4.3. Опис установки і методу вимірів
Термістори – це напівпровідникові опори, що виготовляються зазвичай у вигляді таблеток або циліндрів малого розміру.
Н
айбільш
поширеним і точним методом виміру опору
провідників і напівпровідників є
містковий метод. Місткова схема (рис.
4.8) складається з двох гілок струму АСВ
і АДВ, між якими «перекинутий місток»
СД. У місток включений гальванометр –
індикатор рівноваги. Ділянки двох
паралельних гілок
,
,
і
називаються плечима моста. Зліва на
схемі – джерело постійного струму і
баластний опір
,
який обмежує можливу величину струму,
щоб не перевантажувати батарею і секції
моста.
Опори , і при шуканому можна підібрати так, щоб різниця потенціалів між точками С і Д дорівнювала нулю, тобто струм через гальванометр не йде. Це положення називають рівновагою моста.
Умови рівноваги:
|
(4.6) |
;
,тобто
|
(4.7) |
;
.Розділивши першу рівність на другу, можна отримати
,
звідки
|
(4.8) |
.Підібравши опори , і при даному шуканому так, що струм через гальванометр дорівнюватиме нулю, по формулі (4.8) необхідно знайти шуканий опір .
Термістор і кінець термометра поміщені в скляну пробірку. Для того, щоб покази термометра відповідали температурі термістора, пробірка заповнюється маслом і поміщена у воду, налиту в кухоль. Електрична піч нагріває воду і відповідно термістор. Опір термістора визначається містковою схемою, де – курбельний магазин опору, – опір термістора.
4.4. Питання для самоперевірки
1. Які речовини називаються напівпровідниками?
2. У чому відмінності між металами, напівпровідниками і діелектриками згідно зонної теорії?
3. Як змінюється опір металів і напівпровідників із зміною температури?
4. Як впливають домішки на характер провідності напівпровідника?
5. Що називається термістором? Де вони застосовуються? Намалювати схему.
6. Що таке рівновага моста?
4.5. Порядок проведення роботи і обробка експериментальних даних
Перевірити місткову схему.
Визначити опір термістора при кімнатній температурі і опорах і по 1000 Ом. У теорії похибок доводиться, що найбільша точність вимірів буде у тому випадку, коли опори плечей і рівні. Курбельним магазином підібрати такий опір, при якому струм в колі гальванометра дорівнює нулю.
Включити нагрівач і визначити опір термістора при 5-6 значеннях температури в інтервалі: кімнатна температура – температура 30-35 ºС. Результати вимірів занести в табл. 4.1.
Таблиця 4.1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,
ºС
,
К
По набутим значенням і побудувати графік і з цього графіка, користуючись формулою (4.5), знайти ширину забороненої зони напівпровідника .
4.6. Оформлення звіту
Звіт повинен містити наступні дані: мету роботи, основні положення, схему установки (див. Рис. 4.8), заповнену таблицю 4.1, графік залежності , розрахунок ширини забороненої зони напівпровідника, висновки по роботі.
Література: [1], с. 370– 376; [2], с. 197 – 206.
Лабораторна робота А-5
ВИВЧЕННЯ РОБОТИ ТЕРМООПОРІВ
5.1. Мета роботи
Вивчення термоопору, зняття вольт-амперної характеристики термістора.
5.2. Загальні положення
Всі тверді тіла, що володіють електронною провідністю, по величині електричного опору діляться на провідники і напівпровідники.
До провідників відносяться всі метали і їх сплави.
До напівпровідників належить ряд чистих елементів IV – VI груп (наприклад, германій, кремній, селен, телур), більшість оксидів металів і деякі інші сполуки.
Діелектриками є часом досить складні за складом сполуки: скла, органічні і неорганічні, полімерні речовини і так далі
Характерна особливість напівпровідників – різка залежність їх електричних властивостей від зовнішніх впливів (температури, тиску, освітлення, електричного поля, домішок, які інколи в мільйон разів змінюють електропровідність провідника).
Напівпровідники
заповнюють по значеннях свого питомого
опору
щонайширший інтервал між провідниками,
в яких питомий опір не перевищує
Ом·м, і діелектриками, в яких
Ом·м. Питомий опір напівпровідників
знаходиться в цьому інтервалі.
Істотна
відмінність між напівпровідниками і
металевими провідниками полягає в
різній залежності їх питомих опорів
від температури. При температурах,
близьких до
,
в металів питомий опір збільшується
прямо пропорційно зміні температури:
|
(5.1) |
.В напівпровідників за тих же умов питомий опір зменшується по експоненціальному закону:
|
(5.2) |
.
У
приведених формулах
– термічний коефіцієнт опору;
і
– сталі, залежні від фізичних властивостей
напівпровідника;
– абсолютна температура.
Графічно ці залежності змальовані на рис. 5.1: а) – для металів; б) – для напівпровідників.
Особливості електричних властивостей металів і напівпровідників знаходять своє пояснення в зонній теорії провідності.
У будь-якому кристалічному тілі електрони, як і в атомі, розподілені по енергетичних рівнях. Це означає, що енергія електронів в твердому тілі квантується, тобто набуває лише дискретних значень, що звуться рівнями енергії. Електрони при цьому підкоряються принципу заборони Паулі: у будь-якій квантовій системі (атомі, молекулі, кристалі і так далі) на кожному енергетичному рівні може знаходитися не більше двох електронів, причому власні моменти імпульсу (спіни) електронів, що займають один і той же рівень, повинні мати протилежні напрями.
Д
озволені
рівні енергії в кристалі групуються в
зони. Схема енергетичних рівнів для
напівпровідників змальована на рис.
5.2, де I – валентна зона, повністю заповнена
зв'язаними електронами; II – зона
провідності, вільна від електронів; III
– заборонена зона, ширина якої рівна
.
Для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності, необхідно надати йому додаткову енергію, рівну або більшу, ніж .
Електричне
поле такої напруженості, при якій не
відбувається електричний пробій
кристалів, не в змозі надати електрону
таку енергію. В напівпровідниках ширина
забороненої зони
еВ. На відміну від металів і ізоляторів
в напівпровідниках тепловий рух здатний
переводити електрони з однієї зони в
іншу. Підвищення температури приводить
до того, що концентрація електронів в
зоні провідності і електропровідність
збільшується. Цей ефект, як показують
розрахунки, істотно перевершує зменшення
провідності через зіткнення з іонами
кристалічної решітки.
Термоопори (термістори) – це активні напівпровідникові нелінійні опори, величина яких залежить від температури. Опір термістора за нормальних умов різко зменшується з підвищенням температури. Термістори виготовляють із спеціальних напівпровідникових матеріалів з високим температурним коефіцієнтом опору, різної форми і розмірів залежно від їх призначення. Вони широко застосовуються в самих різних галузях науки і техніки: у системах автоматичного управління і регулювання, для виміру температур і потужностей електромагнітних випромінювань, компенсації температурних змін параметрів електричних кіл, стабілізації напруги, в системах пожежної сигналізації і так далі.
Така різноманітність в практичному застосуванні термісторів обумовлена їх перевагами в порівнянні з іншими типами датчиків: високою температурною чутливістю, малими габаритними розмірами і відповідно малою теплоємністю і інерційністю, простотою і надійністю конструкції і можливістю проведення дистанційних вимірів.
Залежність опору від температури – основна характеристика термістора, інша його важлива характеристика – вольт-амперна.