3.8 Физические основы создания полупроводниковых терморезистивных измерительных преобразователей

У полупроводников кроме собственной проводимости заметную роль может играть и примесная проводимость, что чаще всего определяет механизм чувствительности терморезистивных измерительных преобразователей.

В основе работы таких устройств лежат генерационно-рекомбинационные процессы в материалах, возникающие в результате воздействия на материал внешних тепловых полей.

Электроны при своем движении по проводнику испытывают кулоновские силы от других электронов, а также от ядер атомов, в результате чего:

• электроны распределяется равномерно в объеме, и появляются некоторые дополнительные эффекты, например, при сверхнизких температурах, кроме сил отталкивания между электронами проявляют себя также и силы притяжения;

• температура элементарного объема твердого тела определяется кинетической энергией колебательных движений электронов и атомов;

• происходит непрерывный обмен энергии между атомами и электронами.

Необходимо также учитывать, что реальные кристаллы полупроводников имеют не идеальную структуру. Это обусловлено наличием примесей, деформациями и другими причинами дислокаций в структуре кристаллов, что влияет на проводимость материала:

, , (3.36)

где: подвижность носителей зарядов,

концентрации, соответственно, дырок и электронов в веществе.

Температурная зависимость полупроводника определяется влиянием изменения концентрации и подвижности носителей зарядов:

. (3.37)

Данную зависимость удобнее представлять графически в логарифмических координатах.

Рис. 3.12 Зависимость концентрации носителей зарядов от температуры для полупроводников.

Участок (1) на приведенном графике характеризует влияние температуры на концентрацию электронов в полупроводнике, обусловленую собственной проводимостью материала. Участок (3) графика отражает влияние примсей на проводимость полупроводника. На участке (2) еще не проявляет себя собственная приводимость материала, но уже не влияет и примесная проводимость, причем уровень кривой для данного участка зависит от энергетических характеристик материала полупроводника:

(3.38)

где: - энергия связи электронов;

- энергия внешнего теплового воздействия;

А, α – константы материала.

Для обеспечения процесса рекомбинации генерированных тепловым возбуждением зарядов нужны электроны и дырки, а также чтобы имелась возможность для их столкновения. В связи с этим, число рекомбинируемых зарядов будет пропорционально произведению коэффициента рекомбинации, концентраций электронов и дырок (квадрат концентраций электронов):

, (3.39)

где: r – коэффициент рекомбинации;

С учетом того, что сопротивление материала обратно пропорционально концентрации носителей зарядов в нем, можно записать:

(3.40)

(3.41)

где: B - энергетический коэффициент для данного материала,

- сопротивление терморезистора при нормальных условиях.

Для большинства полупроводников:

, . (3.42)

Необходимо учитывать, что подвижности электронов и дырок неодинаковы и являются функциями температуры:

. (3.43)

В результате реальная зависимость сопротивления полупроводника от температуры имеет достаточно сложный вид (рис. ).

Рис. 3.13 Температурные зависимости сопротивления проводников и полупроводников.

Так как реальные градуировочные характеристики полупроводниковых терморезисторов (термисторов) характеризуются нелинейной зависимостью сопротивления от температуры, то при проведении измерений рабочую характеристику преобразователя аппроксимируют с использованием полиномов высокого порядка:

. (3.44)

В эталонных датчиков температуры для соответствующих участков температурного диапазона используют наборы первичных преобразователей.

Создают также полупроводниковые терморезисторы с положительной температурной зависимостью, называемые позисторами.

Рис. 3.14 Вид температурной зависимости позистора.

Изготавливают термисторы путем нагрева спрессованных порошков оксидов металлов при температуре достаточной для спекания их в однородный поликристалл. Особенности производства приводят к тому, что точность воспроизведения параметров термисторов не превосходит нескольких процентов.

Термисторы не используют для прецизионного измерения температуры из-за большого разброса параметров и высокой нелинейности характеристики. Поэтому их применяют в устройствах, например, температурного и токового контроля оборудования. Тепло, возникающее при перегреве системы, приводит к резкому ограничению тока в цепи. В таких устройствах реализуется в основном явление саморазогрева терморезиторов. Полупроводниковые термопреобразователи используют также для создания высокочувствительных измерительных устройств, например, термоанемометров.

В настоящее время широко используют интегральные микросхемы, содержащие полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы), выполняющие функцию высокочувствительных термодатчиков, так как вольтамперная характеристика p-n-перехода характеризуется высокой чувствительностью к температуре. Температурная зависимость для идеального диода имеет вид:

, (3.45)

где: обратный ток насыщения.

Если используется источник, обеспечивающий постоянство тока в цепи, то падение напряжения на p-n-переходе будет пропорционально температуре. Экспериментально установлено, что для кремниевого прибора падение напряжения при 25° С составляет приблизительно 0,7 В, и если пропускать ток в 10³ раз больший обратного тока насыщения, то температурная чувствительность составит около 2 мВ на градус в диапазоне от 50 до 400 К.

Такой же температурной зависимостью характеризуется переход база-эмиттер биполярного транзистора. На практике используют схему с закороченными базой и коллектором. Для улучшения характеристик используют два идентичных транзистора, сформированные на одном чипе и работающие в режиме постоянного значения отношения коллекторных токов.