Методические указания к лабораторному спецпрактикуму по основам физики полупроводниковых приборов

Министерство образования Российской Федерации РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Турик А.В. Гармашов С.И. Глушанин С.В.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторному спецпрактикуму по основам физики полупроводниковых приборов для студентов дневного и вечернего отделений физического факультета

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА “ Изучение характеристик терморезисторов ”

Ростов – на – Дону 2002

2

Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета РГУ (протокол № 2 от 26.02.2002 г.)

Авторы: Турик А.В.,

профессор кафедры физики полупроводников

Гармашов С.И.,

доцент кафедры физики полупроводников

Глушанин С.В.,

магистрант кафедры физики полупроводников

3

Цель работы. Изучение принципа действия терморезисторов. Измерение и анализ вольтамперных характеристик терморезисторов, определение температурных коэффициентов сопротивления. Ознакомление с технологией изготовления и возможным применением терморезисторов. 1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1. Принцип работы терморезисторов Терморезисторы (термисторы) представляют собой полупроводниковые резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой, отличительной особенностью которых является резко выраженная температурная зависимость электрического сопротивления в диапазоне от -100 до 200 °С. Наибольшее распространение получили терморезисторы, сопротивление которых уменьшается при увеличении температуры, т. е. терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Вместе с тем, существуют резисторы, сопротивление которых возрастает с ростом температуры. Их обычно называют позисторами. Позисторы изготавливают на основе титанато-бариевой керамики. Более подробную информацию о позисторах можно получить из работ [1-4]. В настоящих указаниях рассматриваются терморезисторы с отрицательным ТКС, изготовляемые из полупроводниковых материалов. Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами –– увеличением концентрации носителей заряда или увеличением их подвижности, а также фазовыми превращениями. Первое явление характерно для терморезисторов, изготовленных из германия, кремния, карбида кремния, соединений типа АΙΙΙВV и др. Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как относительно слабым изменением их подвижности в большинстве случаев можно пренебречь. При абсолютном нуле температуры все энергетические уровни валентной зоны невырожденного полупроводника заняты электронами. В этом случае валентные электроны не могут участвовать в электрическом токе, так как любое их движение связано с увеличением энергии и, следовательно, с переходом на более высокий энергетический уровень, что не-

4

возможно в пределах валентной зоны. Поэтому при Т = 0 К полупроводник подобен изолятору, и его проводимость равна нулю. Для перехода электрона в зону проводимости беспримесного полупроводника необходимо передать ему энергию, равную ширине запрещенной зоны ∆Еg. Такую энергию валентные электроны могут получить, если кристалл нагреть до некоторой температуры. Благодаря наличию свободных уровней в зоне проводимости, перешедшие туда электроны смогут двигаться под действием электрического поля. Заметим, что проводимость полупроводника в данном случае будет обусловлена не только наличием электронов в зоне проводимости, но и появлением дырок в валентной зоне. Вероятность переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости, а, следовательно, и число образовавшихся свободных электронов и дырок значительно (по экспоненциальному закону) возрастают с увеличением температуры:

ni ~ T

3/ 2

е

−

ДЕg 2кТ

,

где ni – концентрация свободных электронов (индекс i указывает на то, что полупроводник собственный; заметим, что в собственном полупроводнике концентрация свободных дырок p = ni); ∆Εg – ширина запрещенной зоны, которая, строго говоря, сама зависит от температуры; Т – абсолютная температура; k – постоянная Больцмана. Если в полупроводнике имеются примеси, то это приводит к образованию энергетических уровней внутри запрещенной зоны. Примесные атомы даже при относительно низких температурах могут поставлять электроны в зону проводимости (в этом случае примесь называется донорной, а полупроводник - n-типа) или дырки в валентную зону (примесь называется акцепторной, а полупроводник - p-типа), так как требуемая для этого энергия обычно значительно меньше ширины запрещенной зоны. Зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа от температуры показана на рис. 1. Большую часть терморезисторов, выпускаемых промышленностью, изготавливают из поликристаллических оксидных полупроводников, в которых преобладает ионная связь. Электропроводность этих материалов отличается от электропроводности рассмотренных выше ковалентных

5

Схематическое изображение температурной зависимости концентрации электронов в примесном (донорном) и собственном полупроводниках ln n a

b

c

d 1/T штриховая линия - собственный полупроводник; сплошная линия - донорный полупроводник; ab - область собственной проводимости донорного полупроводника; bc - область истощения примеси; cd - область слабой ионизации примеси; строго говоря, участки ab и cd не являются прямолинейными из-за наличия слабой температурной зависимости предэкспоненциального множителя в выражении для концентрации свободных электронов. Рис. 1 полупроводников. Как правило, полупроводниками являются оксиды переходных металлов, для которых характерно наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. При образовании такого оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность оксидных полупроводников объясняется обменом электронами между этими ионами. Так как энергия, необходимая для такого обмена, невелика, все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать сво-

6

бодными носителями заряда, а их концентрацию постоянной при температурах в рабочем для терморезистора диапазоне. Из-за сильного взаимодействия носителей заряда с ионами подвижность носителей заряда в оксидном полупроводнике оказывается довольно низкой и экспоненциально возрастает с ростом температуры. В результате зависимость сопротивления оксидного полупроводника от температуры оказывается такой же, как у ковалентных полупроводников, но она обусловлена не изменением концентрации свободных носителей заряда, а изменением их подвижности. В оксидах ванадия V2O4 и V2O3, в отличие от рассмотренных выше полупроводников, причиной значительного (на несколько порядков) изменения их сопротивления является фазовый переход при температурах 68 и -110 °С соответственно. На основе этих оксидов созданы терморезисторы с очень большим температурным коэффициентом сопротивления. 1.2. Технология изготовления и применение терморезисторов В массовом производстве терморезисторов используют методы керамической технологии, основанные на спекании порошковых материалов в твердое компактное тело определенной формы и размеров. Терморезисторы в форме цилиндрических стержней, трубок, дисков и прямоугольных пластин изготавливают из пластичной тестообразной массы, содержащей мелкодисперсные порошки полупроводниковых оксидов с органической связкой и пластификатором. Массу загружают в цилиндр мундштучного шприц-пресса и выдавливают в виде длинных стержней или трубок, которые после просушки нарезают на заготовки требуемых размеров. Заготовки подвергают обжигу при высокой температуре (около 1000 °С и более) в окислительной, нейтральной или восстановительной газовой среде в зависимости от вида используемых полупроводниковых материалов. В процессе обжига органическая связка выгорает, и материал спекается. При спекании образцы приобретают значительную механическую прочность. Контакты создают методом вжигания серебра или других металлов (золота, платины) из соответствующих паст. При обжиге в восстановительной газовой среде применяют медные и железные пасты. Для повышения стабильности и подгонки параметров к заданным номинальным значениям образцы подвергают термообработке. После этого на них надевают контактные колпачки или припаивают проводники,

7

подводящие ток, затем покрывают слоем изоляционной влагостойкой эмали или герметизируют в защитных корпусах. Готовые терморезисторы подвергают искусственному старению и сортируют по величине электрического сопротивления. Цилиндрические терморезисторы изготавливают диаметром до 10 мм, длиной от 1 до 50 мм. Технология изготовления шайбовых и дисковых терморезисторов аналогична применяемой для цилиндрических и отличается только тем, что заготовки получают прессовкой в металлических пресс-формах, иногда даже без органической связки. Диски делают диаметром от единиц до нескольких десятков миллиметров, толщиной до 10 мм. Бусинковые терморезисторы изготавливают из массы, состоящей из порошкового полупроводникового материала, смешанного с соответствующим пластификатором. Капельки этой массы наносят на две платиновые проволоки, натянутые параллельно друг другу на расстоянии, в 5-10 раз превышающем диаметр проволоки. Поверхностнoe натяжение вязкой жидкой массы придает капельке форму шара. Шарики просушивают на воздухе и затем подвергают обжигу при температуре около 1000—1300 °С в зависимости от используемого сырья. Вследствие спекания и усадки материала шарики значительно сокращаются в объеме и прочно сцепляются с платиновой проволокой. Полученные бусинки отделяют друг от друга, платиновые выводы соединяют с контактными проволоками. Бусинки покрывают слоем стекла или другого защитного изоляционного материала. Диаметр бусинки может быть от 0,1 до 1—2 мм. Терморезисторы применяют в системах измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации, теплового контроля и защиты машин и механизмов, в схемах температурной компенсации элементов электрических цепей, в частности, для термокомпенсации кварцевых резонаторов и генераторов, для стабилизации режимов работы транзисторных каскадов, для измерения мощности, вакуума, скоростей движения жидкостей и газов и т.д. Описанные выше терморезисторы относятся к классу терморезисторов прямого подогрева. В отличие от них терморезисторы косвенного подогрева имеют дополнительный источник тепла - подогреватель. Подогреватель делают в виде обмотки, помещенной на изоляционную трубку, внутри которой расположен терморезистор, или в виде нити накала, размещенной внутри трубчатого терморезистора.

8

Особенностью терморезисторов косвенного подогрева является наличие электрически изолированных друг от друга цепей - управляющей и управляемой. Поэтому их используют в основном в качестве резисторов переменного сопротивления без скользящего контакта, в телемеханике для дистанционного управления различными системами, в радиотехнических устройствах для автоматического управления работой усилителей, предохранения от перегрузки и в ряде других случаев. 1.3. Параметры и характеристики терморезисторов Температурная зависимость сопротивления терморезистора является одной из основных его характеристик. На рис. 2 приведен пример такой зависимости. Во всем рабочем диапазоне температур эта зависиТемпературная характеристика одного из терморезисторов RT , кОм

60

40

20

-20

+20

T, °C

+60

Рис. 2 мость достаточно хорошо описывается уравнением

R Ф = Ae

В Ф

,

(1)

где RТ – сопротивление терморезистора при абсолютной температуре Т; А – величина, зависящая от материала и геометрических размеров терморезистора;

9

В – коэффициент температурной чувствительности, характеризующий физические свойства материала, из которого изготовлен терморезистор. Коэффициент температурной чувствительности и постоянную А можно легко определить, если перестроить температурную зависимость сопротивления терморезистора (1) в спрямляющих координатах (1/T, lnRT). Очевидно, что наклон полученной прямой будет определяться значением коэффициента B, а точка ее пересечения с осью ординат (1/Т = 0) - значением постоянной А. Для большинства типов терморезисторов значения коэффициента В лежат в пределах 3000-16000 К. Важной характеристикой терморезистора является также его статическая вольтамперная характеристика (ВАХ). Она имеет ярко выраженный нелинейный характер (рис. 3). Статическая вольтамперная характеристика терморезистора UT

B

A C

βА

βB

βC

0

I Рис. 3

ВАХ терморезистора можно разделить на три основных участка: ОА, АВ и ВС. На начальном участке ОА характеристика линейна, так как при малых токах мощность, выделяющаяся в терморезисторе, мала и температура терморезистора изменяется незначительно. На участке АВ линейность характеристики нарушается. С ростом тока рассеиваемая мощность увеличивается, температура терморезистора заметно повышается, а его сопротивление уменьшается. При дальнейшем увеличении тока уменьшение сопро-

10

тивления оказывается столь сильным, что напряжение на терморезисторе уменьшается, и появляется участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок ВС на рис. 3). Статическое сопротивление терморезистора в любой точке характеристики определяется как тангенс угла наклона β прямой, проведенной из начала координат в эту точку. Из рис. 3 видно, что величина статического сопротивления монотонно убывает с ростом тока. Вольтамперная характеристика терморезистора изменяется при изменении температуры окружающей среды. На рис. 4 изображены характеристики 1 и 2, соответствующие температурам окружающей среды Т1 и Т2 > Т1. Проанализируем изменение характеристики при постоянном токе, протекающем через терморезистор. Сопротивление терморезистора в точке D1 при температуре окружающей среды Т1 характеризуются углом β1. При повышении температуры окружающей среды сопротивление терморезистора падает. Поэтому при температуре Т2 сопротивление терморезистора должно характеризоваться углом β2<β1. Другими словами, точка D1 перемещается в точку D2. Аналогичным образом изменятся положения других точек характеристики. Следовательно, при повышении температуры окружающей среды вся характеристика сместится вниз. Изменение статической ВАХ терморезистора при изменении температуры UT

D1 D2

1 2

β1 β2 0

I 1- T1; 2 - T2>T1 Рис. 4

11

Уравнение статической вольтамперной характеристики терморезистора может быть получено из уравнения теплового баланса между мощностью PT, выделяющейся в терморезисторе, и мощностью, которую он рассеивает в окружающее пространство:

U2 = H(T–T0), PT = I RT = RT 2

(2)

где Н – коэффициент теплоотдачи (рассеяния), численно равный мощности, рассеиваемой терморезистором при разности температур терморезистора Т и окружающей среды Т0 в один градус. Из уравнения (2) с учетом (1) получим уравнение статической вольтамперной характеристики терморезистора в параметрическом виде: U = H (T − T0 ) A exp

B , T

I=

H (T − T0 ) exp(− A

B ) T .

К числу основных параметров терморезистора относят также: Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) αТ, который характеризует обратимое относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градуc: 1 dRT αT = . (3) RT dT

Значение ТКС зависит от температуры, поэтому он записывается с индексом Т. Эту зависимость можно получить, воспользовавшись выражениями (1) и (3):

αT = - B /T 2 .

(4)

Значения ТКС при комнатной температуре находятся в пределах (0,3–20)10-2 K-1 [3]. Постоянную времени τ, которая характеризует тепловую инерционность терморезистора. Она равна промежутку времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% при перенесении его из воздушной среды с температурой 0 °С в воздушную среду с температу-

12

рой 100 °С. Значения постоянной времени лежат в пределах от десятых долей секунды до нескольких минут [3]. 1.4. Релейный эффект Рассмотрим схему, состоящую из терморезистора RТ, нагрузочного сопротивления R и источника питания E (рис. 5). Рассчитаем эту цепь, т.е. найдем величину тока I в цепи и падения напряжений на резисторах UT, UR, используя графический метод. С этой целью изобразим ВАХ сопротивлений RТ и R в координатах (I, UT) (см. рис. 6). При построении ВАХ нагрузочного сопротивления в координатах (I, UT) воспользуемся очевидным соотношением UR = R I = E-UT , откуда найдем искомую зависимость в виде

UT ( I ) = E- R I.

(5)

Полученную линейную зависимость обычно называют нагрузочной прямой. Как следует из выражения (5), ее наклон зависит от сопротивления нагрузочного резистора R. Из рис. 6 видно, что ВАХ терморезистора (кривая 6) и нагрузочная Схема для наблюдения релейного эффекта и снятия ВАХ терморезистора

E R

RT t°

UR

UT Рис. 5

13

прямая (прямая 1) пересекаются в некоторой точке А1 с координатами (I1,UT1), называемой рабочей точкой, где I1 представляет собой величину тока, текущего в цепи, а UT1 – падение напряжения на терморезисторе при заданных значениях напряжения источника питания и сопротивления нагрузочного резистора. Если изменить Е или R, то изменятся положения нагрузочных прямых (рис. 6, прямые 2-5) и координаты рабочей точки (рис. 6, точки А2-А5), т.е. изменятся ток в цепи и падение напряжение на терморезисторе. Как видно из рис. 6, каждому значению напряжения источника питания Е (Е1 - Е4) соответствует единственная рабочая точка (А1-А4), т.е. существует единственное решение для рассматриваемой цепи. Однако так будет не всегда. Если сопротивление нагрузочного резистора достаточно мало (критерий малости будет введен ниже), то, как видно из рис. 7, при одних напряжениях источника питания имеется единственная рабочая точка (прямые 1, 5), а при других - рабочих точек может оказаться две или даже три (прямые 2-4). В этом случае возникает вопрос, какое из нескольких возможных решений будет соответствовать реальной ситуации. Чтобы ответить на этот вопрос, исследуем все имеющиеся решения на устойчивость к малым возмущениям температуры. Запишем уравнение

Положения рабочих точек на ВАХ терморезистора при различных напряжениях источника питания и сопротивлениях нагрузочного резистора UT Е2 6 A2 Е1 UT1

A5

A3 2

3

4

A1 1

A4

5

0 I1 E1 /R E2 /R

E1 /R' E3 /R

Рис. 6

E4 /R

I

14

теплового баланса терморезистора в виде: dT ⎛ E =⎜ C dt ⎜⎝ R + RT

2

⎞ ⎟⎟ RT − H (T − T0 ) , ⎠

(6)

где С - теплоемкость терморезистора, первое слагаемое в правой части уравнения - мощность, выделяющаяся в терморезисторе, а второе слагаемое - мощность, которую он рассеивает в окружающее пространство. Учитывая температурную зависимость сопротивления терморезистора (1) и уравнение (6), построим график зависимости производной температуры по времени dT/dt от температуры (см. рис. 8) при значениях напряжений источника питания E1-E5, соответствующих положениям нагрузочных прямых 1-5 на рис. 7. Очевидно, что точки пересечения (или касания) этого графика с осью температур соответствуют состояниям равновесия, так как в этих точках dT/dt = 0. Однако устойчивыми из них будут только те, которые соответствуют изменению знака dT/dt с плюса на минус при повышении температуры, остальные - неустойчивы. Убедимся в этом, проанализировав поведение рассматриваемой системы в случае, когда имеет место три возможных состояния равновесия (рис. 7, прямая 3; рис. 8, кривая 3). Если рабочая точка терморезистора соответствует его температуре T3, то при флуктационном уменьшении температуры от равновесного значения Т3 производная dT/dt оказывается положительной и, следовательно, температура должна возрастать и возвращаться к равновесному значению Т3. Аналогичная ситуация имеет место и при случайном повышении температуры терморезистора: в этом случае dT/dt становится отрицательной, то есть температура должна понижаться до Т3 . Совершенно по-другому ведет себя температура терморезистора вблизи равновесного значения Т'3. Любое случайное понижение ее значения приводит к дальнейшему охлаждению терморезистора (dT/dt < 0), пока его температура не достигнет устойчивого значения Т3, а любое случайное повышение температуры вызывает его разогрев (dT/dt > 0) до температуры Т"3, которая, как и Т3, является устойчивой. Таким образом, состояние равновесия, соответствующее температуре терморезистора Т'3, является неустойчивым и в реальной ситуации не может быть реализовано.

15

Релейный эффект при изменении напряжения источника питания UT Е5

7

Е4 Е3 Е2

A3

A2

A4 A'3

6 Е1

A1

2

3

4

A'2

1 0

5

I1 I2 I3 I4 I'3

A"3 I'2

I''3

Рис. 7

A'4

A5

I'4

I5

I

Температурная зависимость скорости изменения температуры терморезистора dT/dt

5 4 3 T'3

0 T 1 T2

2 T3

T''3 T'4 T5 T'2

T

T4 1

кривые 1-5 соответствуют напряжениям источника питания E1< E2< E3< E4< E5 и положениям нагрузочных прямых 1-5 на рис. 7 Рис. 8

16

Какому же из двух устойчивых значений - Т3 или Т"3 - будет соответствовать реальная температура терморезистора при напряжении Е3 источника питания? Это зависит от предыстории. Если напряжение источника питания изменялось от нуля до Е3, то температура терморезистора при Е = Е3 будет соответствовать низкотемпературному (Т = Т3) устойчивому состоянию равновесия. При напряжении Е4 низкотемпературное (Т = Т4) состояние равновесия теряет устойчивость, и температура терморезистора резко возрастает до значения Т'4, соответствующего новому устойчивому состоянию равновесия (рис. 7, прямая 4; рис. 8, кривая 4). При этом ток в цепи также резко изменяется от значения I4 до значения I4'. При дальнейшем повышении напряжения источника питания (Е>Е4) неоднозначность решения исчезает и имеет место лишь медленное изменение температуры терморезистора и тока в цепи. Важно отметить, что, если теперь уменьшить Е до Е3, устойчивому состоянию равновесия уже будет соответствовать температура терморезистора не Т3, а Т''3 > Т3.. Чтобы вновь вернуться в низкотемпературное состояние равновесия, необходимо уменьшить напряжение Е до значения Е2, при котором высокотемпературное (Т = Т'2) состояние равновесия потеряет устойчивость (рис. 7, прямая 2; рис. 8, кривая 2), и будет наблюдаться резкое изменение (уменьшение) температуры терморезистора до значения Т2 и тока в цепи до значения I2. Резкие изменения тока в цепи при плавном изменении напряжения питания вблизи значений Е2 и Е4, вызванные резкими изменениями температуры терморезистора и его сопротивления, называются релейным эффектом. Релейный эффект может иметь место, если сопротивление нагрузочного резистора меньше некоторого значения R*, соответствующего наклону касательной в точке перегиба ВАХ терморезистора на ее спадающем участке (рис. 7, прямая 7). Следует отметить, что релейный эффект может наблюдаться не только при изменении напряжения питания, но и при изменении температуры окружающей среды Т0. В этом случае нагрузочная прямая остается неподвижной (Е=const), а изменяется ВАХ терморезистора (см. раздел 1.3, рис. 4). На рис. 9 продемонстрировано возникновение релейного эффекта при изменении температуры окружающей среды. Пока температура окружающей среды Т0 изменяется, не превышая значения То4, положение рабочей точки (A1-A3) и значения тока (I1-I3) в цепи изменяются плавно (кривые 1-3). Однако при повышении Т0 до значения Т04, при котором кривая UT(I)

17

Релейный эффект при изменении температуры окружающей среды UT

1(To1) 2(To2)

E 6 A1

A2

3(To3) A3 A4

A'3 A"3

A'2

A'4

4(To4) 5(To5) 0

I1 I2 I3

I4

I'3

A5 I'2

I''3 I'4 I5

E/R

I

в скобках указаны температуры окружающей среды, причем To1 < To2 < To3 < To4 < To5 Рис. 9

(кривая 4) касается нагрузочной прямой 6, температура терморезистора теряет устойчивость и начинает возрастать, а его сопротивление резко падать, пока не установится новое устойчивое значение температуры терморезистора Т'4 (точка А'4). При этом имеет место скачок тока в цепи от I4 до I4'. Заметим, что возрастание тока в цепи может быть зафиксировано с помощью электромагнитного реле с соответствующим током срабатывания, которое включит, например, сигнализацию о пожароопасности. При понижении температуры окружающей среды релейный эффект вновь возникнет, когда Т0 достигнет значения Т02 (рис. 9, кривая 2, точка А'2). При этом ток в цепи резко понизится от значения I'2 до значения I2. Релейный эффект используется в схемах тепловой защиты, температурной сигнализации, автоматического регулирования температуры.

18

1.5. Методика терморезистора

снятия

вольтамперных

характеристик

Снятие ВАХ терморезистора имеет свои особенности, обусловленные инерционностью терморезистора и наличием участка отрицательного дифференциального сопротивления на его ВАХ. Схема для снятия ВАХ изображена на рис. 5. Существуют два метода снятия этой характеристики. Первый метод основан на использовании постоянного нагрузочного сопротивления R и источника регулируемого напряжения E. Изменяя величину напряжения Е, можно снять всю вольтамперную характеристику при условии, что величина нагрузочного сопротивления R больше максимального отрицательного дифференциального сопротивления терморезистора R* (рис. 7, прямая 7). В противном случае характеристику полностью снять не удастся из-за возникновения релейного эффекта. Второй метод снятия ВАХ терморезистора основан на изменении величины нагрузочного сопротивления R при постоянном напряжении источника питания E. Чтобы в цепи не возник релейный эффект, напряжение источника питания должно быть выбрано достаточно большим: E ≥ E* = UT*+I*R*, где UT*, I* - координаты точки перегиба на спадающем участке ВАХ терморезистора. При снятии ВАХ терморезистора любым из рассмотренных методов важно помнить, что при изменении напряжения питания или сопротивления нагрузочного резистора ток в цепи и напряжение на терморезисторе устанавливаются лишь спустя некоторое время, в течение которого достигается баланс между тепловыделением в терморезисторе и отводом этого тепла в окружающее пространство. 2. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА Установка для измерения характеристик терморезисторов состоит из трех основных систем (рис. 10). Система измерения параметров терморезистора RT включает в себя: вольтметр на два предела измерения, миллиамперметр на три предела из-

19

мерения, нагрузочное сопротивление, источник постоянного напряжения, питающийся от трансформатора Тр1. Переключением тумблера “R” величина нагрузочного сопротивления может быть установлена равной 1 или 3 кОм. Напряжение источника может регулироваться резисторами "Грубо ∇" и "Плавно ∇∇", ручки которых выведены на переднюю панель стенда. Система изменения температуры в камере образована электронагревателем, питающимся от трансформатора Тр2, и переключателем П, обеспечивающим ступенчатое изменение напряжение на печи. Система измерения температуры в камере представляет собой электронную схему измерения температуры, в которой датчиком служит полупроводниковый диод. Температура в камере индицируется стрелочным прибором Т 0, рассчитанном на измерение в диапазоне от 0 до 200 °С. Система измерения температуры питается, как и печь, от трансформатора Тр2, Схема лабораторной установки ~220 В

~220 В Вкл Печь

Датчик температуры

П

1 2 3 4 5 6 7

Измеритель температуры

П (переключатель напряжения на печи)

RT Т0

Камера

2кОм “R”

1кОм 10-100 В 1-10-100mA mA V

грубо

плавно

Источник постоянного напряжения

регулировка

Рис. 10

20

поэтому при включении печи одновременно вводится в действие и система измерения температуры. 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ВНИМАНИЕ! В РАБОТЕ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ПИТАНИЕ ОТ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ 220В. Прежде чем приступить к работе, необходимо проверить исправность сетевого шнура, вилки и убедиться в надежности заземления корпуса испытательного стенда. При выполнении работы на терморезистор подается постоянное напряжение до 100 В. Перед любыми операциями, требующими прикосновения к корпусу терморезистора, вывести напряжение на нем до нуля. Убедиться в этом можно по вольтметру стенда. Во избежание ожогов, печь следует убирать и устанавливать на подставку только с помощью теплоизолирующей ручки. Также во избежание повреждения терморезисторов, температуру в камере нельзя повышать более чем до 150 °С.

3.1. Снятие ВАХ терморезистора ММТ при комнатной температуре Замечание Любое изменение напряжения и тока терморезистора приводит к большему или меньшему изменению его температуры, а, следовательно, и сопротивления. Вследствие этого ток и напряжение некоторое время продолжают изменяться. Для построения ВАХ пригодны только те значения, которые получены в установившемся режиме. Поэтому обязательно дождитесь момента, когда ток и напряжение перестанут изменяться и только тогда запишите их значения.

Подключите терморезистор к стенду. Выведите ручки регуляторов напряжения в крайнее левое положение. Тумблер "R" установите в положение "3 кОм". Включите тумблер "Сеть" (тумблер "Печь" должен быть выключен).

21

Изменяя напряжение источника регуляторами "Грубо" и "Плавно", снимите вольтамперную характеристику терморезистора. Выведите ручки регуляторов в крайнее левое положение. Постройте график зависимости I=f(U). 3.2. Снятие ВАХ терморезистора КМТ при комнатной температуре Замените терморезистор ММТ на КМТ. Изменяя напряжение источника регуляторами "Грубо" и "Плавно", снимите вольтамперную характеристику терморезистора. Постройте график зависимости I=f(U). 3.3. Наблюдение релейного эффекта терморезистора КМТ при изменении внешнего питающего напряжения Установите тумблер "R" в положение "1 кОм". Изменяя напряжение источника питания, наблюдайте скачки тока и напряжения на терморезисторе КМТ. Запишите значения напряжения и тока терморезистора до и после скачка. Выведите ручки регуляторов в крайнее левое положение. 3.4. Снятие зависимости сопротивления от температуры Выберите значение напряжения в пределах линейного (начального) участка измеренных зависимостей I=f(U). Подключите изучаемый терморезистор к стенду и накройте его нагревательной камерой. Установите тумблер "R" в положение "3 кОм". Подайте на терморезистор выбранное небольшое напряжение и установите подходящие пределы измерения напряжения и тока. Определите сопротивление терморезистора при комнатной температуре как отношение напряжения к току. Запишите в таблицу значение комнатной температуры и сопротивления терморезистора. Включите тумблер "Печь", установите переключатель П напряжения питания печи в положение 1 и выждите 10-15 минут. Отсчитайте темпера-

22

туру в камере по индикатору и определите сопротивление терморезистора при новой температуре окружающей среды. Данные внесите в таблицу Изменяя напряжение питания печи переключателем П и ожидая установления постоянной температуры в камере в течение 10-15 минут, снимите зависимость RT=f(Т). Постройте график этой зависимости в координатах (T , RT ) и в координатах (1/T, lnRT ). Используя построенные графики, рассчитайте коэффициент температурной чувствительности B и температурный коэффициент сопротивления αТ терморезистора (при комнатной температуре). 3.5. Снятие ВАХ терморезистора температуре

при

повышенной

Установите в камере температуру 40-60 °С. Изменяя напряжение источника регуляторами "Грубо" и "Плавно", снимите вольтамперную характеристику терморезистора. Выведите ручки регуляторов в крайнее левое положение. Постройте график зависимости I=f(U). Повторите перечисленные в разделе 3.4 и 3.5 операции для другого терморезистора.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Изобразите температурную зависимость концентрации свободных носителей заряда в примесном полупроводнике, охарактеризуйте каждый из участков этой зависимости. 2. Назовите причины температурной зависимости сопротивления терморезисторов. 3. Объясните причину нелинейности вольтамперной характеристики терморезисторов. 4. Назовите и охарактеризуйте основные параметры терморезисторов. 5. Продемонстрируйте возникновение релейного эффекта с помощью нагрузочных прямых. 6. Как изготавливаются терморезисторы? Где они используются?

23

Список использованных источников 1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы.-М.: Высшая школа, 1973.-398 с. 2. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам/под ред. К.В. Шалимовой.-М.: Высшая школа, 1968. - 464 c. 3. Резисторы. Справочник. Под ред. И.И. Четвертакова и В.М. Терехова. М.: Радио и связь, 1991. - 527 с. 4. Викулин И.М., Стафеев В.И.. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 264 с.