Лабораторная работа №2 Исследование полупроводниковых терморезисторов

Цель работы:

1. Изучение основных параметров, характеристик и конструкции терморезисторов.

2. Экспериментальное исследование основных характеристик терморезисторов.

Пояснения к работе.

Общие сведения.

Терморезисторами (термисторами) называют полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых изменяется при изменении температуры.

Терморезисторы используются в качестве датчиков температуры в измерительных приборах и в устройствах автоматики, в электронных схемах для термокомпенсации элементов электрических цепей, для измерения мощности СВЧ излучений и других целей.

Как правило, в полупроводниковых, терморезисторах используют материалы, электропроводность которых значительно увеличивается с ростом температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления ТКС). Изготавливаются также и терморезисторы с положительным температурным коэффициентом – позисторы.

Технология производства терморезисторов.

При создании терморезисторов важное значение имеет выбор исходных материалов, которые должны удовлетворять ряду требований: чисто электронная проводимость материала, возможность регулирования проводимости материала и его температурного коэффициента в широких пределах, стабильность характеристик материала в рабочем диапазоне температур, возможно более простая схема технологического процесса получения изделий.

Терморезисторы отечественного производства с отрицательным ТКС изготавливают в основном из синтетических материалов, состоящих из смеси окислов переходных металлов, которые обладают способностью изменять в соединениях свою валентность. Соединения переходных металлов с кислородом имеют обычно резко выраженные полупроводниковые свойства. Среди материалов, используемых для терморезисторов, наибольшее распространение получили сложные системы, в которых исходными компонентами являются такие оксидные полупроводники, как: Mn₃О₄; Со₃О₄; СuО; ViO.

Наибольшее распространение имеют терморезисторы типов ММТ, КМТ и СТ. Эти терморезисторы изготавливают на основе медно-марганцевых (ММТ и СТ-2), кобальто-марганцевых (КМТ и СТ-1) и медно-кобальто-марганцевых (CT-З) оксидных полупроводников. Позисторы, как правило, изготавливаются на основе титанобариевой керамики, сопротивление которой значительно уменьшено (от 10¹⁰ – 10¹² Ом*см до 10 – 100 Ом*см) добавлением таких примесей редкоземельных металлов, как лантан или церий. В настоящее время терморезистивные элементы, как с положительным, так и с отрицательным ТКС изготавливаются также из монокристаллических полупроводников, таких, например, как кремний, германий, карбид кремния, фосфид галлия.

При изготовлении терморезисторов исходные компоненты (гидратные соединения меди, марганца, никеля и кобальта) тщательно перемешивают и из полученного порошка путей протяжки через мундштук или прессовки в пресс-формах формируют элементы необходимыми геометрическими размерами. Обжиг полученных терморезистивных элементов проводят при температуре 1000 -1400 ºС (в зависимости от используемого состава) в окислительной среде. В материале при этом образуются твердые растворы со структурой типа кубической шпинели. Для создания омических контактов термочувствительных элементов, выполняемых в виде стержней, дисков, бусинок или шайб, на их торцевых поверхностях создают серебряные контакты с помощью специальных паст, широко используемых в керамическом производстве.

Процесс изготовления позисторов на основе титаната бария ( ВаТiO₃ ) аналогичен получению керамики обычного типа и состоит из взвешивания исходных компонентов, их перемешивания в шаровой мельнице с последующими фильтрацией, сушкой и обжигом при температуре 1100 – 1200 ºС. Полученный хрупкий материал подвергается помолу в шаровой мельнице с последующим прессованием в виде пластин, дисков или брусков и их обжигом при температуре 1400ºС в течение 0,5 - 2 ч. Хорошие омические контакты с малым переходным сопротивлением и механически прочные получают химическим осаждением никеля. Поверхность, на которую осаждают никель, предварительно активируют раствором хлористого палладия. После присоединения контактных выводов на терморезистивный элемент наносится защитное изоляционное покрытие на основе эпоксидных смол.

Терморезисторы из монокристаллических полупроводниковых материалов, например, из кремния, представляют собой пластинки электронного или дырочного типа электропроводности с концентрацией примеси 10¹⁵ – 10¹⁷ см^-3. Омические контакты с кристаллом создают путем двукратного химического осаждения никеля. Для защиты от влаги и других внешних воздействий терморезистивный элемент покрывают термостойким лаком.

Основные параметры и характеристики.

К основным параметрам и характеристикам полупроводниковых терморезисторов относятся следующие.

Номинальное сопротивление – сопротивление терморезистора при определенной температуре окружающей среды (обычно это 20 ºС). Промежуточные сопротивления терморезисторов соответствуют ГОСТ 2825-63.

Для каждого терморезистора указывается допустимое отклонение от номинального сопротивления в процентах.

Основной характеристикой терморезистора является температурная зависимость сопротивления. Она практически определяет остальные характеристики терморезистора. Сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС в рабочем интервале температур изменяется по экспоненциальному закону:

(1)

где A - постоянная, определяемая физическими свойствами материала и пропорциональная удельному сопротивлению; В – постоянная, определяемая энергией активации электрона, т.е. энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы перевести электрон полупроводникового материала в энергетическое состояние проводимости; Т – температура, К.

Расчет сопротивления терморезистора при различной температуре окружающей среды может бить произведен го формуле:

(2)

где R_To - сопротивление при То = 293 К, Т – температура, при которой определяют сопротивление, К.

Следовательно, постоянная В может быть найдена в соответствии с выражением (2) и по экспериментальным данным измерения сопротивления терморезистора при температурах Тo и Т как

(3)

Температурный коэффициент сопротивления характеризует чувствительность, т.е. изменение сопротивления терморезистора под действием температуры и выражается в следующем виде:

(4)

Значение ТКС в соответствии с (1) и (4) можно найти как

(5)

Из выражения (5) видно, что при повышении температуры абсолютная величина ТКС будет уменьшаться. Следует отметить, что для терморезисторов с положительным ТКС характерно его резкое увеличение в узком интервале температур.

Статические вольтамперные характеристики терморезисторов определяют зависимость тока, протекающего через элемент, от приложенного к нему напряжений при тепловом равновесии между терморезистором и окружающей средой. При протекании через терморезистор тока в нем выделяется тепло, и температура элемента будет превышать температуру окружающей среды, т.е. происходит самонагрев и, следовательно, сопротивление терморезистора определяется суммарной температурой: температурой среды и температурой саморазогрева.

На рис.1 показан характер зависимости тока через терморезистор от напряжения на нем.

Рис.1. Вольтамперная характеристика термистора

Физически вид вольтамперной характеристики определяется зависимостью между сопротивлением терморезистора Rт и рассеиваемой им мощностью Рт. Действительно, в соответствии с выражением (1) величина сопротивления определяется только его температурой. Мощность, рассеиваемая терморезисторам в среду с неизменным состоянием, также определяется температурой. Следовательно, каждой величине рассеиваемой мощности будет соответствовать определенное сопротивление терморезистора. Соответствие зависимости вольт – амперной характеристике, приведенной на рис.1, определяется выражениями:

(6)

(7)

И, наоборот, но статической вольтамперной характеристике можно построить по выражениям:

;

Как видно из рис.1, при возрастании тока напряжение вначале возрастает согласно закону Ома, но с увеличением самоподогрева сопротивление падает, и напряжение также начинает уменьшаться. Очевидно, что максимум напряжения Umax зависит от окружающей температуры и условий охлаждения. Для практических цепей напряжение на терморезисторе не должно быть больше, чем Umax. Это важнейшая характеристика для всех применений терморезистора, особенно для изучения и расчетов колебательных процессов в цепях с терморезисторами.

Статическое сопротивление терморезистора R определяется отношением напряжения U на терморезисторе к протекающему через него току I в установившемся режиме

(8)

Дифференциальное сопротивление Rд терморезистора равно пределу отношения приращения напряжения на нем к приращению тока, когда приращение тока стремится к нулю. Экспериментально дифференциальное сопротивление может быть найдено как тангенс угла, образованного касательной в рассматриваемой точке вольтамперной характеристики и осью токов.

Максимальная мощность рассеяния Рт - мощность, при которое терморезисторы, находящиеся при температуре 20 ± 1 ºС, разогреваются при протекании тока до максимальной рабочей температуры.

Максимальная рабочая температура Т_m - температура, при которой характеристики терморезистора остаются стабильными в течение указанного изготовителем срока службы. При более высоких температурах могут произойти необратимые изменения, из-за которых терморезистор выходит из строя. Максимальная рабочая температура определяется не только свойствами материала терморезистивного элемента, но и конструктивными особенностями терморезистора. Часто допустимая рабочая температура ограничивается температурой размягчения припоя, используемого для соединения терморезистивного элемента с выводами.

Коэффициент рассеяния Н (Вт/ ºС ) численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности температур образца и окружающей среды в 1 ºС.

Коэффициент энергетической чувствительности G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1%. Значение коэффициента энергетической чувствительности определяется режимом работы терморезистора.

Коэффициенты энергетической чувствительности и рассеяния, зависящие от свойств полупроводникового материала и характера теплообмена термистора с окружающей средой, связаны следующим соотношением:

(9)

Постоянная времени τ терморезистора – время, в течение которого температура термистора повышается до 63 ºС при перенесении его из воздушной среды с температурой 0 ºС в воздушную среду о температурой 100 ºС. Постоянная τ характеризует тепловую инерционность терморезистора, т.е. время, в течение которого температура рабочего тела термистора изменяется в е раз.

Стабильность является одной из основных характеристик, определяющих качество выполнения терморезистора, совершенство технологии его изготовления, и характеризует неизменность всех параметров элемента во времени.

Задание к работе

1. Изучить конструкции терморезисторов типа КМТ, ММТ, СТ-1.

2. Снять вольтамперные характеристики (5-6 точек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 3 точки) терморезисторов при комнатной температуре окружающей среды.

3. Снять вольтамперные характеристики (5-6 точек для КМТ и ММТ, для СТ-1 – 3 точки) терморезисторов для температур окружающей среды Т₂ и Т₃, заданных преподавателем.

4. Рассчитать статические сопротивления исследуемых терморезисторов. Построить температурные зависимости сопротивления исследуемых терморезисторов.

5. Рассчитать постоянные В для всех исследуемых терморезисторов (допускается принять R_To = R_Tкомн.).

6. Найти ТКС исследуемых терморезисторов для температуры Т, заданной преподавателем.

7. По результатам экспериментальных данных построить зависимости терморезистора для трех значений температуры окружающей среды, заданных преподавателем.

8. По экспериментальным данным найти дифференциальные сопротивления Rд терморезисторов в точках U_x, заданных преподавателем.

Описание лабораторной установки

Исследуемые терморезисторы типа ММТ-4; KMT; CT1-18 помещены в муфельную печь, температура внутри которой контролируется термометром.

Электрическая схема лабораторной установки исследования основных характеристик терморезисторов соответствует функциональной схеме, приведенной на рис.2, и смонтирована в блоке, на лицевую панель которого выведены вольтметр V и миллиамперметр mА, переключатель исследуемых терморезисторов SA4, регулятор тока RI, тумблер SA1 подачи питания на установку и лампочка HL1 индикации о включенном питании, тумблеры SA2, SA3 пере­ключения пределов измерения миллиамперметра и вольтметра соответственно.

Рис.2. Функциональная схема лабораторной установки

SA1- выключатель питания; HL1 - лампа сигнализаций включения питания; ИТ - источник постоянного тока; RI- регулятор тока; R - добавочный резистор; SA1; SA3 - переключатели пределов измерения миллиамперметра mA и вольтметра V cоoтветственно; SA4 - переключатель исследуемых терморезисторов; R1, R2, R3 - исследуемые терморезисторы CT1-19, KMT, ММТ-4 соответственно

Рекомендации по выполнению экспериментов

1. Изучение конструкций терморезисторов производится визуально. Для этого они смонтированы на специальной плате, которая вынимается из термостата на длину, допускаемую соединительными проводами.

2. Измерение статического сопротивления и измерение сопротивлений терморезисторов при исследованиях температурных зависимостей (пп. 2 и 4 задания) производится с помощью вольтметра и амперметра на основании закона Ома.

(10)

где U – падение напряжения на терморезисторе, В; I – ток, протекающий через терморезистор, А.

3. При измерениях статических сопротивлений терморезисторов во избежание их саморазогрева токи через них не должны превышать:

• 0,1 mА для терморезистора СТ1-18;

• 1 mА для терморезистора КМТ;

• 2 mA для терморезистора ММТ-4.

Снятие температурных зависимостей терморезисторов производить в диапазоне температур от комнатной до 100 ºС.

Примечание: категорически запрещается открывать дверцу термостата в процессе нагрева и при включенной в сеть установке.

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы и краткая теория (1-2 стр.);

3. Исходные данные и данные эксперимента;

4. ВАХ терморезистора, заданного преподавателем;

5. Расчетные графики температурной зависимости сопротивления терморезисторов для трех значений температуры;

6. Расчет постоянных В и ТКС для температуры, заданной преподавателем;

7. Графики зависимости терморезисторов для трех значений температуры;

8. Расчетные значения дифференциальных сопротивлений Rд терморезисторов.

9. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Пояснить физически основы зависимости электропроводности полупроводниковых материалов от температуры.

2. В чем отличие поликристаллических терморезисторов от монокристаллических?

3. Конструкции и технологии изготовления терморезисторов.

4. Основные параметры и характеристики терморезисторов.

5. Область применения терморезисторов.

6. Понятие вольтамперной характеристики и ее практическая ценность.

7. Понятие статических характеристик.

Литература

1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа , I986.- 367 с.

2. Шашков А.Г.. Терморезисторы и их применение. – М.: Энергия, 1967. – 320 с.

3. Мартюшов К.И., Зайцев Ю.В. Нелинейные полупроводниковые резисторы. М.: Энергия , 1968.- 192 с.

4. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия . 1970.- 360 с.

5. Кривоносов А.И., Кауфман В.Я. Статические характеристики поликристаллических терморезисторов. М.: Энергия . 1968.- 120 c.

Шашков А.Г.. Терморезисторы и их применение. – М.: Энергия, 1967. – 320 с.