КЭТ лабы (4 сем) / кэт лр4

Тема: исследование нелинейных полупроводниковых резисторов

Цель работы: определение особенностей полупроводниковых материалов и исследование их температурной зависимости.

Основные понятия и определения

Характерной особенностью полупроводниковых материалов является сильная зависимость их проводимости от различных внешних факторов (температуры, освещенности, напряженности электрического и магнитного 27 полей, давления и т. п.). Это позволяет создавать на основе полупроводников датчики внешних энергетических воздействий. В данной работе исследуются датчики температуры – терморезисторы и напряженности электрического поля – варисторы.

Терморезистор – это резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от температуры. Все полупроводниковые терморезисторы можно разделить на термисторы – полупроводниковые терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, и позисторы – полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Основная часть термисторов изготовлена из оксидных полупроводников – оксидов металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева (от титана до цинка). Электропроводность оксидных полупроводников с преобладающей ионной связью отличается от электропроводности классических ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны незаполненные электронные оболочки и переменная валентность. В результате электропроводность таких оксидов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для стимулирования такого обмена, экспоненциально уменьшается с увеличением температуры. Таким образом, температурная зависимость сопротивления термистора из оксидного полупроводника может быть аппроксимирована уравнением, характерным для классических ковалентных полупроводников:

где R_∞ – коэффициент, зависящий от исходного материала и конструкции термистора; В – коэффициент температурной чувствительности, Т – абсолютная температура термистора. Аналогично, температурная зависимость проводимости термистора может быть аппроксимирована уравнением

где γ_∞ – коэффициент, характерный для данного термистора. Это уравнение после логарифмирования имеет вид линейной зависимости

Коэффициент температурной чувствительности В для оксидных полупроводников отражает интенсивность обмена электронами между соседними ионами, а для ковалентных полупроводников – интенсивность ионизации атомов с увеличением температуры. Значение коэффициента температурной 28 чувствительности в соответствии с уравнением может быть определено экспериментально по двум значениям проводимости термистора при температурах T₁ и T₂:

Принцип действия позисторов, которые состоят из титаната бария с различными примесями, связан с фазовым переходом из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. Переход из одной фазы в другую происходит в узком интервале температур с резким увеличением удельного сопротивления материала позистора при увеличении температуры.

Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. В лабораторной работе исследуется варистор, изготовленный методом керамической технологии из порошкового карбида кремния со связкой. Нелинейность вольтамперной характеристики (ВАХ) таких варисторов обусловлена явлениями на точечных контактах между кристаллами карбида кремния. При относительно больших напряжениях на варисторе и соответственно при относительно больших токах, проходящих через варистор, разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и к нелинейности ВАХ варистора. Этот механизм является основным при относительно больших напряжениях на варисторе. Малые объемы активных областей под точечными контактами между кристаллами обеспечивают очень малую тепловую инерционность этих областей. Поэтому варисторы обладают нелинейной ВАХ и при переменном напряжении, чем варисторы существенно отличаются от термисторов. Вольт-амперная характеристика варистора соответствует уравнению I=AU^β , где А – коэффициент, значение которого зависит от типа варистора, β – коэффициент нелинейности варистора.

Обработка результатов

1. Статические ВАХ термистора и позистора

Данные вольтамперной характеристики термистора приведены в таблице 1.1. Графическая зависимость представлена на рисунке 1.

Таблица 1.1
I, мА	1	2	3	4	6	8	10	12	14
U, В	0,95	1,5	2,5	3	5	5,5	6	7	7,5

Рис. 1 ВАХ термистора

Вольтамперная характеристика позистора приведена в таблице 1.2. Графическая зависимость представлена на рисунке 2.

Таблица 1.2
U, В	0,5	1	1,5	2	2,5	3
I, мА	2,5	5	10	12,5	18,5	23

Рис. 2 ВАХ позистора

Зависимость сопротивления позистора от температуры представлена в таблице 1.3. Графически данная зависимость изображена на рисунке 3.

Таблица 1.3
t, C	18	30	40	50	60	70	80	90
Rпоз, кОм	0,39	0,62	0,75	1,25	2,2	4,1	5,9	12,5

Рис. 3 температурная зависимость сопротивления позистора

Данные расчета температурной характеристики термистора приведены в таблице 1.4. Графически зависимость lnγ(1/T) представлена на рисунке 4.

Таблица 1.4
t, С	18	30	40	50	60	70	80	90
1/Т, К-1	0,00344	0,0033	0,00319	0,00310	0,003	0,00292	0,00283	0,00275
Rпоз,Ом	390	620	750	1250	2200	4100	5900	12500
γ поз, мСм	2,564	1,613	1,333	0,800	0,455	0,244	0,169	0,08

Рис. 4 График зависимости lnγ от 1/T

Расчет коэффициента температурной чувствительности термистора, используя значения, взятые при температурах

2. Коэффициент нелинейности варистора при комнатной температуре

Для определения коэффициента нелинейности варистора проведем касательную к эмпирической ВАХ варистора в выбранной рабочей точке А на участке наибольшей нелинейности, как показано на рисунке 5.

Рис.5 Определение коэффициента нелинейности

Определив дифференциальное сопротивление путем построения прямоугольного треугольника на касательной, получим:

3. Температурные коэффициенты сопротивления варистора при неизменном напряжении и неизменном токе

Выводы

В ходе лабораторной работы были исследованы полупроводниковые терморезисторы – термистор и позистор, построены их статистические вольтамперные характеристики.

Была построена графически зависимость сопротивления позистора от температуры, показывающая, что при нагревании сопротивление позистора сильно возрастает.

Была построена температурная характеристика термистора и найден коэффициент температурной чувствительности термистора В = 2707. Получившееся большое значение коэффициента говорит о высокой чувствительности данного термистора к изменениям температуры.

На основе ВАХ, снятой с осциллографа, был найден коэффициент нелинейности варистора β = 1,5, и рассчитаны температурные коэффициенты сопротивления варистора при неизменном напряжении и неизменном токе соответственно TKR|_{U = const} = -0,005 и TKR|_{I = const} = 0,017.

При сравнении осциллограмм варистора, снятых при разных температурах, можно сделать вывод о том, что при увеличении температуры осциллограмма становится уже.