EXP:Widerstand-Temperaturdiagramm eines Halbleiters

In diesem Experiment geht es darum, den Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur bei Halbleitern zu untersuchen. Hierzu wird mit einer Heizplatte in einem Becherglas etwas Öl erhitzt. In diesem Becherglas befinden sich zudem ein Thermistor und ein Thermometer. Durch regelmäßige Messungen von Temperatur, Spannung und Stromstärke bei Temperaturzufuhr durch die Heizplatte kann ein Widerstand-Temperaturdiagramm erstellt werden.

Zu erkennen sind sowohl der Thermistor und das Thermometer, welche in einem Ölbad erwärmt werden.

Benötigtes Material

• Stromversorgungsgerät [0-20 V]
• Thermistor
• 2 Multimeter
• Heizplatte
• Thermometer
• Becherglas [100 ml]
• Öl [50 ml]

Versuchsaufbau

Das Öl wird in das Becherglas gegossen und zusammen mit dem Thermometer und Thermistor, welche an einer Stange befestigt werden, auf die Heizplatte gestellt. Dabei wird der Thermistor gemäß obiger Abbildung an die Stromquelle angeschlossen. Ein Multimeter wird als Voltmeter verwendet und dementsprechend parallel zur Stromquelle angeschlossen. Das andere Multimeter wird als Amperemeter verwendet und somit in Reihe an die Stromquelle angeschlossen. Die Spannung wird auf einen festen Wert (ca. 5 V) eingestellt.

Abhängigkeit des Widerstands des Thermistors von der Temperatur

Durchführung

Das Öl wird beginnend bei 20°C erhitzt und in Abständen von 10 K bis zu einer Temperatur von 80°C werden jeweils Spannung und Stromstärke gemessen. Anschließend wird der jeweilige Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz R = U/I berechnet.

Auswertung

Beispielhafte Messwerte

Temperatur in °C	Spannung in V	Stromstärke in mA	Widerstand in kΩ
20	5,75	0,46	12,5
30	5,68	0,79	7,19
40	5,68	1,22	4,66
50	5,68	1,72	3,3
60	5,68	2,38	2,39
70	5,68	3,26	1,74
80	5,68	4,91	1,16

Die beispielhaften Messwerte veranschaulichen das zu erwartende Ergebnis: Der elektrische Widerstand eines Halbleiters (hier ein Thermistor) nimmt mit steigender Temperatur ab.

Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur.

Erklärung des Phänomens

Bei einer höheren Temperatur stoßen die Ladungsträger eines Materials öfter zusammen und werden somit unbeweglicher. Bei Leitern führt diese Zunahme der Gitterschwingungen zu einer Zunahme des elektrischen Widerstands. Bei Halbleitern dagegen sorgen erhöhte Temperaturen dafür, dass sich mehr und mehr Elektronen aus dem Valenzband lösen und ins Leitungsband gelangen. Somit entsteht eine größere Anzahl an beweglichen Elektronen im Leitungsband und Löchern im Valenzband, die sich unter Anlegen einer Spannung jeweils zum Minus- beziehungsweise Pluspol bewegen und somit die Leitfähigkeit des Halbleiters erhöhen. In der Regel ist dieser Effekt im Bezug auf die Leitfähigkeit des Halbleiters stärker als die Zunahme der Gitterschwingungen, weshalb die Leitfähigkeit des Halbleiters steigt und der elektrische Widerstand geringer wird.

Sicherheitshinweise

Bei diesem Versuch stellen die heiße Heizplatte und das erwärmte Öl zwei Gefahrenquellen dar. Deswegen sollte weder das Becherglas noch die Heizplatte während der Durchführung des Experiments berührt werden und nach Beendigung der Messungen ist darauf zu achten, das Öl und die Heizplatte für einen angemessenen Zeitraum auskühlen zu lassen.

• Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen

Fotos

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Literatur

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