Германиевые термометры сопротивления

Из кристаллических полупроводников в низкотемпературной термометрии нашел применение германий. Вид температурной зависимости германия в большой степени зависит от характера и концентрации примесей; так, сопротивление двух образцов из разных кристаллов, имеющих одинаковое сопротивление при комнатной температуре, могут при 4,2 К различаться в 100 раз и более. Более того, разброс характеристик образцов даже из одного монокристалла в тех же условиях может превышать 30%, поэтому о пригодности данного образца для термометрии в определенной области температур можно судить только по результатам измерений при этих температурах.

Рис. 20.8. Германиевый термометр сопротивления.

На рис. 20.8 показан эскиз германиевого термометра сопротивления. Из кристалла легированного германия алмазной пилой вырезают в направлении, перпендикулярном оси роста, диск и сошлифовывают его до толщины 1 мм. Из диска на ультразвуковом станке вырезают чувствительный элемент с токовыми и потенциальными концами. Золотые токопроводы припаивают к германию сплавом золота с сурьмой в атмосфере очищенного водорода. Образец помещают в медную луженую гильзу диаметром 3,5 мм, которую затем заполняют гелием при давлении 13-20 кПа и герметизируют; токопроводы и образец изолируют пленкой фторопласта толщиной 0,05-0,1 мм.

Германиевые термометры серийно выпускаются для измерения температур до 1,5 К с погрешностью не более 0,05%, но они могут использоваться для измерений при 0,05 К, а при принятии специальных мер для улучшения термического контакта-до 0,01 К . Показания таких термометров отличаются высокой стабильностью, но они в большой степени зависят от магнитного поля, изменяясь пропорционально квадрату его напряженности. Влияние магнитного поля определяется также температурой, составом и ориентировкой чувствительного элемента в поле и точно учесть его невозможно. Для уменьшения этих эффектов следует располагать термометр так, чтобы измерительный ток протекал вдоль магнитного поля и при соблюдении некоторых условий можно добиться, чтобы в поле 24-104 А/м при измерении температуры жидкого гелия ошибка не превышала 0,1%.

Термисторы

Кроме специально изготовленных полупроводниковых термометров сопротивления можно использовать и стандартные полупроводниковые элементы - термисторы, диоды, транзисторы и интегральные элементы.

Диоды. При понижении температуры сопротивление р-n-перехода германиевого диода в направлении проводимости уменьшается, что позволяет использовать малогабаритные германиевые диоды в качестве термометров.

Рис. 20.9. Типичные термисторы.

Наиболее удобно измерять падение напряжения на диоде при неизменном токе; на рис. 20.10 показана градуировочная кривая диода при токе 0,5 мА. В диапазоне температур от комнатной примерно до 10 К зависимость практически линейна и чувствительность термометра составляет приблизительно 2 мВ/град. Ниже 20 К наблюдается излом кривой и чувствительность значительно уменьшается, но и здесь возможны измерения до температуры жидкого гелия с точностью 0,02 град.

Рис. 20.10. Градуировочная кривая германиевого диода.

Триоды. Еще большие возможности создаются при использовании германиевых триодов, у которых напряжение на эмиттере является однозначной функцией температуры и ряда параметров триода, практически не изменяющихся с температурой и во времени. Исследование таких приборов показало хорошую воспроизводимость градуировки триодов, что позволяет пользоваться для всех приборов общей градуировочной кривой. Такие градуировки для сплавных триодов типа П-407 для температурного диапазона 373-100 К обеспечивают среднюю погрешность измерения 0,8%.

Эти градуировки аппроксимируются простыми уравнениями в виде степенного ряда. Кремниевые планарные транзисторы успешно используются для измерений температуры в диапазоне 0,1-300 К.