Исследование температурной зависимости сопротивления окислов металлов с высоким температурным коэффициентом сопротивления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №25

Исследование температурной зависимости сопротивления окислов металлов с высоким температурным коэффициентом сопротивления

Цель работы:

Снять опытные данные и построить графики температурной зависимости электрического сопротивления окислов металлов и смесей, используемых в электронной технике для изготовления терморезисторов.
Определить температурный коэффициент сопротивления каждого образца и сравнить со справочными данными.
Рассчитать энергию активации.

1. Указания к работе

Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников. Полупроводниковые приборы делятся на полупроводниковые резисторы, тиристоры, биполярные транзисторы, полевые транзисторы и полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым резистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих факторов.

Рис. 1. Классификация и условное графическое обозначение

полупроводниковых резисторов.

В полупроводниковых резисторах применяется полупроводник, равномерно легированный примесями. В зависимости от типа примесей и конструкции резистора удается получить различные зависимости от управляющих параметров. Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис. 1.

Линейный резистор - полупроводниковый резистор, в котором применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия. Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника мало зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Полупроводниковые линейные резисторы широко применяют в интегральных микросхемах.

Варистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения, поэтому его вольтамперная характеристика нелинейна. Полупроводниковым материалом для изготовления варисторов служит карбид кремния.

Тензорезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механических деформаций. Для изготовления тензорезисторов чаще всего применяют кремний, как с электропроводностью p-типа, так и n-типа.

Фоторезистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности. Достоинства фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты и применимость для работы в цепях постоянного и переменного токов.

Терморезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от температуры. Различают два типа терморезисторов: термистор - сопротивление которого, с ростом температуры падает, и позистор - сопротивление которого с повышением температуры возрастает.

Материалом для изготовления термисторов служат обычно полупроводники с электронной проводимостью, как правило, оксиды металлов и смеси оксидов. Конструктивно термисторы оформляют в виде бусин, шайб, дисков. В ряде случаев термисторы помещают в стеклянные баллоны и подогревают током с помощью специальной обмотки. Такой термистор называют термистором косвенного подогрева.

Температурная характеристика терморезистора выражает зависимость сопротивления от температуры ( рис. 2). Для большинства полупроводников в широком интервале температур электрическое сопротивление терморезистора может быть выражено экспоненциальным законом:

,

(1)

где K - коэффициент, зависящий от конструктивных размеров терморезистора;

 - коэффициент, зависящий от концентрации примесей в полупроводнике;

T - абсолютная температура.

Рис. 2. Температурные характеристики терморезисторов:

1- терморезистора; 2 - позистора

Основным параметром, характеризующим работу терморезистора, является температурный коэффициент сопротивления

(2)

который выражает процентное изменение сопротивления терморезистора при изменении температуры.

Значение температурного коэффициента сопротивления для любой температуры в диапазоне 20  150 ⁰С можно найти с помощью выражения:

(3)

где B - постоянная, величина которой определяется выражением

где T₁ - исходная температура рабочего тела;

T₂ - конечная температура рабочего тела, для которой определяется значение температурного коэффициента;

R_T1 и R_T2 - сопротивление терморезистора при температурах T₁ и T₂ , соответственно.

Для выпускаемых промышленностью термисторов = -0,3 -0,66.

Термистор не обладает вентильными свойствами и имеет сравнительно большую тепловую инерцию. Это свойство используют при измерении действующих значений токов высокой частоты.

Позистор имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Для выпускаемых промышленностью позисторов  = 10 50.

Терморезисторы применяют в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации. Термисторы можно использовать при измерении температуры в широком диапазоне, позисторы - в ограниченных температурных диапазонах.

Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры в определенных температурных интервалах может описываться выражением:

(4)

где A - константа;

k - постоянная Больцмана ( k = 1,3807^.10^-23 Дж/К );

E - энергия активации ( высота энергетического барьера ).

Под энергией активации понимается энергия, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное.

Уменьшение сопротивления с возрастанием температуры может быть объяснено увеличением количества носителей тока, т.е. увеличением концентрации свободных электронов.

Для определения энергии активации строится график зависимости lnR = f(1/T). Из уравнения (4) следует, что:

.

Данный график представляет собой прямую, тангенс угла наклона которой к оси 1/T ( оси X ) равен

.

(5)

Последнее соотношение является исходным для определения энергии активации.

2. Порядок выполнения работы

Ознакомьтесь с оборудованием. Занесите технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, в таблицу 1.

Таблица 1

Наименование

прибора

Марка

(тип)

Система

прибора

Предел

измерения

Класс

точности

Завод. № прибора

Ознакомьтесь с литературными (справочными) характеристиками, используемых в работе терморезисторов (см. приложение). Подготовьте прибор РВ7-22А к работе:

Рис.3. Схема экспериментальной установки

- нажмите кнопку -k

;

- предел измерения выбирается исходя из справочных характеристик образца СТ3-19 - 20 k, ММТ-8 - 0,2 k, КМТ-4 - 2 k;

- вставьте вилку шнура питания в розетку 220 В;

- включите тумблер "СЕТЬ";

- прогрейте прибор 15 минут;

- соедините кабели провода с 3 и общим входом.

Получите у преподавателя интервал температур, в котором проводится измерение сопротивлений образцов.

Установите на термостате начальную заданную температуру. Проверяйте температуру в термостате по контрольному термометру.

Для заданного интервала температур снимите 7-8 показаний значений сопротивлений для каждого образца. Полученные данные занесите в таблицу 2.

Таблица 2

t,^оC	T, K	1/T, K^-1	СТ3-19		ММТ-8		КМТ-4
			R, Ом	ln R	R, Ом	ln R	R, Ом	ln R

Отключите термостат и измерительные приборы.

3. Обработка результатов

1. На миллиметровой бумаге построить график зависимости R = f(T) для каждого образца.

2. Рассчитайте температурный коэффициент сопротивления каждого образца и сравните со справочными данными (см. приложение).

3. Постройте график зависимости ln R = f(1/T) для каждого образца и рассчитайте по нему величину энергии активации.

4. Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Схема экспериментальной установки.

3. Таблица технических данных электроизмерительных приборов.

4. Таблица экспериментальных данных.

5. Графики полученных зависимостей.

6. Расчеты.

7. Выводы.

5. Контрольные вопросы

1. Классификация и изображение на схемах полупроводниковых резисторов.

2. Материалы для изготовления полупроводниковых резисторов.

3. Понятие терморезистора (материал, основные свойства).

4. Основные характеристики термисторов и позисторов.

5. Определение температурного коэффициента сопротивления.

6. Понятие энергии активации.

7. Методы определения (арифметический и графический) энергии активации.

Список рекомендуемой литературы

1. Ю.В. Рублев, А.И. Куценко, А.В. Кортнев. Практикум по электричеству.- М.: Высшая школа, 1977.- 158 с.

2. В.Г. Герасимов. Основы промышленной электроники.- М.: Высшая школа, 1986.- 336 с.

Приложение

Образцы материалов:

- термистор ММТ-8 (смесь окиси меди и марганца)

t,^oC	-40  +80
, %	-2,4  -3,4
R, Ом	1  100

- термистор КМТ-4 (смесь окислов калия и марганца)

t,^oC	-70  +120
, %	-4,2  - 8,4
R, кОм	20  2000

- термистор СТ3-19 (смесь двуокиси титана с окислами магния, кобальта, ванадия)

t,^oC	-90  +125
, %	-3,4  - 4,5
R, кОм	2  15

- позистор СТ6-2Б (титанат бариевая керамика с примесью редкоземельных элементов)

t,^oC	-60  +125
, %	+ 15,0
R, Ом	10  100