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★금속, 반도체, 초전도체의 전도
도와 온도의존성★
식품생명공학과
조광국, 배석재, 우홍배, 윤성수
★목차★
1. 실험이론
2. 실험장치
3. 실험방법
4. 실험결과
1. 실험이론
★실험목적★
금속과 반도체, 초 전도체의 전기저항과
온도의존성 측정
- 금속의 온도계수 결정
- 반도체 Band gap 결정
- 초 전도체의 임계 온도를 결정
1. 실험이론
1. 1 전기전도도
- 물질이나 용액이 전류를 운반할 수 있는 정도 단위S(Siemens)
- 이온세기를 신속하게 평가하는 지표
- 전기저항의 역수 (Ω-1)로 나타냄
- 전도체의 저항
1. 실험이론
1. 2 금속
1)금속 결정은 각 원자의 가장 바깥쪽 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 상태 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. 실험이론
1.2 금속
- 온도 => 원자의 열 진동 => 자유전자의 흐름 방해=> 전기저항
1. 실험이론
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. 실험이론
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
Resistance
- 임계자기장: 임계온도이하의 온도 일지라도 임계자기장 Hc 이상의
자기장이 걸릴 경우 상전도 상태가 됨
일반금속
초전도체
상전도 상태
초전도
상태
Tc
Temperature
1. 실험이론
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 Meissner와 Oschenfeld가 밝힘
1. 실험이론
2. 실험장치
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
2. 실험장치
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. 실험방법
3. 1 금속 및 반도체 실험장치
4. 실험결과
4. 1 금속
저항R(Ω)
금속에서 온도와 저항의 관계
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
y = 0.5884x + 96.221
0
20
40
60
80
온도T(℃)
100
120
140
160
4. 실험결과
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. 실험결과
4. 2 반도체
반도체에서 온도와 저항의 관계
160
140
저항R(Ω)
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
온도T(℃)
100
120
140
160
4. 실험결과
4. 2 반도체
반도체 시편의 온도 1/T(K)와 저항 InR(Ω)의 관계
5.5
5
y = 3863.1x - 7.819
저항 InR(Ω)
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.0024
0.0026
0.0028
0.003
온도 1/T(K)
0.0032
0.0034
4. 실험결과
4. 2 반도체
* Band gap(Eg) 계산
y=3863.1x-7.819
InR = InR0+Eq/KBT,
Eq/KB는 위의InR과 1/T의 그래프에서 기울기에 해당된다.
lnR= 3863.1T-7.819
4. 실험결과
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. 실험결과
4. 3 초전도체
초전도체에서 온도와 저항의 관계
0.14
0.12
저항R(Ω)
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
-185
-165
-145
-125
-105
-85
온도T(℃)
-65
-45
-25
0
-5
4. 실험결과
4. 3 초전도체
*초전도체의 임계온도: -171.1℃
오차(%) = ∣실험값-이론값∣/ 이론값 x 100
= ∣-171.1—183.15∣/ -183.15 x 100
= ≒ 6.57 %
4. 실험결과
- 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.

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