Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры
При изменении температуры изменяется проводимость чистых металлов, сплавов и полупроводников.
Экспериментально установлено, что при повышении температуры сопротивление металлов увеличивается. При не слишком низких температурах сопротивление металлов растет пропорционально абсолютной температуре Т:
,
(1)
где
– сопротивление при температуре
,
- постоянный коэффициент, приблизительно
равный 1/273 К-1.
Соотношение (1) можно представить в виде
,
(2)
где – температура в oС, т.е. температурная зависимость сопротивления металлов линейна (рис.2).
Причинами электрического сопротивления в металлах являются посторонние примеси и физические дефекты кристаллической решетки металла, а также тепловое движение атомов металла, амплитуда колебаний которых зависит от температуры. Подвижность свободных носителей заряда (электронов) уменьшается при повышении температуры из-за возрастания числа столкновений с атомами кристаллической решетки металла, что приводит к росту сопротивления.
У полупроводников с ростом температуры подвижности носителей заряда (электронов и дырок) тоже падают, но это не играет заметной роли, т.к. рост концентрации является преобладающим. В результате сопротивление полупроводников с увеличением температуры Т практически уменьшается по экспоненциальному закону (рис.2):
,
(3)
где R0 , b – константы, зависящие от природы полупроводника, e – основание натуральных логарифмов.
На рис.2 приведена зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры, эта зависимость носит резко выраженный характер.
Термометры сопротивления. Терморезисторы (термисторы)
Сопротивление металлов при изменении температуры на 1 К изменяется примерно на 0,4 – 0,6 %, у полупроводников соответствующее изменение сопротивления в 8 – 10 раз больше, чем у металлов.
Это свойство металлов и полупроводников используется для измерения температуры. Приборы, основанные на зависимости сопротивления металлов от температуры, называются термометрами сопротивления, в случае полупроводников – терморезисторами или термисторами.
Рис.2
Термометры сопротивления изготовляются из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из изолирующего материала. Они имеют линейную характеристику R = f (t).
Чувствительным элементом терморезистора (термистора) является кристаллический полупроводник, имеющий очень малые размеры, что делает терморезисторы очень удобными для медицинских и биологических исследований.
Миниатюрными термисторами измеряют температуру разных участков кожи больного, крошечные чувствительные элементы термисторов можно вводить прямо в кровеносный сосуд. Вследствие малых размеров терморезисторы обладают малой теплоемкостью, что значительно повышает точность измерения температуры. Чувствительность некоторых термисторов настолько велика, что на их основе строят особые приемники лучистой энергии – болометры. Болометры могут уловить за несколько километров инфракрасные (тепловые лучи), испускаемые человеческой кожей.
Существенным недостатком терморезистора является нелинейность его характеристики. Однако характеристики отдельных элементов отличаются высокой стабильностью во времени.
Для измерения температуры термометрами сопротивления и терморезисторами их предварительно градуируют, т.е. строят график зависимости сопротивления R от температуры t.