금속, 반도체, 초전도체의 전도 도와 온도의존성

★금속 , 반도체, 초전도체의 전도 도와 온도의존성★ 1. 실험이론 2. 실험장치 3. 실험방법 4. 실험결과 ★실험목적★ 금속과 반도체 , 초 전도체의 전기저항과 온도의존성 측정 -금속의 온도계수 결정 -반도체 Band gap 결정 -초 전도체의 임계 온도를 결정 1. 1 전기전도도 -물질이나 용액이 전류를 운반할 수 있는 정도 단위 S(Siemens) -이온세기를 신속하게 평가하는 지표 -전기저항의 역수 (Ω-1)로 나타냄 -전도체의 저항 1. 2 금속 1)금속결정은각원자의가장바깥쪽전자가자유롭게움직일수있는상태 나 머지 원자는 일정한 거리 및 간격으로 배열 2)자유전자는 음전하를 띠고 있으므로 외부로부터 전압을 걸어 주면 일정 방향으 로 이동한다 . 금속의 양끝에 온도 차이가 생기면 전자는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열 전달을 하고 이것이 금속이 전기 및 열을 잘 전달하는 이유 3)자유전자는 규칙적으로 배열된 원자에서만 움직이므로 온도가 높아져서 원자의 열진동이 심할수록 자유전자의 흐름은 방해 4)따라서 온도가 높을수록 전기는 통하기 힘들게 되어 , 금속의 전기저항은 온도가 높을수록 증가하게 된다 . 1.2 금속 -온도 => 원자의 열 진동 => 자유전자의 흐름 방해 => 전기저항 1. 3 반도체 -도체와 부도체의 중간 영역 -불순물의 첨가나 기타 조장에 의해 전기전도도가 늘어남 -빛이나 열에너지에 의해 일시적으로 전기 전도성을 가짐 -실온에서 10-3~1010Ω·cm정도의 비 저항을 가지나 범위가 정해져 있지 않음 1. 4 초전도체 -매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 가까워지는 초전도현상이 나타 나는 도체 1) 초전도체 특성 -임계온도 Tc: 상전도 상태에서 초전도 상태로 전이가 일어나는 온도 -임계자기장: 임계온도이하의 온도 일지라도 임계자기장 Hc 이상의 자기장이 걸릴 경우 상전도 상태가 됨 Resistance 일반금속 초전도체 초전도 상전도 상 상태 태 Temperature Tc 1. 4 초전도체 1) 초전도체 특성 -마이스너 효과 초전도 상태에서 초전도체 내부의 자기장이 0이 되는 현상 표면전류에 의해 완전반자성 상태가 됨 자기장을 외부로 밀어냄 , 자기부상 1933년 Meissner 와 Oschenfeld 가 밝힘 2. 1 금속 및 반도체 실험장치 586 80/82 Novle metal (586 80) . Temperature range: -80° C to + 400° . Resistance at 20 °C: 100 Ohm approx. . Resistance change within the specified temperature range: 1 : 3.5 Semiconductor (586 82) . Temperature range: -80° C to + 200° . Resistance at 20 °C: 200 Ohm approx. . Resistance change within the specified temperature range: 1 : 10000 3. 1 초전도체 실험장치 -저항측정세트 (667 552) 시편: YBa2Cu3O7-x 4-pointmeasurement Current source (250 mA) 전압 측정 (UR) 온도측정(UT ):Iridium resistor 시편: YBa2Cu3O7-x 냉각: 액체질소 온도측정: thermistor 3. 1 금속 및 반도체 실험장치 4. 1 금속 4.1 금속 (1) 온도계수 계산 y=0.5884x+96.221 R=R0(1+βT) R0: 0℃에서의 저항 , β: 저항계수 실험값 β= 0.5884/96.221 ≒ 0.0061 (1/℃) 이론값 β= 0.0039 (1/℃) 오차(%) = .실험값-이론값./ 이론값 x 100 = .0.0061-0.0039./ 0.0039 x 100 = ≒ 56.41 % 4. 2 반도체 반도체에서 온도와 저항의 관계020406080100120140160020406080100120140160온도T(℃)저항R(Ω) 반도체에서 온도와 저항의 관계020406080100120140160020406080100120140160온도T(℃)저항R(Ω) 4. 2 반도체 4. 2 반도체 * Band gap(Eg) 계산 y=3863.1x-7.819 InR = InR0+Eq/KBT, Eq/KB는 위의 InR과 1/T 의 그래프에서 기울기에 해당된다 . lnR= 3863.1T-7.819 4. 2 반도체 * Band gap(Eg)의 실험값 Eg= KB × 3863.1K = 8.63×10-5eV/K × 3863.1K = 0.33eV * Band gap(Eg)의 이론값 = 0.47eV 오차(%) = .실험값-이론값./ 이론값 x 100 = .0.33-0.47./ 0.47 x 100 = ≒ 29.79 % 4. 3 초전도 초전도체에서 온도와 저항의 관계00.020.040.060.080.10.120.14-185-165-145-125-105-85-65-45-25-5온도T(℃)저항R(Ω) 4. 3 초전도체 *초전도체의 임계온도 : -171.1℃ 오차(%) = .실험값-이론값./ 이론값 x 100 = .-171.1.183.15./ -183.15 x 100 = ≒ 6.57 % -금속은 온도가 증가함에 따라 저항도 증가하는 비례 관계가 나타 났다. -반도체는 온도가 높아짐에 따라 저항 값이 줄어드는 반비례 관계 가 나타났다 . -초전도체는 임계온도 (-171.1℃)에서 갑자기 저항이 떨어지는 현 상이 나타났다 .