ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №25 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОКИСЛОВ МЕТАЛЛОВ С ВЫСОКИМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Снять опытные данные и построить графики температурной зависимости электрического сопротивления окислов металлов и смесей, используемых в электронной технике для изготовления терморезисторов. 2. Определить температурный коэффициент сопротивления каждого образца и сравнить со справочными данными. 3. 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. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ Линейные резисторы Варисторы U Терморезисторы Тензорезисторы t Термисторы 0 Фоторезисторы Позисторы 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) RI K e / T , где - коэффициент, зависящий от конструктивных размеров терморезистора; - коэффициент, зависящий от концентрации примесей в полупроводнике; T - абсолютная температура. K R, кОм 2 1 Т, К Рис. 2. Температурные характеристики терморезисторов: 1- терморезистора; 2 - позистора Основным параметром, характеризующим работу терморезистора, является температурный коэффициент сопротивления 1 dR I 100 , (2) RT dT 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: B , (3) T2 где B - постоянная, величина которой определяется выражением RT T T B 1 2 ln , T2 T1 RT где T1 - исходная температура рабочего тела; T2 - конечная температура рабочего тела, для которой определяется значение температурного коэффициента; RT1 и RT2 - 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. 1 2 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: E R A e kT , (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: E 1 ln R ln A . k T Данный график представляет собой прямую, тангенс угла наклона которой к оси 1/T ( оси X ) равен (5) E tg . k 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: ТЕРМОСТАТ ОБРАЗЦЫ 2 3 4 1 5 ВОЛЬТМЕТР РВ7-22А БЛОК УПРАВЛЕНИЯ 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 R, Ом ln R ММТ-8 R, Ом Отключите термостат и измерительные приборы. ln R КМТ-4 R, Ом ln R 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 ,% R, Ом -40 +80 -2,4 -3,4 1 100 - термистор КМТ-4 (смесь окислов калия и марганца) t,oC ,% R, кОм -70 +120 -4,2 - 8,4 20 2000 - термистор СТ3-19 (смесь двуокиси титана с окислами магния, кобальта, ванадия) t,oC ,% R, кОм -90 +125 -3,4 - 4,5 2 15 - позистор СТ6-2Б редкоземельных элементов) t,oC ,% R, Ом (титанат -60 +125 + 15,0 10 100 бариевая керамика с примесью