Litnevsky_5_laba

Министерство образования Российской Федерации

Омский государственный технический университет

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

Лабораторная работа № 5

Исследование полупроводниковых

терморесисторов

Выполнил ст. группы : Э222С

Тарасов Д. Ю.

Проверил :

Литневский А.Л.

Омск 2014

Цель работы: построение зависимостей изменения сопротивления термистора и позистора от температуры R = f(t), определение по ним температурных коэффициентов сопротивления TK_R= f(t).

Теоретические положения

Терморезисторы − это полупроводниковые резисторы, значительно изменяющие свое сопротивление при изменении температуры. Они имеют большую величину температурного коэффициента сопротивления и нелинейную вольт-амперную характеристику.

К основным характеристикам терморезисторов относятся: номинальное сопротивлениеR,его температурная зависимость, подчиняющаяся экспоненциальному закону, и температурный коэффициент сопротивления(ТК_R). Важное требование − стабильность этих характеристик при эксплуатации. В небольшом объеме терморезистора можно сосредоточить большое сопротивление (Rизменяется в пределах от Ом до МОм), благодаря чему сопротивление электрической цепи, в которую включен терморезистор, будет в основном определяться сопротивлением терморезистора. Изменяя температуру терморезистора, можно регулировать ток в цепи.

Температурный коэффициент сопротивления(ТК_R) терморезистора представляет собой относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1°C и выражается уравнением

TK_R = ∙∙,

где TK_R – температурный коэффициент сопротивления, 1/;R₂– сопротивление катушки при температуре t₂;R₁– сопротивление катушки при температуре t₁ (t₂ >t₁).

Для производства терморезисторов наибольший интерес представляют полупроводниковые материалы, обеспечивающие широкий диапазон номинального сопротивления R, различный температурный коэффициент удельного сопротивления, малый разброс параметров и т.д. Кроме того, желательно, чтобы характеристики этих материалов были малочувствительны к присутствию посторонней примеси и небольшим отклонениям от режима термообработки. Путем подбора определенного соотношения образующих компонентов получают заданные значения номинального сопротивления Rи ТК_R.

Важной характеристикой терморезисторов является также постоянная времениτ − время, в течение которого температура терморезистора изменяется в «е» раз (на 63 %) при переносе его из воздушной среды с температурой 120 °С в воздушную среду с температурой 20 °С. Постоянная времени τ у разных терморезисторов изменяется от 0,5 до 140 с.

В зависимости от строения полупроводникового материала ТК_R может быть не только отрицательным, но и положительным в определенном интервале температур. При этом причины, приводящие к изменению сопротивления вследствие изменения температуры, будут различными у терморезисторов с положительным и отрицательным ТК_R.

Полупроводниковые терморезисторы сотрицательным ТК_R называют термисторами (рис. 5.1а). Их изготавливают из различных полупроводниковых материалов. У термисторов, полученных из монокристаллического ковалентного полупроводника (Si, Gе, SiС, GаР и др.), в интервале температур, соответствующем примесной или собственной электропроводности, ТК_R имеет отрицательное значение. В данном случае с увеличением температуры электропроводность возрастает, а сопротивление снижается (в результате увеличения концентрации носителей заряда).

Зависимость сопротивления термисторов от температуры в диапазоне нескольких десятков градусов удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией

гдеА – сопротивление при бесконечно большой температуре, В – коэффициент температурной чувствительности (его значения обычно лежат в диапазоне 1200–16000).

Коэффициент температурной чувствительности B можно определить по формуле

где T₀ – начальное значение температуры термистора (градусы Кельвина) и R₀ – сопротивление при этой температуре; T_m – максимальное значение температуры термистора и R_m – сопротивление при этой температуре.

Коэффициент А можно определить по формуле

а) б)

Рис. 5.1. Температурные зависимости термистора (а) и позистора (б)

В настоящее время в производстве термисторов наибольшее применение получили оксиды металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева: Тi, V, Cr, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn. Полупроводниковая керамика на их основе имеет более низкую стоимость, чем монокристаллические полупроводники, что в значительной мере обусловливает ее широкое применение.

Величина ТК_R термисторов зависит от ширины запрещенной зоныполупроводникового материала, из которого они изготовлены; она не постоянна и с повышением температуры уменьшается.

В производстве термисторов обычно используют смеси полупроводниковых оксидов металлов переходной группы периодической системы Д.И. Менделеева: СuО+Мn₃О₄; Мn₃О₄+NiO; Мn₃О₄+NiO+Со₃О₄, а также смеси оксидов железа с полупроводниками сложного состава: МnСо₂О₄, СuМn₂О₄, МgСr₂О₄ и др. Наиболее распространенными типами термисторов являются медномарганцевые (ММТ), кобальтомарганцевые (КМТ и СТ1) и меднокобальтомарганцевые (СТЗ).

Термисторы используют для температурной стабилизации электрических цепей и контуров, стабилизации режимов транзисторных каскадов, температурной компенсации электроизмерительных приборов, в устройствах измерения и регулирования температуры и устройствах автоматики и контроля.

Терморезисторы сположительным ТК_R называют позисторами (рис. 5.1б). В основном позисторы производят из полупроводниковой керамики, обладающей точкой Кюри и большим положительным ТК_R в узком интервале температур.

Описать зависимость сопротивления позисторов от температуры экспоненциальной функцией, к сожалению, не удается.

Наиболее распространенные − позисторы типов СТ5 и СТ6 − изготавливают из керамики на основе титаната бария ВаТiO₃. Сопротивление такой керамики снижают путем добавления редкоземельных элементов. При нагревании ее сопротивление изменяется в 10³−10⁵ раз. Сопротивление керамики на основе ВаТiO₃ определяется сопротивлением поверхностных слоев контактирующих между собой кристаллических зерен (кристаллитов).

В производстве позисторов иногда используют монокристаллический Si, Gе или другой ковалентный полупроводник. Положительный ТК_R у этих материалов объясняется тем, что в области насыщения, в которой находится рабочий температурный интервал полупроводникового прибора, с увеличением температуры уменьшается подвижность носителей заряда, а их концентрация nне изменяется. Поэтому γ уменьшается и ТК_R становится положительным. Позисторы, изготовленные из монокристаллического кремния с небольшой концентрацией примесей (10²¹–10²³ м^-3), имеют ТК_R = (0,7–1,0)∙10^-2 К^-1 с положительным знаком в интервале от 20 до 100 °С. Эти позисторы в сравнении с поликристаллическими имеют меньший разброс характеристик.

Поликристаллические полупроводниковые материалы, имеющие более низкую стоимость и больший ТК_R, чем монокристаллические, нашли широкое применение в производстве позисторов. Положительный ТК_R у позисторов всех типов наблюдается в определенном интервале температур. При температурах выше или ниже этого интервала ТК_R становится отрицательным.

Позисторы используют для бесконтактных термопереключателей, защиты элементов радиоаппаратуры от перегрузки по току, длязашиты электродвигателей в аппаратах записи и воспроизведения звука.Некоторые характеристики термисторов и позисторов приведены в таблицах 5.1 и 5.2.

Таблица 5.1

Некоторые характеристики термисторов

Характеристика	Тип термистора
	ММТ-4	КМТ-1	СТЗ-26
Пределы номинального сопротивления при 20 °С, кОм	1–200	22–1000	0,1–0,68
ТКR при20 °С, %/°С	2,4–5,0	4,2–8,4	2,4–5,0
Интервал рабочих температур, °С	–60–(+125)	–60–(+180)	–60–(+125)
Постоянная времени, с, не более	115	85	–

Таблица 5.2

Некоторые характеристики позисторов

Характеристика	Тип позистора
	СТ5-1	СТ6-1А	СТб-ЗБ
Пределы номинального сопротивления при 20°С, кОм	20–150	40–400	1000–10 000
Максимальный ТКR при 20°С, %/°С	15	10	15
Интервал рабочих температур, °С	–60–(+200)	–60–(+125)	10–125
Постоянная времени, с, не более	10–15	10–15	5
Кратность изменения сопротивления в области положительного ТКR	10^3	10^3

Рис. 5.2. Фотография экспериментальной установки

Термистор

Таблица 5.3

n	t,*C	R,ом	TKR
0	20	110,1
1	22	107,5	-0,01180745
2	25	104,1	-0,01054264
3	27	100	-0,0196926
4	30	95,6	-0,01466667
5	33	90,02	-0,01945607
6	36	86	-0,01488558
7	39	80,04	-0,02310078
8	42	75,4	-0,01932367
9	45	70,02	-0,02378426
10	48	65,3	-0,02246977
11	51	61,7	-0,01837672
12	54	58	-0,0199892
13	57	54	-0,02298851
14	60	49,7	-0,02654321
15	63	46,5	-0,02146211
16	66	42,8	-0,0265233
17	69	39,9	-0,02258567
18	72	37	-0,02422723
19	75	34,1	-0,02612613
20	78	31,8	-0,02248289
21	81	28,5	-0,03459119
22	84	26,3	-0,02573099
23	87	24,2	-0,02661597
24	90	21,9	-0,03168044
25	93	20,4	-0,02283105
26	96	18,8	-0,02614379
27	99	16,8	-0,03546099
28	102	15,5	-0,02579365
29	105	14,2	-0,02795699
30	108	13,3	-0,02112676
31	111	12,1	-0,03007519
32	114	11,8	-0,00826446
33	117	10,6	-0,03389831
34	120	9,8	-0,02515723

Позистор

Таблица 5.3

n	t,*C	R,ом	TKR
0	22	18,8
1	25	19	0,003546099
2	27	19,2	0,005263158
3	30	19,6	0,006944444
4	33	19,9	0,005102041
5	36	20,3	0,006700168
6	39	20,7	0,006568144
7	42	21,1	0,006441224
8	45	21,7	0,009478673
9	48	22,3	0,00921659
10	51	22,9	0,00896861
11	54	23,8	0,013100437
12	57	25	0,016806723
13	60	25,9	0,012
14	63	27,2	0,016731017
15	66	28,6	0,017156863
16	69	30,6	0,023310023
17	72	32,5	0,020697168
18	75	34,8	0,023589744
19	78	38,7	0,037356322
20	81	43,5	0,041343669
21	84	48,6	0,03908046
22	87	55,6	0,048010974
23	90	70,9	0,091726619
24	93	88,4	0,082275505
25	96	106,5	0,068250377
26	99	138	0,098591549
27	102	174,2	0,087439614
28	105	220,5	0,088595484
29	108	291	0,106575964
30	111	486	0,223367698
31	114	796	0,212620027
32	117	1086	0,121440536

Вывод: В данной лабораторной работе, были построенны зависимостри изменения сопротивления термистора и позистора от температуры R=f(t) , определены по ….. температурные коэффиценты, сопротивления TKR=f(t), была заполнена таблица для позистора и термистора, постороены графики зависимости R=f(t) и TKR=f(t) для позистора и термистора. Термистор R=f(t) график убывает по гиперболе . Позистор TKR=f(t) график возрастает по гиперболе. Термистор TKR=f(t) график зависимости,то резко возрастёт ,то резко убывает ,имеет отрицательное давление. Позистор TKR=f(t) ведет себя как и график для термистора, но имеет положительные значения давления.