半导体电阻与温度的关系 半导体和金属的电阻率与温度关系有何差别

小编 2024-10-13 生态系统 23 0

半导体和金属的电阻率与温度关系有何差别

主要区别是金属的电阻率随温度升高而增大。而半导体的电阻率在低温、室温和高温情况下,变化情况各不相同。

一、金属电阻率与温度的关系:

金属材料在温度不高,温度变化不大的范围内:几乎所有金属的电阻率随温度作线性变化,即ρ与温度t(℃)的关系是ρt=ρ0(1+at),式中ρ1与ρ0分别是t℃和0℃时的电阻率;α是电阻率的温度系数,与材料有关。锰铜的α约为1×10-1/℃(其数值极小),用其制成的电阻器的电阻值在常温范围下随温度变化极小,适合于作标准电阻。已知材料的ρ值随温度而变化的规律后,可制成电阻式温度计来测量温度。

二、半导体电阻率与温度的关系:

决定电阻率温度关系的主要因素是载流子浓度和迁移率随温度的变化关系。

在低温下:由于载流子浓度指数式增大(施主或受主杂质不断电离),而迁移率也是增大的(电离杂质散射作用减弱之故),所以这时电阻率随着温度的升高而下降。

在室温下:由于施主或受主杂质已经完全电离,则载流子浓度不变,但迁移率将随着温度的升高而降低(晶格振动加剧,导致声子散射增强所致),所以电阻率将随着温度的升高而增大。

在高温下:这时本征激发开始起作用,载流子浓度将指数式地很快增大,虽然这时迁移率仍然随着温度的升高而降低(晶格振动散射散射越来越强),但是这种迁移率降低的作用不如载流子浓度增大的强,所以总的效果是电阻率随着温度的升高而下降。

温度——电阻曲线,物理学习,不可不知

绝大多数电阻随着温度升高而增大,不过,增大的速度是递减的。通常金属导体中,因为温度升高金属中电子热运动更快,导致电子在电场作用下定向运动的快慢发生改变,导致电阻增大。半导体和超导体除外。

半导体是指导电能力介于金属和绝缘体之间的固体材料。典型的半导体材料是以共价键结合为主的晶体硅 和锗 ,半导体靠电子--空穴对导电。其电阻与温度变化也有关,只是变化规律与半导体材料种类和加入的杂质有关。

超导体电阻,当温度下降到某个值时,其电阻突然变为零。目前,超导体还没有得到广泛的应用。

如图所示的图线,分别表示某金属导体和某半导体的电阻随温度(横坐标t、T表示加热温度)变化关系的曲线。直线1反映某金属导体的电阻随温度的升高而增大。曲线2反映了半导体材料的电阻随温度的升高而减小。所以,普通电阻和半导体电阻是有区别的。

温度--电阻曲线

思考:如果横坐标表示加热时间,你可以得出什么结论?

有一种PTC的半导体材料,其电阻随温度的变化曲线如下,横坐标T表示加热温度。

当PTC材料的温度T处于(T0 - T1)时,随着温度的升高,其电阻减小;当PTC材料的温度T处于(T1 – T2)时,随着温度的升高,其电阻增大;当PTC材料的温度T高于T2时,随着温度的升高,其电阻又减小。

如果用PTC材料制成恒温电暖器,通电后温度T处于(T0 - T1)时,随着温度的升高,其电阻减小,在电压不变的情况下,发热功率P=U2/R增大,温度升得快;当温度T处于(T1 - T2)时,随着温度的升高,其电阻增大,发热功率减小,温度升得慢,并保持温度不再上升;当温度T高于T2时,随着温度的升高,其电阻又减小,发热功率进一步增大,温度更高,有可能烧坏发热元件。所以,用PTC材料制成的恒温电暖器,有一个温度变化范围。这个例子说明半导体电阻并不都是随着温度的增加而减小。

温度--电阻曲线

有时,温度对电阻的影响,可以从用电器两端电压和通过用电器电流变化反应出来。

如左图,是根据灯泡灯丝电阻的变化描出的小灯泡的U-I图线,可以看出,随着小灯泡的电压增加和电流增大,温度升高,小灯泡的电阻是逐渐增大。右图是记录数据实验的电路图,其中滑动变阻器采用分压接法,电流表采用外接法。是一个调节灯泡亮度并可以反映灯泡的电阻与温度(亮度)关系的电路图,电路特点,就是灯泡二端的电压变化范围最大。

再看下面的图像,定值电阻甲和电路元件乙中的电流与两端电压的关系。由图可知,甲电阻基本上不受温度的变化而变化,且R=2V/0.4A=1V/0.2A=3V/0.6A=5Ω,而乙电阻就是一个可变电阻,电阻的大小与温度变化有关,随着电压升高,电流的增大,电阻逐渐增大。

若将甲、乙二个元件并联后接在电压为2V的电路中,由于横坐标均相同,且并联各支路电压均等于电源的电压(本电路图),对应纵坐标的电流之和就等于干路中的电流值(0.6A)。若将甲、乙串联后接在电压为3V的电源两端,则要符合二个条件:甲乙两者电流相等;电压之和为3V。即纵坐标相同,横坐标之和等于3V,只有(1、0.2)和(2、0.2)两点坐标符合条件。这是可变电阻与定值电阻共同接入电路时,温度对整个电路产生的影响。

利用电阻与温度的关系,可以制成电阻温度计。其刻度方法如下。如图甲,表示某金属丝的电阻随摄氏温度t变化情况。如图乙,把这段金属丝与电池、电流表串联起来,用这段金属丝作为温度计的测温探头,当把金属丝放入待测温度的物体中,电流表就有了一个电流值,根据电流值、电源的电压就可以计算此时的R电阻值,而R的值与温度值是一一对应的关系(图乙),即电流值、电阻R的阻值、温度值为一一对应的关系。不一定是正比例关系,如果是正比例关系,温度计的刻度是均匀的,如果是反比例关系,温度计的刻度不是均匀的,本温度计的刻度是均匀的。这样,就可以把电流表的电流刻度值改为对应的温度值,从而得到一个电阻温度计。

思考:如果电池的电压和电阻都不变,电流表上t1、t2二点的电流值谁大?试述其物理道理。

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