Терморезистор (термистор) – это полупроводниковый резистор, для которого характерна зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.
Различают два типа терморезисторов:
— терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС 0).
У терморезисторов с отрицательным ТКС происходит уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры, что может быть обусловлено следующими причинами:
1. увеличением концентрации носителей заряда.
Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике состоит из трех участков (рис.3.19). Ясно, что за счет зависимости n(Т) примесные полупроводники обладают отрицательным ТКС в диапазонах температур примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы (рис.3.19, уч.1), и собственной электропроводности, когда концентрация носителей заряда изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника (рис.3.19, уч.3).
Рис.3.19. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике в координатах ln n = f ( 
)
В обоих диапазонах температурная зависимость сопротивления описывается формулой: 
,
где В — коэффициент температурной чувствительности, равный
— для участка 1
и 
— для участка 3.
Зная В, можно определить ТКС: 
.
Такие терморезисторы могут изготавливаться из монокристаллов ковалентных полупроводников: Si, Ge, GaAs, SiC и других. Однако, ТКС участка 1 недостаточно велико, а область 3 начинается со слишком высоких температур.
2. Увеличение подвижности носителей заряда
Как известно, этот эффект присущ полупроводникам с прыжковой электропроводностью, где с повышением температуры увеличивается вероятность перескоков носителей заряда между локализованными состояниями.
Основная часть терморезисторов изготавливается из поликристаллических (керамических) полупроводников на основе оксидов переходных металлов (от Тi до Zn). Они отличаются сравнительно большими значениями ТКС порядка сотых долей К -1 .
Электропроводность оксидных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами качественно отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерно наличие незаполненной 3d-оболочки и способность принимать разную валентность.
При синтезе материала в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разной валентностью (зарядами). Электропроводность в этом случае обусловлена обменом электронами между соседними ионами, например, в случае оксида Fe, возможен переход электрона от Fe +2 к иону Fe +3 :
Fe +2 + Fe +3 → Fe +3 + Fe +2
Энергия, необходимая для такого обмена, сравнительно мала, так что все локализованные на d-орбиталях электроны можно считать носителями заряда, а их концентрацию – постоянной в рабочем диапазоне температур.
Концентрацией катионов в непредельной степени окисления и, соответственно, проводимостью материала можно управлять посредством легирования разновалентными примесями и изменения степени отклонения состава от стехиометрического.
Носителями заряда в указанных системах являются поляроны малого радиуса – квазичастицы, существование которых обусловлено сильным взаимодействием электронов с ионами кристаллической решетки.
Подвижность носителей заряда при прыжковом механизме поляронов малого радиуса и соответственно проводимость материала экспоненциально возрастает с температурой, так что как и в предыдущем случае: 
.
Малая подвижность носителей заряда, присущая материалам с прыжковой электропроводностью определяет сравнительно высокое удельное сопротивление металлоксидной керамики, что является важным достоинством, например, в прецизионных термометрах. Сопротивление термисторов варьируют в широких пределах и при 25 ˚С номинальные значения составляют от нескольких Ом до нескольких сотен кОм.
3. Фазовый переход «металл-диэлектрик»
Явление, характерное для некоторых оксидов металлов (например, оксид ванадия VO2) и заключающееся в пороговом уменьшении удельного сопротивления на несколько порядков величины при достижении определенной температуры (для VO2 порядка 67 ˚С) (рис.3.20). Это используется для создания так называемых критических терморезисторов, обладающих большим отрицательным ТКС вблизи фазового перехода.
Рис.3.20. Зависимость удельного сопротивления критического терморезистора от температуры
Терморезисторы могут быть отнесены к нелинейным резисторам, что связано с разогревом прибора протекающим током. Характерная нелинейная ВАХ показана на рис.3.21. Линейность начального участка ВАХ объясняется тем, что при малых токах и напряжениях выделяемая в терморезисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры.
При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нем мощность повышает его температуру, так что сопротивление термистора падает и линейность ВАХ нарушается.
Рис.3.21. Вольт-амперная характеристика терморезистора
При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности ВАХ (то есть при большом значении В) может наблюдаться падающий участок, то есть уменьшение напряжения на термисторе с увеличением тока (участок отрицательного дифференциального сопротивления).
Вольт-амперную характеристику термистора в параметрической форме можно получить из уравнения теплового баланса:
,
где Н- коэффициент рассеяния;
ТОКР – температура окружающей среды.
Зная, что 
, получим:
Максимуму ВАХ (UЭКСТР) отвечает 
В результате получим:
,
отсюда 
.
Таким образом, ВАХ термистора будет иметь экстремальное значение напряжения только при условии 
.
В противном случае ВАХ монотонна ( рис.3.21).
Существует как максимум, так и минимум U на термисторе, однако температура, при которой достигается минимум U термистора, выше допустимой для прибора, то есть наблюдается только максимум U.
Дата добавления: 2015-06-12 ; просмотров: 2107 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ
Методические указания к лабораторной работе
САМАРА 2012
Составитель: Ю.И.Макарычев, к.т.н., доцент
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
Rt = ReхрВ 
,
где В — коэффициент температурной чувствительности, определяемый в виде
B= 
,
Ro — «холодное» сопротивление термистора, обычно при 20 0 С.
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 2 . |
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 = I0 11 –10 12 Oм 
см. Введение в BaTi03 малых количеств (0,1–0,3ат%) примесей редкоземельных элементов (лантана, церия и др.) приводит к уменьшению ρ до 10–10 2 Ом 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 Т.
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 =T, 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 = Тmax 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 = Т и Т= Тmax.
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.
Вольтамперная характеристика — терморезистор
Вольтамперная характеристика терморезистора может изменяться под влиянием различных причин и, прежде всего, при изменении температуры окружающей среды. [2]
Вольтамперная характеристика терморезистора / соответствует температуре окружающей среды Т, характеристика / / — температуре Т2, III — характеристике линейного элемента R. При повышении окружающей температуры характеристика терморезистора опускается. Небольшого повышения температуры достаточно, чтобы ток в цепи скачком увеличился до значения / з — Это явление называется прямым релейным эффектом. [4]
Форма вольтамперной характеристики терморезистора определяется его свойствами, температурой окружающей среды и условиями теплообмена между терморезистором и окружающей средой. [5]
Примерные формы вольтамперной характеристики терморезистора с изменением температуры окружающей среды показаны на рис. 13.1, а. По мере увеличения температуры окружающей среды вольтамперная характеристика терморезистора смещается вниз, причем особенно заметно смещается максимум этих кривых. [6]
Эта особенность вольтамперных характеристик терморезисторов и обеспечивает им широкое применение в системах автоматического регулирования. Вид температурных и вольтамперных характеристик терморезисторов в конечном счете объясняется квантовым механизмом процессов, происходящих в полупроводниковом веществе, из которого они изготовлены. [7]
На рис. 7.10 показаны вольтамперные характеристики терморезистора , находящегося в жидкости и газе. В цепи срабатывает реле, которое, в свою очередь, приводит в действие механизм, восстанавливающий необходимый уровень жидкости. Терморезистор снова погружается в жидкость и охлаждается. Происходит обратный релейный эффект, и впуск жидкости прекращается. [8]
При малой величине тока вольтамперная характеристика терморезистора линейна, поскольку мощность, выделяемая в нем, недостаточна для того, чтобы заметно нагреть его. В дальнейшем, при возрастании тока, терморезистор нагревается, его сопротивление падает и напряжение и, выделяемое на нем, уменьшается. [10]
За счет каких факторов вольтамперная характеристика терморезистора может быть смещена. [11]
На рис. 7.3 приведена вольтамперная характеристика терморезистора . На начальном участке характеристика линейна, так как при малых токах мощность, рассеиваемая на терморезисторе, недостаточна для того, чтобы заметно нагреть его, и выполняется закон Ома. В дальнейшем, при возрастании силы тока выделяемая мощность увеличивается, терморезистор нагревается выше температуры окружающей среды, его сопротивление падает. В результате этого напряжение на терморезисторе становится меньше той величины, которая должна быть, если бы его сопротивление было постоянным. Крутизна вольтампер-ной характеристики уменьшается. На участке OUU дифференциальное сопротивление положительно, на остальной части характеристики оно становится отрицательным. Участок отрицательного дифференциального сопротивления является рабочей частью вольтамперной характеристики во многих случаях практического использования терморезисторов. [13]
В точке f прямая UnB касается вольтамперной характеристики терморезистора . При дальнейшем уменьшении температуры рабочая точка продолжает смещаться влево. [14]
