特性是材料的物理性质中的一个重要方面，本实 验研究了不同材料的热电特性的智能化综合测量和数据处理方法实验目的1. 了解金属、半导体热敏电阻、 pn 结和高分子复合电导材料的电输运的微观机制及其 电导温度特性；2. 测量半导体热敏电阻的电阻 -温度曲线；3. 掌握计算机处理实验数据并拟合得到热敏电阻的温度系数(热敏指数)；4. 了解半导体制冷电堆制冷的原理；5. 测量制冷电堆的制冷系数和制冷半导体的塞贝克系数实验原理各种材料由于其微观电输运的载流子种类及性质数量的不同而使它们的导电特性 差异很大，同时受温度影响也不同下面简单介绍几种材料的导电特性1．金属导电的载流子是自由电子，它的导电能力与自由电子的浓度，巡游特性和 晶格散射相关在温度改变时，由于自由电子的浓度和巡游特性与温度关系不大，从 而晶格散射是影响金属电导的主要因素，随着温度的升高，晶格的热振动加剧，对自 由电子的散射加强，导致金属的电导率下降，在温度不太低的情况下，大部分金属的 电阻率与温度呈线性关系：P (T)二 Po(l + aT) (1)一般金属导体的电阻率随温度的升高而增大，但其电阻的变化幅度一般不大(« - 1.7 x 10-7T-1 )。

2．半导体具有与金属很不相同的电阻温度关系，一般而言，在较大的温度范围内 ，半导体都具有负的电阻温度系数半导体的导电机制比较复杂，起电输运作用的载 流子为电子或空穴载流子的浓度受温度的影响很大，因此半导体的电阻率受温度影 响也很大随着温度的升高，热激发的载流子数量增加，导致电阻率减小，因此呈现 负的温度系数的关系但是实际应用的半导体往往通过搀杂工艺来提高半导体的性质 ，这些杂质原子的激发，同样对半导体的电输运性能产生很大的影响同时在半导体 中还存在晶格散射、电离杂质散射等多种散射机制存在，因此半导体具有非常复杂的 电阻温度关系，往往不能用一些简单的函数概括，但在某些温度区间，其电阻温度关 系可以用经验公式来概括，如本实验中用的半导体热敏电阻，它的阻值与温度关系近 似满足下式：B(丄—丄)R = Re (t to) (2)0式中R为T时的电阻(初值)，R是温度为T时的电阻，T为绝对温度，B为温度 00系数(热敏指数) B 在工作温度范围内并不是一个严格的常数，但在我们的测量范 围内，它的变化不大将上式变形得到：3)In R = B以lnR为纵轴，T为横轴做图，直线的斜率即为B值3．pn 结构成的二极管和三极管的伏安特性对温度有很大的依赖性， 利用这一点可以制造 pn 结温度传感器和晶体管温度传感器，本实验用的测温元件为二极管温度传感 器。

二极管的正向电流I、电压U满足下式：4)I = I (eqU / kT 一 1)S其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；Is为反向饱和电流(和pn结材 料的禁带宽度以及温度等有关)，可以证明 [*1]【s = CTr exP(- qKTo) (5)其中C是与pn结结面积和杂质浓度等有关的常数；Y也是常数；U0为绝对零度时pn 结材料的导带底和价带顶间的电势差将(5)式代入(4)式，两边取对数可得一(KTlnKT lnT r(6)图 1 不同材料电阻随温度的变化曲线其中非线性项KTlnTr相对甚小，可以忽略[*2]因此， (6)式可写为U 二 U +aT0(7)其中K、 c a 二一 ln (8)qIFa为负值，如a =-2.3mV/oC 即温度每升高 1OC，电压减小2.3mV,这样通过测量不同温 度时 二极管两端的正向电压可以测得温度， 这正是 pn 结传感器的测温原理通过实验可 以测量a值，并利用其它温度计给它定标，从 而制作一个二极管温度计由电压温度曲线外 推，还可求得0K时半导体材料的禁带宽度E 二 qUg 0 0 （9）4.对于包括图1所述CB-PP样品在内的大多数高分子材料，其导电特性都没有理论成型的解析表达式，而这些特性已应用于生产实践中。

根据经验公式，上述样品电阻与温度关系简化为R = A + Bexp（t/10），其中t为摄氏温度，A、B为待定系数，设x=exp（t/10），作 变量代换后R = A + Bx，由各R和t.用最小二乘法可得相关系数，并得知所设公式的ii真实程度若线性相关，确定 A、 B 的值后可得到一经验公式对上式也可由对数坐标 作图法得出结果5．超导电材料： 1911 年， H.Kamerlingh-Onnes 发现，随着温度的降低，汞的电阻先平 稳的减少， 4.2K 附近时,突然降为零,这种状态称为超导态，突变温度称临界温度 1986年以后，高温超导体相继被发现，转变温度提高到 125K （铊钡钙铜氧化物）6．巨磁阻材料：磁场可以使许多金属的电阻发生变化，变化率一＜般3%这种磁场引起电阻变化的现象成为磁电阻（magnetoresistance MR）效应1988年，Baibich发现Fe， Cr多层膜MR比＞50%,这种现象称为巨磁电阻GMR）效应1993年，又观测到超巨磁电阻CMR） 效应巨磁阻材料的电阻也与温度有关仪器装置本实验所用装置如图2，由三部分组成：主控仪器箱（恒流源、电压电流测量及显示系统 、制冷加热控制系统和计算机接口系统）；样品池（内装样品及制冷元件、加热元件、测温二 极管）；实验用微机一套（内装实验数据处理程序）。

其中样品池由绝热材料密封（导热系数 ＜ 0.01W /（m.K）），升温由黄铜载体内发热体提供热量，降温采用两级：一级为风冷，二级 为BiTe系半导体制冷这样，当需要低于室温时，两级同时工作，而由高温回到室温时则由 风冷使其快速冷却，以便下一节课的学生使用采用黄铜作载体因为其热导率高、热容适中 加热和冷却功率均可调节，甚至在设定测温区间后可机器自适应调节、启动仪器与计算机连 接，可实时观测到样品导电能力随温度的变化，实时显示时，采用时间小区间积分取值消除了样品由于热躁声和热惯性带来的示值跳跃可存储、打印当次实验所有原始数据，并做数据分 析在脱机状态下也可进行实验，从面板Led读取温度、电压、电流值功率驱动|测温电压加热i黄铜载体致冷待测 样品信号放大控制 恒流源供电 数据存储 面板显示 档位选择 量程步长设置通讯接口计算机 图形显示、 数据分析图 2 实验装置流程图本实验用于制冷的元件为半导体制冷电堆，它是利用半导体帕尔贴效应来制冷忽略样品的热容量，设绝热外套完全绝热，若黄铜载体的质量为M比热容为c=377J/ （kg.K）， 经过单位时间内从室温坊降到珀，则单位时间内黄铜载体被吸走的热量hlQ°=Mc（ T T） （ 10）若制冷元件的塞贝克系数p型和n型分别为a和a，单位时间内制冷半导体界面的帕pn尔贴热Q = ( a + a ) IT ( 11)p p n l(上式电流 I 可从表头读出， Tl 为冷端温度)再由一维傅立叶方程，单位时间内通过帕 尔贴面传导出的热量为 [5]12)13)1 kSQhp =212 R+丁 (Th - T1 kSQo=( a p+a n) IT厂(212R+T(Th-T)这里，k为制冷半导体片的导热系数，S、l分别为其截面积和厚度，可求得k,或已知 k 求a + a 。

与标称值 a =210 卩 V/K，a =200 卩 V/K 和 k= 1.8 W/ (m .K)对比p n p n ・进一步求得制冷系数耳二 Q “ /A ( 14)0其中 A 为单位时间内制冷电流做的总功15)A = RI2(这里S=0.001562m2、l=0.004850m，M可由天平称量得到)实验内容和操作步骤 1．实验前准备：连接仪器和样品池的连接线，注意连接线的标志不要接错连接仪器和计算机 的通讯线，连接通讯线时关闭仪器的电源，检查仪器的开关处在关的位置，连接仪器的电源线 到供电插座； 2．检查连接线无误后打开仪器的电源开关，面板应显示当前样品池的温度和样品的电 压值，启动计算机程序 atd.exe； 3．点击“设置”按钮,设置“开始温度”和“结束温度”； 4．点击“开始”按钮，仪器进入测量工作，自动调整温度到“开始温度”，再加温，测量时每增加1°C,机器的“运行”灯闪动一下并伴一声蜂鸣； 5．到达所设“结束温度”，测量结束并自动停止加热； 6．运行软件的打印浏览功能观察计算结果和数据表； 7．整理实验结果，关闭仪器电源，关闭测量软件，关闭计算机 8．选做：测量并计算 (10)至(15)式间的各物理量。

数据处理1. 任选一启始温度，以10C为间隔，连续记录实验中得到6组V和t的数据；2. 将实验中得到的V和t的数据变换为 ⑶式中的R和T3. 分别利用作图法和最小二乘法确定热敏指数 B和常数C,从而得到(3)式的具体函数 形式；然后取T0 = 300K,求此时热敏电阻的阻值R4. 对两种数据处理方法的结果进行比较和讨论注意：1. 对于硅热敏电阻，根据实验中的V和t的数据得到R和T各对应值，其中仪器的工 作电流恒定为20卩A2. 实验装置的最佳工作区间为10〜80 C如果没有计算机则执行以下步骤：1.实验前准备：连接仪器和样品池的连接线，注意连接线的标志不要接错检查仪器的开 关处在关的位置，连接仪器的电源线到供电插座；2．检查连接线无误后打开仪器的电源开关；3. 按“设置”按键显示屏显示0010 STAR，代表设置开始温度，通过“ + ”、“一 ”按键 修改成要设定的初始温度再按“设置”按键显示屏显示0080 END,代表设置结束温度， 通过“＋”、“－”按键修改成要设定的结束温度再按“设置”按键显示屏显示 0000 SET ，代表设置模式，可不做设置再按“设置”按键显示屏显示当前样品池的温度和样品的电 压值，退出设置状态；4．按“开始”按键，仪器进入测量工作，自动调整温度到初始温度，再加热、测量，到结 束温度自动停机，在测量时，温度每到一整度时“运行”灯闪动一下并伴一声蜂鸣，这时应 手动记录温度和电压值作为测量数据；5．关闭仪器电源整理实验结果。