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. Изме-рение и анализ вольтамперных характеристик терморезисторов, определе-ние температурных коэффициентов сопротивления. Ознакомление с тех-нологией изготовления и возможным применением терморезисторов.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Принцип работы терморезисторов Терморезисторы (термисторы) представляют собой полупроводни-

ковые резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой, отличи-тельной 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 воз-растает с ростом температуры. Их обычно называют позисторами. Позис-торы изготавливают на основе титанато-бариевой керамики. Более под-робную информацию о позисторах можно получить из работ [1-4].

В настоящих указаниях рассматриваются терморезисторы с отрица-тельным ТКС, изготовляемые из полупроводниковых материалов. Умень-шение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами –– увеличением концентрации но-сителей заряда или увеличением их подвижности, а также фазовыми пре-вращениями.

Первое явление характерно для терморезисторов, изготовленных из германия, кремния, карбида кремния, соединений типа АΙΙΙВV и др. Темпе-ратурная зависимость удельного сопротивления полупроводника опреде-ляется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как от-носительно слабым изменением их подвижности в большинстве случаев можно пренебречь.

При абсолютном нуле температуры все энергетические уровни ва-лентной 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, следо-вательно, 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 элек-трона 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 действи-ем 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 прово-димости, а, следовательно, и число образовавшихся свободных электронов и дырок значительно (по экспоненциальному закону) возрастают с увели-чением температуры:

кТgДЕ

еTin 22/3~−

,

где ni – концентрация свободных электронов (индекс i указывает на то, что полупроводник собственный; заметим, что в собственном полупровод-нике 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 образо-

ванию энергетических уровней внутри запрещенной зоны. Примесные атомы даже при относительно низких температурах могут поставлять электроны в зону проводимости (в этом случае примесь называется донор-ной, а полупроводник - n-типа) или дырки в валентную зону (примесь на-зывается акцепторной, а полупроводник - p-типа), так как требуемая для этого энергия обычно значительно меньше ширины запрещенной зоны. За-висимость концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа от температуры показана на рис. 1.

Большую часть терморезисторов, выпускаемых промышленностью, изготавливают из поликристаллических оксидных полупроводников, в ко-торых преобладает ионная связь. Электропроводность этих материалов от-личается от электропроводности рассмотренных выше ковалентных

5

полупроводников. Как правило, полупроводниками являются оксиды пе-реходных металлов, для которых характерно наличие незаполненных элек-тронных оболочек и переменная валентность. При образовании такого ок-сида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехио-метрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность оксидных полупроводни-ков объясняется обменом электронами между этими ионами. Так как энер-гия, необходимая для такого обмена, невелика, все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать сво-

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 предэкспоненциальногомножителя в выражении для концентрации свободных электронов.

Рис. 1

6

бодными носителями заряда, а их концентрацию постоянной при темпера-турах в рабочем для терморезистора диапазоне.

Из-за сильного взаимодействия носителей заряда с ионами под-вижность носителей заряда в оксидном полупроводнике оказывается до-вольно низкой и экспоненциально возрастает с ростом температуры. В ре-зультате зависимость сопротивления оксидного полупроводника от темпе-ратуры 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) изме-нения 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 ке-

рамической 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 окси-дов с органической связкой и пластификатором. Массу загружают в ци-линдр мундштучного шприц-пресса и выдавливают в виде длинных стержней или трубок, которые после просушки нарезают на заготовки тре-буемых размеров. Заготовки подвергают обжигу при высокой температуре (около 1000 °С и более) в окислительной, нейтральной или восстанови-тельной газовой среде в зависимости от вида используемых полупровод-никовых 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 об-жиге в восстановительной газовой среде применяют медные и железные пасты. Для повышения стабильности и подгонки параметров к заданным номинальным значениям образцы подвергают термообработке. После это-го на них надевают контактные колпачки или припаивают проводники,

7

подводящие ток, затем покрывают слоем изоляционной влагостойкой эма-ли или герметизируют в защитных корпусах. Готовые терморезисторы подвергают искусственному старению и сортируют по величине электри-ческого 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 не-скольких десятков миллиметров, толщиной до 10 мм.

Бусинковые терморезисторы изготавливают из массы, состоящей из порошкового полупроводникового материала, смешанного с соответст-вующим пластификатором. Капельки этой массы наносят на две платино-вые 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 ма-териала шарики значительно сокращаются в объеме и прочно сцепляются с платиновой проволокой. Полученные бусинки отделяют друг от друга, платиновые выводы соединяют с контактными проволоками. Бусинки по-крывают 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 за-щиты машин и механизмов, в схемах температурной компенсации элемен-тов электрических цепей, в частности, для термокомпенсации кварцевых резонаторов и генераторов, для стабилизации режимов работы транзистор-ных каскадов, для измерения мощности, вакуума, скоростей движения жидкостей и газов и т.д.

Описанные выше терморезисторы относятся к классу терморезисто-ров прямого подогрева. В отличие от них терморезисторы косвенного подогрева имеют дополнительный источник тепла - подогреватель. Подог-реватель делают в виде обмотки, помещенной на изоляционную трубку, внутри которой расположен терморезистор, или в виде нити накала, раз-мещенной внутри трубчатого терморезистора.

8

Особенностью терморезисторов косвенного подогрева является на-личие 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, предо-хранения от перегрузки и в ряде других случаев.

1.3. Параметры и характеристики терморезисторов Температурная зависимость сопротивления терморезистора яв-

ляется одной из основных его характеристик. На рис. 2 приведен пример такой зависимости. Во всем рабочем диапазоне температур эта зависи-

мость достаточно хорошо описывается уравнением

Температурная характеристика одного из терморезисторов RT , кОм

60 40 20 -20 +20 +60 T, °C

Рис. 2

ФВ

Ф AeR = , (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) - значе-нием постоянной А. Для большинства типов терморезисторов значения коэффициента В лежат в пределах 3000-16000 К.

Важной характеристикой терморезистора является также его стати-ческая вольтамперная характеристика (ВАХ). Она имеет ярко выра-женный нелинейный характер (рис. 3).

Статическая вольтамперная характеристика терморезистора

UT

0

A

B

C

βB βА βC

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 ха-рактеристики нарушается. С ростом тока рассеиваемая мощность увеличи-вается, температура терморезистора заметно повышается, а его сопротив-ление уменьшается. При дальнейшем увеличении тока уменьшение сопро-

10

тивления оказывается столь сильным, что напряжение на терморезисторе уменьшается, и появляется участок ВАХ с отрицательным дифференци-альным сопротивлением (участок ВС на рис. 3).

Статическое сопротивление терморезистора в любой точке характе-ристики 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 из-менении температуры окружающей среды. На рис. 4 изображены характе-ристики 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 окру-жающей 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. Анало-гичным образом изменятся положения других точек характеристики. Сле-довательно, при повышении температуры окружающей среды вся характе-ристика сместится вниз.

Изменение статической ВАХ терморезистора

при изменении температуры UT

D1

D2

β1 β2

1

2

0 I 1- T1; 2 - T2>T1

Рис. 4

11

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

PT = I2RT = TR

U 2 = H(T–T0), (2)

где Н – коэффициент теплоотдачи (рассеяния), численно равный мощно-сти, рассеиваемой терморезистором при разности температур терморези-стора Т и окружающей среды Т0 в один градус.

Из уравнения (2) с учетом (1) получим уравнение статической вольт-амперной характеристики терморезистора в параметрическом виде:

TBATTHU exp)( 0−= ,

ATBTTH

I)exp()( 0 −−

= .

К числу основных параметров терморезистора относят также: Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) αТ, который

характеризует обратимое относительное изменение сопротивления при из-менении температуры на один градуc:

dTdR

RT

TT

1=α . (3)

Значение ТКС зависит от температуры, поэтому он записывается с

индексом Т. Эту зависимость можно получить, воспользовавшись выраже-ниями (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 инерци-

онность терморезистора. Она равна промежутку времени, в течение кото-рого 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 до-лей 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 сопро-тивлений RТ и R в координатах (I, UT) (см. рис. 6). При построении ВАХ нагрузочного сопротивления в координатах (I, UT) воспользуемся очевид-ным соотношением

UR = R I = E-UT ,

откуда найдем искомую зависимость в виде

UT ( I ) = E- R I. (5)

Полученную линейную зависимость обычно называют нагрузочной пря-мой. 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

Рис. 5

R RT

t°

E

UR UT

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 на-грузочного резистора. Если изменить Е или R, то изменятся положения на-грузочных 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 термо-резисторе.

Как видно из рис. 6, каждому значению напряжения источника пита-ния Е (Е1 - Е4) соответствует единственная рабочая точка (А1-А4), т.е. су-ществует 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 точ-ка (прямые 1, 5), а при других - рабочих точек может оказаться две или даже три (прямые 2-4). В этом случае возникает вопрос, какое из несколь-ких 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 различныхнапряжениях источника питания и сопротивлениях нагрузочного

резистора

UT

Е2

6

A2 A3

Е1 A5 2 3 4 UT1 A1 A4 1 5

0 I1 E1 /R E2 /R E1 /R' E3 /R E4 /R I

Рис. 6

14

теплового баланса терморезистора в виде:

)( 0

2

TTHRRR

EdtdTC T

T−−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

= , (6)

где С - теплоемкость терморезистора, первое слагаемое в правой части уравнения - мощность, выделяющаяся в терморезисторе, а второе слагае-мое - мощность, которую он рассеивает в окружающее пространство.

Учитывая температурную зависимость сопротивления терморезисто-ра (1) и уравнение (6), построим график зависимости производной темпе-ратуры по времени dT/dt от температуры (см. рис. 8) при значениях напря-жений источника питания E1-E5, соответствующих положениям нагрузоч-ных 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, про-анализировав поведение рассматриваемой системы в случае, когда имеет место три возможных состояния равновесия (рис. 7, прямая 3; рис. 8, кри-вая 3).

Если рабочая точка терморезистора соответствует его температуре T3, то при флуктационном уменьшении температуры от равновесного зна-чения 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 тем-пературы 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 значе-ния 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 температу-ры 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

Температурная зависимость скорости изменения температурытерморезистора

dT/dt

5 4

3 T'3 T''3 T'4 T5 0 T1 T2 T'2 T 2 T3 T4 1

кривые 1-5 соответствуют напряжениям источника питанияE1< E2< E3< E4< E5 и положениям нагрузочных прямых 1-5 на рис. 7

Рис. 8

Релейный эффект при изменении напряжения источника питания

UT Е5 7 Е4 Е3

Е2 A4 A3 A2 A'3

6

Е1 A1 2 3 4 5 A'2

A'4 A5 1 A"3

0 I1 I2 I3 I4 I'3 I'2 I''3 I'4 I5 I

Рис. 7

16

Какому же из двух устойчивых значений - Т3 или Т"3 - будет соответ-ствовать реальная температура терморезистора при напряжении Е3 источ-ника 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 дальней-шем 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 терморези-стора не Т3, а Т''3 > Т3.. Чтобы вновь вернуться в низкотемпературное со-стояние равновесия, необходимо уменьшить напряжение Е до значения Е2, при котором высокотемпературное (Т = Т'2) состояние равновесия потеря-ет 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 темпе-ратуры терморезистора и его сопротивления, называются релейным эф-фектом. Релейный эффект может иметь место, если сопротивление нагру-зочного резистора меньше некоторого значения R*, соответствующего на-клону 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 темпера-туры 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 окру-жающей среды Т0 изменяется, не превышая значения То4, положение рабо-чей 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 3(To3) A1 A2 A3

A4 A'3

A"3 A'2 A'4

4(To4)

5(To5) A5 0 I1 I2 I3 I4 I'3 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 те-ряет устойчивость и начинает возрастать, а его сопротивление резко па-дать, пока не установится новое устойчивое значение температуры термо-резистора 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 по-мощью электромагнитного реле с соответствующим током срабатывания, которое включит, например, сигнализацию о пожароопасности. При пони-жении температуры окружающей среды релейный эффект вновь возник-нет, 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, темпера-турной сигнализации, автоматического регулирования температуры.

18

1.5. Методика снятия вольтамперных характеристик терморезистора

Снятие ВАХ терморезистора имеет свои особенности, обусловлен-

ные 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 вели-чина нагрузочного сопротивления R больше максимального отрицательно-го дифференциального сопротивления терморезистора R* (рис. 7, пря-мая 7). В противном случае характеристику полностью снять не удастся из-за возникновения релейного эффекта.

Второй метод снятия ВАХ терморезистора основан на изменении ве-личины нагрузочного сопротивления R при постоянном напряжении ис-точника 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 сопротивле-ния нагрузочного резистора ток в цепи и напряжение на терморезисторе устанавливаются лишь спустя некоторое время, в течение которого дости-гается 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” вели-чина 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 электронагре-вателем, питающимся от трансформатора Тр2, и переключателем П, обес-печивающим ступенчатое изменение напряжение на печи.

Система измерения температуры в камере представляет собой элек-тронную схему измерения температуры, в которой датчиком служит полу-проводниковый диод. Температура в камере индицируется стрелочным прибором Т 0, рассчитанном на измерение в диапазоне от 0 до 200 °С. Сис-тема измерения температуры питается, как и печь, от трансформатора Тр2,

Схема лабораторной установки

Рис. 10

Вкл Печь

10-100 В 1-10-100mA mA V

7 2 3 4 5 6 1

грубо

регулировка

Источник постоянного напряжения

1кОм

2кОм

“R”

Т0 Камера

RT

ПДатчик температуры

Измеритель температуры

П (переключатель напряжения на печи)

~220 В ~220 В

плавно

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 исправ-

ность 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 при-косновения 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 из-бежание 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 про-должают изменяться. Для построения ВАХ пригодны только те значения, которые получены в установившемся режиме. Поэтому обязательно дож-дитесь момента, когда ток и напряжение перестанут изменяться и только тогда запишите их значения.

Подключите терморезистор к стенду. Выведите ручки регуляторов напряжения в крайнее левое положе-

ние. 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 то-ка 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 на-

гревательной камерой. Установите тумблер "R" в положение "3 кОм". Подайте на терморезистор выбранное небольшое напряжение и ус-

тановите подходящие пределы измерения напряжения и тока. Определите сопротивление терморезистора при комнатной темпера-

туре как отношение напряжения к току. Запишите в таблицу значение комнатной температуры и сопротивле-

ния 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 ус-тановления постоянной температуры в камере в течение 10-15 минут, сни-мите зависимость RT=f(Т). Постройте график этой зависимости в коорди-натах (T , RT ) и в координатах (1/T, lnRT ).

Используя построенные графики, рассчитайте коэффициент темпе-ратурной чувствительности B и температурный коэффициент сопротивле-ния αТ терморезистора (при комнатной температуре).

3.5. Снятие ВАХ терморезистора при повышенной

температуре 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 но-сителей заряда в примесном полупроводнике, охарактеризуйте каждый из участков этой зависимости.

2. Назовите причины температурной зависимости сопротивления терморе-зисторов.

3. Объясните причину нелинейности вольтамперной характеристики тер-морезисторов.

4. Назовите и охарактеризуйте основные параметры терморезисторов. 5. Продемонстрируйте возникновение релейного эффекта с помощью на-

грузочных прямых. 6. Как изготавливаются терморезисторы? Где они используются?

23

Список использованных источников

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые прибо-

ры.-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.