Изучение зависимости сопротивления термистора от температуры
Подождите немного. Документ загружается.
Лабораторная работа № 4.
Тема: Изучение зависимости сопротивления термистора от температуры.
Цель работы: Изучение зависимости сопротивления полупроводников от
температуры, определение энергии активации.
Приборы.
1. Термистор.
2. Источник питания.
3. Реохордный мост Р38.
4. Проводники.
5. Электроплитка и штатив.
Краткая теория.
Полупроводники по величине электрического сопротивления занимают
промежуточное положение между проводниками тока и изоляторами.
Для проводников удельное сопротивление 10
-6
− 10
-3
Ом·см.
Для полупроводников удельное сопротивление 10
-3
− 10
10
Ом·см.
Для изоляторов удельное сопротивление 10
10
− 10
20
Ом·см.
Свойства полупроводников сильно изменяются под влиянием внешних
воздействий. Так, например, сопротивление их можно сильно изменить при
помощи тепла, света, электрического ноля и радиоактивных излучений.
К полупроводникам относятся: германий, кремний, углерод, селен,
теллур, бор, фосфор и многие химические соединения (карбиды, ферриты к
др.),
Полупроводники находят огромное применение в различных областях
науки и техники: германиевые и кремниевые диоды, усилители и
генераторы на кристаллических триодах, термочувствительные
сопротивления (термисторы), термоэлектрогенераторы и т.д.
Металлы и полупроводники обладают электронной проводимостью, т.е.
носителями зарядов являются свободные электроны. В проводниках
(металлах) свободные электроны хаотично движутся между ионами
кристаллической решетки. Если проводник включить в цепь, то наряду с
хаотическими движениями свободных электронов начнется их
упорядоченное движение, т.е. потечет ток. Чем больше свободных
электронов в веществе, тем выше электропроводимость данного вещества.
Электропроводимость металлов при нагревании уменьшается. Это
объясняемся тем, что с повышением температуры увеличивается
колебательное движение ионов, которое препятствует перемещению
электронов. Иначе ведут себя полупроводники. Электропроводимость
полупроводников с нагреванием увеличивается, так как нарушаются связи
между атомами к молекулами и освобождается часть валентных электронов,
и они становятся свободными. Эти свободные электроны уже могут
участвовать в переносе зарядов. Рассмотрим в качестве примера германий.
Ядро атома германия имеет положительный заряд, равный 32. Это значит,
что вокруг ядра нейтрального атома распределены 32 электрона. Два из них
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
13
заполняют ближайший к ядру слой, 8 – второй, третий – 18. Оставшиеся
четыре электрона равномерно распределены на внешнем слое. Электроны
первых трех слоев прочно связаны с ядром и ни в каких химических
реакциях и электронных процессах участия не принимают. Поэтому будем
считать, что ядро вместе с тремя оболочками составляет "атомный остаток" с
положительным зарядом, ранним четырем, который уравновешивается
четырьмя отрицательными валентными электронами. Для удобства мы не
будем рисовать все 32 электрона, а изобразим только "атомный остаток" в
виде кружка и четыре валентных электрона.
Рис. 1. Схема атома германия
Каждый атом германия образует ковалентную парно-электронную
связь о четырьмя соседними атомами, дополняя внешний слой до восьми
электронов.
Рис. 2. Схема связей между атомами германия
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
14
Двойные лини к изображают парно-электронные связи. Их можно
представить в виде четырех пар электронов, двигающихся по своим
орбитам вокруг атомных остатков.
В кристалле германия, лишенном инородных примесей, т.е.
абсолютно чистом, все, четыре валентные электрона устойчиво связаны и
свободных электронов при Т=0
0
К нет. Чтобы стать свободным, электрон
должен преодолеть силу связи: для этого необходима дополнительная
энергия. Такую энергию электрон может получить, например, при
нагревании. С повышением температуры тепловое движение атомов
усиливается, вследствие чего ковалентные связи постепенно ослабевают и,
наконец, наступает такой момент, когда связь в некоторых местах
нарушается. Освободившиеся электроны будут хаотично двигаться внутри
решетки.
Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его
окрестности возникает избыточный положительный заряд
+
e, образуется
дырка
. Опыты показали, что уже при нормальной комнатной температуре
число свободных электронов оказывается вполне достаточным, чтобы в
полупроводнике обнаружилась электропроводимость.
Таким образом, основное различие между проводниками и
полупроводниками состоит в том, что в проводниках всегда имеются
свободные электроны, а полупроводнику надо сообщать некоторую
добавочную энергию Δ Е извне, чтобы перевести часть электронов в
свободное состояние.
Энергия Δ
Е
, необходимая для перевода электрона в свободное
состояние, называется энергией активации
. Если энергия активации Δ Е
слишком велика (больше 1,5 эВ), то данный материал является изолятором,
при Δ Е=0 – металлом, при (0< Δ Е < 1,5 эВ материал – полупроводник.
Если 0 < Δ Е < 1,5 эВ, то под действием внешних воздействий (тепла,
свата) валентные электроны могут быть переведены в свободное
состояние, т.е. могут принять участие в электропроводности под
действием внешнего электрического поля.
По Больцману число электронов n, способных при данной температуре
Т приобрести энергию Δ Е и оторваться от атомов, пропорционально
n~e
-ΔE/kT
где к – постоянная Больцмана;
Т – температура по шкале Кельвина.
А так как электропроводимость тем больше, чем больше число свободных
электронов, то
kT
E
e
2
0
, (1)
где δ – электропроводность.
Сопротивление материала есть величина обратная электропроводимости
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
15
1
R
,
поэтому
kT
E
eRR
2
0
(2)
Из графика уравнения (2) видно, что сопротивление полупроводников
при нагревании сально уменьшается. Это свойство полупроводников широко
используется на практике. Созданы полупроводниковые
термочувствительные сопротивления, так называемые, термисторы. При
нагревании на 1°С сопротивление металла повышается на 0,3 – 0,5%, а
сопротивление термистора уменьшается на 3-6%. На рис. 3 представлена
температурная зависимость сопротивления термистора и металла.
Рис. 3. Зависимость сопротивления различных материалов от их
температуры.
Сильная зависимость полупроводников от температуры позволяет
применять термисторы для ее измерения. Они широко используются в
технике, медицине, сельском хозяйстве (пахотный термометр для измерения
температуры почвы на глубине до 35 см, почвенный точечный
электротермометр для дистанционных измерений на различных глубинах,
микроэлектротермометр для быстрого измерения температуры растений и
животных).
Наибольшее применения получили медно-марганцевые термисторы:
ММT-1, ММT-4 и т.д. и кобальто-марганцевые термисторы: KМT-1, KМT-4,
KМT-6 и т.д. Все эти термосопротивления предназначены для работы в
интервале температур в среднем от -100°С до +120°С. Для работы в условиях
повышенной влажности применяются герметизированные (в металлическом
кожухe) термисторы, например ММТ-4. Сопротивление термистора зависит
от температуры по закону
T
B
T
eRR
0
, (3)
где R
0
– сопротивление при 0
0
К;
B – постоянная, зависящая от физических свойств материала;
Т – температура од шкале Кельвина.
Величина B зависит от физических свойств материала и определяет
чувствительность термосопротивления к изменению температуры
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
16
k
E
B
2
, (4)
где Δ Е – энергия активации;
к – постоянная Больцмана, равная 1,38·10
-23
Дж/град.
После логарифмирования выражения (3) получается уравнение прямой
линии в координатах y=lnR
T
и x=1/T
T
BRR
T
1
lnln
0
, (5)
Тангенс угла наклона прямой y=f(x) к оси абсцисс определяет
величину постоянной В:
)
1
(
ln
T
R
B
T
, (6)
Зная В, из уравнения (5) можно найти R
0
, а из (4) энергию активации
BkE 2
, (7)
Рис. 4. Принципиальная схема реохордного моста Р 38
№ изм. t
0
, C T
0
, K 1/T m R
T
,Ом lnR
T
B ΔE
1 14 297 0,0034 0,59 590 6,38
2 16 299 0,0033 0,55 550 6,31
3 18 301 0,0033 0,52 520 6,25
4 20 303 0,0033 0,49 490 6,19
5 22 305 0,0033 0,45 450 6,11
6 24 307 0,0033 0,43 430 6,064
7 26 309 0,0032 0,41 410 6,016
8 28 311 0,0032 0,39 390 5,97
9 30 313 0,0032 0,37 370 5,91
10 32 315 0,0032 0,35 350 5,858
11 34 317 0,0032 0,33 330 5,8
12 36 319 0,0031 0,31 310 5,74
Обработка результатов.
1. Построим график зависимости сопротивления термистора от
температуры Т: R
T
=f(T)
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
17
2. Построим график зависимости ln R
T
от 1/Т