4.3. Описание установки и метода измерений
Т
ермисторы
– это полупроводниковые сопротивления,
изготавливаемые обычно в виде таблеток
или цилиндров малого размера.
Наиболее
распространенным и точным методом
измерения сопротивления проводников
и полупроводников является мостиковый
метод. Мостиковая схема (рис. 4.8) состоит
из двух ветвей тока АСВ и АДB,
между которыми «переброшен мостик» СД.
В мостик включен гальванометр – индикатор
равновесия. Участки двух параллельных
ветвей
,
,
и
называются плечами моста. Слева на схеме
– источник постоянного тока и балластное
сопротивление
,
которое ограничивает возможную величину
тока, чтобы не перегружать батарею и
секции моста.
Сопротивления , и при искомом можно подобрать так, чтобы разность потенциалов между точками С и Д была равна нулю, т. е. ток через гальванометр не идет. Это положение называют равновесием моста.
Условия равновесия:
|
(4.6) |
;
,т. е.
|
(4.7) |
;
.Разделив первое равенство на второе, можно получить
,
откуда
|
(4.8) |
.Подобрав сопротивления , и при данном искомом так, что ток через гальванометр будет равен нулю, по формуле (4.8) необходимо найти искомое сопротивление .
Термистор и конец термометра помещены в стеклянную пробирку. Для того чтобы показания термометра соответствовали температуре термистора, пробирка заполняется маслом и помещена в воду, налитую в металлический стаканчик. Электрическая печка нагревает воду и соответственно термистор. Сопротивление термистора определяется мостиковой схемой, где – курбельный магазин сопротивления, – сопротивление термистора.
4.4. Вопросы для самопроверки
1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. В чем различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками согласно зонной теории?
3. Как изменяется сопротивление металлов и полупроводников с изменением температуры?
4. Как влияют примеси на характер проводимости полупроводника?
5. Что называется термистором? Где они применяются? Нарисовать схему.
6. Что такое равновесие моста?
4.5. Порядок проведения работы и обработка экспериментальных данных
Проверить мостиковую схему.
Определить сопротивление термистора при комнатной температуре и сопротивлениях и по 1000 Ом. В теории погрешностей доказывается, что наибольшая точность измерений будет в том случае, когда сопротивления плеч и равны. Курбельным магазином подобрать такое сопротивление , при котором ток в цепи гальванометра равен нулю.
Включить нагреватель и определить сопротивление термистора при 5-6 значениях температуры в интервале: комнатная температура – температура 30-35 ºС. Результаты измерений занести в табл. 4.1.
Таблица 4.1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,
ºС
,
К
По полученным значениям и построить график и из этого графика, пользуясь формулой (4.5), найти ширину запрещенной зоны полупроводника .
4.6. Оформление отчета
Отчет должен
содержать следующие данные: цель работы,
основные положения, схему установки
(см. Рис. 4.8), заполненную таблицу 4.1,
график зависимости
,
расчет ширины запрещенной зоны
полупроводника, выводы по работе.
Литература: [1], с. 370 – 376; [2], с. 197 – 206.
Лабораторная работа А-5
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЙ
5.1. Цель работы
Изучение термосопротивления, снятие вольт-амперной характеристики термистора.
5.2. Общие положения
Все твердые тела, обладающие электронной проводимостью, по величине электрического сопротивления делятся на проводники и полупроводники.
К проводникам относятся все металлы и их сплавы.
К полупроводникам принадлежит ряд чистых элементов IV – VI групп (например, германий, кремний, селен, теллур), большинство оксидов металлов и некоторые другие соединения.
Диэлектриками являются подчас довольно сложные по составу соединения: стекла, органические и неорганические, полимерные вещества и т.д.
Характерная особенность полупроводников – резкая зависимость их электрических свойств от внешних воздействий (температуры, давления, освещения, электрического поля, примесей, которые иногда в миллион раз изменяют электропроводимость проводника).
Полупроводники
заполняют по значениям своего удельного
сопротивления
широчайший интервал между проводниками,
у которых удельное сопротивление не
превышает
Ом·м, и диэлектриками, у которых
Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников
находится в этом интервале.
Существенное
различие между полупроводниками и
металлическими проводниками заключается
в разной зависимости их удельных
сопротивлений от температуры. При
температурах, близких к
,
у металлов удельное сопротивление
увеличивается прямо пропорционально
изменению температуры:
|
(5.1) |
.У полупроводников при тех же условиях удельное сопротивление убывает по экспоненциальному закону:
|
(5.2) |
.
В приведенных
формулах
–
термический коэффициент сопротивления;
и
– постоянные, зависящие от физических
свойств полупроводника;
–
абсолютная температура.
Графически эти зависимости изображены на рис. 5.1: а) – для металлов; б) – для полупроводников.
О
собенности
электрических свойств металлов и
полупроводников находят свое объяснение
в зонной теории проводимости.
В любом кристаллическом теле электроны, как и в атоме, распределены по энергетическим уровням. Это значит, что энергия электронов в твердом теле квантуется, т.е. принимает лишь дискретные значения, называемые уровнями энергии. Электроны при этом подчиняются принципу запрета Паули: в любой квантовой системе (атоме, молекуле, кристалле и т.д.) на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем собственные моменты импульса (спины) электронов, занимающих один и тот же уровень, должны иметь противоположные направления.
Разрешенные уровни энергии в кристалле группируются в зоны. Схема энергетических уровней для полупроводников изображена на рис. 5.2, где I – валентная зона, полностью заполненная связанными электронами; II – зона проводимости, свободная от электронов; III – запрещенная зона, ширина которой равна .
Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, необходимо сообщить ему дополнительную энергию, равную или большую, чем .
Электрическое
поле такой напряженности, при которой
не происходит электрический пробой
кристаллов, не в состоянии сообщить
электрону такую энергию. У полупроводников
ширина запрещенной зоны
эВ. В отличие от металлов и изоляторов
в полупроводниках тепловое движение
способно переводить электроны из одной
зоны в другую. Повышение температуры
приводит к тому, что концентрация
электронов в зоне проводимости и
электропроводность увеличивается. Этот
эффект, как показывают расчеты, существенно
превосходит уменьшение проводимости
из-за столкновений с ионами кристаллической
решетки.
Термосопротивления (термисторы) – это активные полупроводниковые нелинейные сопротивления, величина которых зависит от температуры. Сопротивление термистора при нормальных условиях резко убывает с повышением температуры. Термисторы изготавливают из специальных полупроводниковых материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления, различной формы и размеров в зависимости от их назначения. Они широко применяются в самых различных областях науки и техники: в системах автоматического управления и регулирования, для измерения температур и мощностей электромагнитных излучений, компенсации температурных изменений параметров электрических цепей, стабилизации напряжения, в системах пожарной сигнализации и т.д.
Такое разнообразие в практическом применении термисторов обусловлено их преимуществами по сравнению с другими типами датчиков: высокой температурной чувствительностью, малыми габаритными размерами и соответственно малыми теплоемкостью и инерционностью, простотой и надежностью конструкции и возможностью проведения дистанционных измерений.
Зависимость сопротивления от температуры – основная характеристика термистора, другая его важная характеристика – вольт-амперная.