Характеристики термисторов

На рис. 1 приведены статические характеристики термисторов прямого подогрева. При снятии характеристики после определения значения тока делалась достаточная выдержка времени до отсчета напряжения, чтобы температура термистора установилась. Из рисунка 1 (участок 0С) видно, что с ростом тока напряжение на термисторе растет медленнее, чем это предписывается законом Ома. Это объясняется тем, что при протекании через термистор тока он разогревается джоулевым теплом. Температура полупроводника растёт, что приводит к росту концентрации электронов и уменьшению сопротивления термистора. Каждая точка вольт-амперной характеристики соответствует тепловому равновесию между нагревом образца, протекающим током и его охлаждением за счет отвода тепла в окружающую среду.

Рис. 1 – Вольт-амперная характеристика полупроводника,

снятая при различных температурах окружающей среды Т₀₁<T₀₂<T₀₃.

Даже на участке 0А (рис. 1), где вольт-амперная характеристика выглядит линейной, точные измерения зафиксировали бы небольшой разогрев образца протекающим током и незначительное отклонение от закона Ома.

Поскольку концентрация свободных носителей в полупроводнике резко нелинейно, экспоненциально зависит от температуры, то когда ток станет большим, чем значение, соответствующее точке С, концентрация носителей, а следовательно и проводимость полупроводника, могут расти так быстро, что нужно меньшее, чем прежде, напряжение, чтобы поддержать тот же или даже больший ток. Это видно из известного выражения

где L и S - длина и площадь поперечного сечения полупроводника. Удельное сопротивление ρ(I) и проводимость в данном случае зависят от протекающего тока I. На рисунке 1 видно, что еще большее увеличение тока (участок выше точки D) снова приводит к росту напряжения U.

Этот участок возникает на вольтамперной характеристике полупроводника, когда протекающий ток разогреет его до температуры, соответствующей температуре примесного истощения. Участок выше точки D показан пунктиром, поскольку чаще всего раньше сгорает термистор или контакты к нему, прежде чем удается наблюдать второй возрастающий участок.

Вольтамперная характеристика термистора будет меняться при различных температурах окружающей среды Т₀. Чем больше Т₀, тем меньше начальное (при малых U и I) сопротивление полупроводника и тем больший ток соответствует тому же напряжению. С повышением Т₀ вольтамперная характеристика «прижимается» к оси токов и «спрямляется». При достаточно высокой температуре падающий участок на вольтамперной характеристике может исчезнуть вовсе. Действительно, если Т₀ так велика, что соответствует примесному истощению, то повышение температуры, образуемое за счет джоулева разогрева, не будет сопровождаться ростом проводимости. Следовательно, исчезнет и причина, вызывающая появление на вольтамперной характеристике падающего участка.

Изменять вид вольтамперной характеристики позволяют также технологические приемы. По сравнению с характеристикой обычного термистора, используемого для термокомпенсации элементов РЭС (кривая I на рис. 2), характеристики термистора, используемого в качестве стабилитрона (кривая II на рис. 2) или термистора измерительной щели (кривая III на рис. 2), не имеют падающего участка.

Температурный коэффициент сопротивления термистора

или

Рис. 2. Статические характеристики терморезисторов.

Позисторы

Позисторы – это полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления. В массовом производстве позисторы делают на основе титанатобариевой керамики, удельное сопротивление которой значительно уменьшается в результате добавления большого количества примесей.

Титанат бария (BaTiO₃) – диэлектрик с удельным сопротивлением ρ – 10¹⁰ – 10¹² Ом·см. Введение в ВаТiO₃ малых количеств (0,1 – 0,3ат%) примесей редкоземельных элементов (лантана, церия и др.) приводит к уменьшению ρ, до 10 – 10² Ом·см. При дальнейшем увеличении примесей степень тетрагональности кристаллической решетки материала уменьшается, происходит разукрупнение кристаллитов, поэтому ρ растет.

Такой материал с введенными примесями обладает аномальной температурной зависимостью: в относительно узком диапазоне температур его удельное сопротивление ρ увеличивается на несколько порядков с увеличением температуры как это показано на рис. 3. Резкое увеличение ρ ВаTiO₃ происходит из-за тетрагонально-кубического фазового перехода, т.е. в диапазоне температур выше точки Кюри, при которых ВаТiO₃ переходит из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое состояние.

Рисунок 3 – Температурные характеристики некоторых позисторов.

Иногда для создания позисторов используют монокристаллические Si, Ge и другие полупроводниковые материалы. Принцип действия позисторов основан на уменьшении подвижности носителей заряда с увеличением температуры в результате увеличения их рассеивания на тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки. Преимуществом монокристаллических позисторов является возможность использования технологии, позволяющей создавать позисторы с разбросом номинальных сопротивлений (1—2)%. Однако из-за меньшей стоимости и из-за больших температурных коэффициентов сопротивления поликристаллические позисторы нашли более широкое применение.

Свойства позисторов оцениваются характеристиками и параметрами, аналогичными характеристикам и параметрам термисторов.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой экспериментальной установки (рис. 4).
2. Включить установку с помощью тумблера «Вкл.» расположенного на ее лицевой панели. Индикатор «Т°С» измерителя температуры покажет начальную температуру термостата Т₀.
3. Снять зависимости I = φ(U) набора полупроводниковых резисторов при Т = Т₀, для чего регулятором «U» задать 5 – 6 значений напряжений и снять показания с индикаторов I и U. Результаты занести в таблицу, форма которой выбирается произвольно.
4. Снять зависимости R = φ(Т) для набора полупроводниковых резисторов, для чего регулятором «U» задать ток I = 5 мкА и включить термостат тумблером «Терм.» на правой стороне установки. Загорится красная лампочка на передней панели установки. Для измерения R полупроводниковых резисторов следует нажать кнопку «R» на передней панели установки и снять показания с индикатора «Ω» при 5 – 6 значениях температуры термостата. Результаты занести в табл. 2, форма которой выбирается произвольно.

Рис. 4. – Схема экспериментальной установки:

В – выпрямитель; ИТ – измеритель температуры;

ИС – измеритель сопротивления; Т – термостат

1. Снять зависимости I = φ(U) набора полупроводниковых резисторов при Т = T_макс термостата. Результаты занести в табл. 3, форму которой выбрать аналогично таблицы 1.
2. Вычислить γ, учитывая реальные размеры полупроводниковых резисторов и формулу

γ = ¹/_ρ = ^L/_RS,

1. Построить зависимости lnγ = φ(¹/_Т) и I = φ₂(U) при Т = Т₀ и Т = Т_макс.
2. Определить ширину запрешенной зоны метериала полупроводниковых резисторов по формуле

,

где k = 1,38·10^-28 Дж/К = 0,86·10^-4 эВ/К – постоянная Больцмана.

1. Ответить на вопросы задания, сформулировать выводы.

Вопросы к коллоквиуму

1. Почему статическая характеристика терморезистора имеет три отличающихся друг от друга участка?

2. О чем свидетельствует нелинейность зависимости

3. Как экспериментально определить ширину запрещенной зоны и полупроводника?

4. Какие характеристики полупроводникового элемента необходимо иметь, чтобы определить возможную область его использования?

5. В чем отличие электропроводности термисторов, изготовленных из карбида кремния и окиси марганца?

Библиографический список

1. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники/ В.В. Пасынков, В.С. Савинков. - М: Высш. шк., 1986. —367 с.
2. Овечкин Ю.Л. Полупроводниковые приборы. - М.: Высшая школа, 1979. с. 141-151.
3. Левиншшейн M.E., Силин Г.С. Знакомство с полупроводниками/ Под редакцией Л.С.Асламазова. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 240 с. (Библиотека «Квант», вып. 33).

Работа №6