Терморезисторы: термисторы и позисторы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

“Исследование параметров терморезисторов ”

Цель работы: изучение зависимости параметров терморезисторов на основе полупроводников и металлов от температуры, определение ширины запрещенной зоны полупроводника, расчеты ТКR.

Приборы и принадлежности: термостат, терморезисторы полупроводниковые типа СТ1-18, СТ3-18, КМТ-14 (устаревшее обозначение)и металлический терморезистор типа ТСМ (термометр сопротивления металлический), мост переменного тока для измерения сопротивления.

Терморезисторы: термисторы и позисторы

Работа терморезисторов описывается в пособии [1, ч. 1], [2].

Особенности образования носителей заряда в металлах и полупроводниках, зависимости концентрации носителей и проводимости от температуры (в описании используются обозначения t, ^оС и Т, К), зонные диаграммы рассмотрены в литературе [1, главы 1-3].

Величина сопротивления R(t)материалов определяется значением удельного электрического сопротивления r(t) (Ом·м) и удельной проводимости g(t) (Ом^–1м^–1):

R(t) = r(t)l/S = l/g(t)S, (1)

где l –длина проводника; S – поперечное сечение (площадь) образца в форме параллелепипеда или цилиндра (размеры резисторов приведены в лаборатории)

Терморезисторы – резисторы, сопротивление R(t) которых изменяется в зависимости от температуры t.

Температурный коэффициент ТКR_T сопротивления определяется:

ТКR_T = (1/R_T)(dR/dT)_т,(2)

где R_T-сопротивление при искомой температуре T; (dR/dT)_т- производная при данной температуре.

Температурный коэффициент сопротивления терморезистора показывает относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один Кельвин.

Если при повышении температуры сопротивление прибора увеличивается, то подобные терморезисторы называются позисторами. Такое изменение сопротивления характерно для металлических проводников, т.к. увеличение температуры приводит к возрастанию колебания узлов (ионов) кристаллической решетки и, соответственно, уменьшению проводимости металла. В диапазоне температур 20…100 ^оС удельная проводимость g(t) металла нелинейно падает (рис. 1, а), удельное объемное сопротивление r(t) – линейно возрастает по закону

r(t) = r₂₀(1 + aDt), (3)

где r₂₀ – удельное сопротивление металла при 20 ^оС, для меди r₂₀ = 0,0172 мкмОм·м; Dt = (t – 20) ^oC; a - температурный коэффициент удельного электрического сопротивления.

Для металла коэффициент a определяется:

a ≡ TKr = (1/r₂₀)·[r(t) – r₂₀]/Dt, (4)

и может быть рассчитан по экспериментальным данным (рис. 1, а); для меди a = 0,0043 ^oC^–1.

а) б) в)

Рис. 1. Влияние температуры на параметры металлов (а) и полупроводников (б, в)

В том случае, когда при повышении температуры сопротивление прибора уменьшается, терморезисторы называются термисторами. Такое изменение сопротивления характерно для полупроводников как собственных, так и примесных (в соответствующих температурных диапазонах). Это обусловлено тем, что увеличение температуры приводит к возрастанию числа основных носителей и, соответственно, уменьшению сопротивления полупроводника (рис. 1, б).

Например, в диапазоне температур 20…100 ^оС удельная проводимость g(t) собственного полупроводника расчет по экспоненте, а сопротивление – уменьшается по законам:

, (5)

, (6)

где g₀, R₀ -постоянные; DE_з-ширина запрещенной зоны, эВ; k-постоянная Больцмана, k = 8,625·10^-5 эВ/К; Т - абсолютная температура, К.

Параметры полупроводника, в частности, DE_з, могут быть определены с помощью анализа зависимости сопротивления от температуры.

С учетом выражения (5) можно получить (рис. 1, в), что в координатах lnR(1/T) зависимость сопротивления от температуры выражается прямой линией, и значение ширины запрещенной зоны равно:

DЕ_з = 2ktgj = 2k(lnR₁- lnR₂)/(1/Т₁ -1/T₂),(7)

С учетом взаимосвязи силы тока R, r, g (5), (6) полупроводников сопротивление терморезистора зависит от температуры согласно

(8)

где B = DE_з/2k - коэффициент температурной чувствительности прибора, зависящий от типа материала и примесей.

В качестве основы термисторов обычно используются узкозонные материалы с величиной DE_з » 0,1...0,3 эВ,например, полупроводники на основе окислов металлов (цинка, титана и др.). При комнатных температурах сопротивление прибора имеет значение от нескольких Ом до сотен кОм. Коэффициент В имеет значение (700 ….15 000) К и практически одинаков для данного термистора в рабочем диапазоне температур.

Из (2), (8) можно показать, что значение ТКR_тдля термистороврассчитываетсяпо соотношению

ТКR_т=-В/Т²,(9)

т. е. является отрицательным и лежит в пределах(0,8...6)·10^-2 К^-1.

Термисторы и позисторы используются в электронных схемах для регистрации температуры окружающей среды, оценки потоков различных излучений, например, оптического излучения лазеров, инфракрасного, рентгеновского и других, в схемах сигнализации и т. п.

Подготовка к работе

Работа относится к темам: ″Проводимость металлов и полупроводников″. Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).

В "заготовке" к работе следует:

– описать метод измерения сопротивления мостом переменного тока, расчета удельного электрического сопротивления и проводимости, необходимые формулы;

– используя табличные данные записать значения r, g меди, B для полупроводников, используемых при изготовлении терморезисторов (табл. 1).

Таблица 1

Материал	Медь	Полупроводник
r	?	-
g	?	-
a	?	-
В		?
Размеры
l, мм	?	?
S, мм2	?	?

– изучить и зарисовать строение терморезисторов;

– описать теоретические зависимости r(T), g(T) для металлов и полупроводников;

– описать особенности маркировки терморезисторов;

– изучить вопросы их применения.