Характеристики термисторов

ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Методические указания к лабораторной работе

САМАРА 2012

Составитель: Ю.И.Макарычев, к.т.н., доцент

УДК 621.396.002.3(075)

 

 

Исследование электропроводнмости полупроводниковых терморезисторов: Методические указания к лабораторной работе/СГАУ. - Самара, 2012. - 20 с.

 

Методические указания являются составной частью цикла лабораторных работ по курсу «Радиоматериалы и радиокомпоненты», «Материаловедение и технология материалов», «Материаловедение».

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: 210302 «Радиотехника», 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 160903 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов» и направлениям подготовки: 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 211000 «», 210601«Радиоэлектронные системы и комплексы», 210400.62 «Радиотехника», 162500.62 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов».

Подготовлены на кафедре «Электронные системы и устройства».

 

 

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королёва» (СГАУ)

 

Рецензент: А.В.Зеленский, к.т.н., доцент

 

 

Цель - изучение зависимости электропроводности материалов термисторов и позисторов от температуры и электрического тока.

 

Задание:

1 По экспериментальным результатам построить зависимости 1nγ = φ₁(1/Т) и I = φ₂ (U) исследуемых элементов.

2 Определить ширину запрещенной зоны полупроводникового материала исследуемых элементов.

3 На основе анализа получаемых характеристик полупровод­никовых резисторов определить область их применения. Назвать материалы, используемые для изготовления резисторов.

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Материалы термисторов

Термистор - это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры. Процесс переноса зарядов - процесс электропроводности - может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости и условии неполного за­полнения электронами валентной зоны. При выполнении этих условий и в отсутствие градиента температуры перенос носителей заряда может происходить либо под действием электрического поля, либо под действием градиента концентрации носителей заряда

Широко распространены терморезисторы с отрицательным тем­пературным коэффициентом, т.е. у которых при увеличении темпе­ратуры сопротивление уменьшается. Наряду с ними используют высокочувствительные терморезисторы с положительным коэффи­циентом сопротивления. Среди них особое место занимают позисторы. Термисторы бывают прямого и косвенного подогрева. В ра­боте используются материалы термисторов прямого подогрева. Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено тремя причинами: 1 - увеличе­нием концентрации носителей заряда; 2 - увеличением их подвижности;

3 - фазовыми превращениями полупроводникового материала.

1 Пеpвoе явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния соединения типа А^ΙΙΙ - В^V и др.). Зави­симость сопротивления полупроводника от температуры определяется применением концентрации носителей заряда, так как тем­пературные изменения подвижности при этом пренебрежитель­но малы.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению

R_t = R₀eхрВ ,

где В - коэффициент температурной чувствительности, определяе­мый в виде

B= ,

R_{o -} «холодное» сопротивление термистора, обычно при 20⁰С.

У разных типов термисторов В = 700 - 15800 К.

2 Основная часть термисторов, выпускаемых промышленно­стью, изготовлена из поликристаллических окисных полупровод­ников - из окислов так называемых металлов переходной 1 группы таблицы Менделеева (от титана (Ti) до меди (Сu)). Наиболее широко используют окислы марганца (Мn), кобальта (Со), ни­келя (Ni) и меди (Сu). Термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методами керамической техноло­гии, т. е. путем обжига заготовок при высокой температуре. Электропроводность окисных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Электропроводность окислов ме­таллов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, мала. Поэтому все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию — постоянной в рабочем диапазоне температур термистора.

Из-за сильного взаимодействия носителей заряда с ионами под­вижность носителей заряда в окисном полупроводнике оказывает­ся малой и экспоненциально возрастающей с ростом температуры. В результате температурная зависимость сопротивления термистора из окисного полупроводника оказывается такой же, как и у тер­мисторов из ковалентных полупроводников, но коэффициент тем­пературной чувствительности характеризует в этом случае изме­нение подвижности носителей заряда, а не изменение их концент­рации.

3 В окислах ванадия V₂O₄ и V₂O₃ при температуре фазовых превращений (68°С - 110°С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление позволяет соз­дать термистор с большим отрицательным температурным коэф­фициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствую­щих фазовому превращению.

 

Характеристики термисторов

На рисунке 1 приведены статические характеристики термисторов прямого подогрева.

 

 

Рисунок 1 - Вольт-амперная характеристика полупроводника, снятая при различных температурах окружающей среды T01<T02<T03

 

 

При снятии характеристики после определения значения тока делалась достаточная выдержка времени до отсчета напряжения, чтобы температура термистора установилась. Из рисунка 1 (участок ОС) 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 рас­тет, 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. Даже на участке OA (см. рисунок 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 нелинейна, экспо­ненциально зависит от температуры, то когда ток станет боль­шим, чем значение, соответствующее т. С (см. рисунок 1), концентрация носителей, а следовательно и проводимость полупроводника, могут расти так быстро, что нужно меньшее, чем прежде, напряжение, чтобы поддержать тот же пли даже больший ток. Это видно из известного выражения

U=IR=Iρ(l) ,

где L и S – длина и площадь поперечного сечения полупровод­ника. Удельное сопротивление ρ (l) и проводимость в данном случае зависят от протекающего тока I. На рисунке 1 видно, что еще большее увеличение тока (участок выше т. D) снова приводит к росту напряжения U. Этот участок возникает на вольт-амперной характеристике полупроводника, когда протекающий ток разогреет его до температуры, соответствующей температуре примесного истощения. Участок выше т. D показан пунктиром, поскольку чаще всего раньше сгорает термистор или контакты к нему, прежде чем удается наблюдать второй возрастающий участок.

Вольт-амперная характеристика термистора (см. рисунок 1) 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 вольт-амперная характеристика «прижимается» к оси токов и «спрямляется». При достаточно вы­сокой температуре падающий участок на вольт-амперной 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 вольт-амперной характеристике падающего участка.

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

 

 

Рисунок 2 – Статические характеристики терморезисторов

 

 

Температурный коэффициент сопротивления термистора

Или

 

TKR = –В /T².

 

На рисунке 3 приведена температурная зависимость TKR.

 

 

Рисунок 3 – Зависимости TKR от температуры:

1 - термисторов; 2 - позисторов

 

Позисторы

Позисторы - это полупроводниковые резисторы с положитель­ным температурным коэффициентом сопротивления. В массовом производстве позисторы делают на основе титанатобариевой кера­мики, удельное сопротивление которой значительно уменьшено в результате добавления примесей. Титанат бария (ВаTiО₃) диэлектрик с удельным сопротивлением ρ = I0¹¹–10¹² Oм см. Введение в BaTi0₃ малых количеств (0,1–0,3ат%) примесей ред­коземельных элементов (лантана, церия и др.) приводит к умень­шению ρ до 10–10²Ом см. При дальнейшем увеличении при­месей степень тетрагональности материала уменьшается, происхо­дит разукрупнение кристаллов, поэтому ρ растет. Такой материал обладает аномальной температурной зависимостью; в узком диа­пазоне температур его ρ увеличивается на несколько порядков с увеличением температуры (рисунок 4). Резкое увеличение ρ ВаTiO₃ происходит из-за тетрагонально-кубичес­кого фазового превращения, т. е. в диапазоне температур выше точки Кюри, при которых ВаТiO₃ переходит из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние.

Иногда для создания позисторов исследуют 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.

Рисунок 4 – Температурные характеристики позисторов

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

2 УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

1 Ознакомиться со схемой экспериментальной установки (рисунок 5).

2 Включить установку с помощью тумблера «Вкл», расположенного на ее лицевой панели. Индикатор «Т°С» измерителя тем­пературы покажет начальную температуру термостата Т₀.

 

Рисунок 5 – Схема экспериментальной установки:

В – выпрямитель; ИТ – измеритель температуры;

ИС – измеритель сопротивления; Т - термостат

3 Снять зависимости I = φ(U) набора полупроводниковых резисторов при Т =T₀, для чего регулятором «U» задать 5—6 зна­чений напряжений и снять показания с индикаторов I и U. Ре­зультаты занести в таблицу 1, форма которой выбирается произ­вольно.

4 Снять зависимости R = φ(T) для набора полупроводниковых резисторов, для чего регулятором «U» задать ток I = 5мкA 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 таблицу 2, форма которой выбирается про­извольно.

5 Снять зависимости I = φ (U) набора полупроводниковых ре­зисторов при Т = Т_max термостата. Результаты занести в таблицу 3, форму которой выбрать аналогично таблице 1.

6 Вычислить γ, учитывая реальные размеры полупроводни­ковых резисторов и формулу

7 Построить зависимости lnγ = φ₁(1/T) и I=φ₂(U) при Т = Т₀ и Т= Т_max.

8 Определить ширину запрещенной зоны материала полупроводниковых резисторов по формуле

 

 

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

9 Ответить на вопросы задания, сформулировать выводы.

 

3 Контрольные ВОПРОСЫ

 

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

2 О чем свидетельствует нелинейность зависимости lnγ = φ(1/Т)?

3 Как экспериментально определить ширину запрещенной зоны полупроводника?

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

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

 

 

4 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

4.1 Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника [Текст]: учебное пособие для вузов/ К.С.Петров. - Питер, 2003.- 512 с.

4.2 Материаловедение. Технология конструкционных материалов[Текст]:учебное пособие/ Под редакцией В.С.Чередниченко.- М.: Омего -Л, 2006.- 752 с.

 

Учебное издание