Задача 3

Исходные данные

Наименование полупроводниковых материалов:

0. Германий

2. Терморезистор

1. Дайте определение полупроводника.

2. Приведите классификацию полупроводниковых материалов.

3. Укажите, от каких факторов зависит электропроводность полупроводников.

4. Кратко опишите заданный материал, укажите области его использования.

5. Укажите назначение полупроводникового прибора, опишите принцип его действия.

6. Укажите полупроводниковые материалы, используемые в данном приборе.

Решение

1. К полупроводникам относят вещества, которые характеризуются сильной зависимостью удельного сопротивления от воздействия внешних факторов (температуры, электрического поля, света и т.д.). Удельное сопротивление полупроводников может изменяться в широких пределах (Омсм). Они, как и металлы, об­ладают электронной электропроводностью, которая при нормаль­ной температуре меньше, чем у проводников, но больше, чем у диэ­лектриков.

2. Полупроводники, использующиеся на практике, можно разде­лить напростые и сложные. Полупроводники, образованные ато­мами одного химического элемента, называют простыми. Полу­проводники, образованные атомами двух или большего числа хи­мических элементов, называют сложными.

Сложные полупроводники разделяются на химические соедине­ния икомпозиции (комплексы).

Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов разных групп таблицы Менделеева, напри­мер, бинарные соединения, соответствующие общим формулам A^IVB^IV(например, карбид кремнияSiC),AⁱⁿB^v(антимонид индияInSb, арсенид галлияGaAs, фосфид галлияGaP),A"B^IV(сульфид свинцаPbS, теллурид кадмияCdTe,ZnSe), а также некоторые окси­ды (например,Cu₂0) и вещества сложного состава.

К полупроводниковым композициям или полупроводниковым комплексам относятся материалы с полупроводящей или проводя­щей фазой, например, из карбида кремния и графита, сцепленных глинистой, стеклянной, керамической или другой связкой. Наибо­лее распространенными из них являются вилит, тирит, силит и др.

3. Электропроводность полупроводниковв большой степени за­висит от внешних энергетических воздействий, а также от различ­ных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в полупроводнике. Наличие в кристаллах полупроводника даже небольшого коли­чества примесей, как правило, увеличивает электропроводность по­лупроводника и изменяет характер ее температурной зависимости.

В отличие от проводников, у полупроводников при уменьшении температуры их удельная электрическая проводимость уменьшает­ся и при стремлении температуры к ⁰К полупроводники прекраща­ют проводить электрический ток. Они становятся диэлектриками.

Электропроводностью полупроводников можно управлять по­средством воздействия на них температуры, света, ядерного излу­чения, электрического и магнитного поля и механических усилий. Зависимость проводимости от названных выше факторов положена в основу принципа действия терморезисторов (термисторов), фото­резисторов, нелинейных резисторов (варисторов) и тензорезисторов.

0. Германий

Германий- элемент четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Температура плавления германия 937,2° С. В природе он встречается часто, но в весьма малых количествах. Присутствие германия обнаружено в цинковых рудах и в золах разных углей. Основным источником получения германия является зола углей и отходы металлургических заводов.

Полученный в результате ряда химических операций слиток германия еще не представляет собой вещества, пригодного для изготовления из него полупроводниковых приборов. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности.

Для очистки слитка от нерастворимых примесей широко применяется метод зонной плавки. Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно растворяются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве.

Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается на мелкие куски при ударах. Однако при помощи алмазной пилы или других устройств его можно распилить на тонкие пластинки. Отечественной промышленностью изготовляется легированный германий с электронной электропроводностью различных марок с удельным сопротивлением от 0,003 до 45 ом х см и германий легированный с дырочной электропроводностью с удельным сопротивлением от 0,4 до 5,5 ом х см и выше. Удельное же сопротивление чистого германия при комнатной температуре ρ = 60 ом х см.

Германий как полупроводниковый материал широко используется не только для диодов и триодов, из него изготовляются мощные выпрямители на большие токи, различные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких температур и др.

2.Терморезистор

Терморезисторы (термисторы) - это резисторы, сопротивление которых сильно изменяется в зависимости от температуры. Термисторы изготавливаются на основе полупроводникового материала и имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Термисторы с положительным температурным коэффициентов сопротивления (ТКС) называются позисторами. Благодаря чувствительности к температуре термисторы используются для измерения температуры и построения систем управления температурой в технологическом и лабораторном оборудовании.

Терморезисторы изготавливаются на основе полупроводникового оксида металлов, спрессованного для получения заданной формы. Механическая прочность и защита от воздействий окружающей среды обеспечивается с помощью металлического корпуса или защитного изолирующего слоя. Термисторы имеют нелинейную вольт-амперную характеристику и очень высокую температурную чувствительность по сравнению с другими типами датчиков температуры. Типовое значение ТКС для термисторов составляет -5% на градус, в то время как для платинового термопреобразователя (RTD) он составляет 0,4% на градус.

Типовой диапазон температур термисторов достаточно узок (-60...+150 С), для некоторых образцов он расширен до (-60...+300 С).

При протекании тока через терморезистор он нагревается, что увеличивает погрешность измерений. Поэтому при выборе терморезистора необходимо учитывать его коэффициент рассеяния, который определяется как мощность, приводящая к нагреву терморезистора на 1 градус относительно температуры окружающей среды. Для снижения погрешности, вызванной собственным разогревом термистора, необходимо увеличивать площадь его поверхности, однако это приводит к увеличению тепловой инерционности, которая характеризуется величиной постоянной времени. Постоянная времени терморезистора равна времени, в течение которого его температура изменяется в е раз (на 63%) при перенесении термистора из воздушной среды с температурой 0 град. Цельсия в воздушную среду с температурой 100 град. Типовые значения постоянных времени лежат в диапазоне от десятых долей секунды до нескольких минут.

В связи с сильной нелинейностью температурной зависимости терморезисторы не могут быть использованы без компенсации нелинейности (линеаризации) их характеристики. Для этой цели используют нелинейные аппроксимирующие функции, коэффициенты которых подбирают методом наименьших квадратов или другими методами параметрической идентификации. Этот недостаток термисторов сильно ограничивал их применение до появления средств измерения температуры, построенных на базе компьютера. Применение компьютера позволяет легко скомпенсировать нелинейность программным путем. Эта особенность увеличила интерес к применению термисторов в последние годы и инициировала дальнейшие исследования в направлении улучшения их стабильности, точности и взаимозаменяемости. По существу термисторы представляют собой полупроводниковую керамику. Они изготавливаются на основе порошков окислов металлов (обычно окислов никеля и марганца), иногда с добавкой небольшого количества других окислов. Порошкообразные окислы смешиваются с водой и различными связующими веществами для получения жидкого теста, которому придаётся необходимая форма и которое обжигается при температурах свыше 1000 ^оС. Приваривается проводящее металлическое покрытие (обычно серебряное), и

подсоединяются выводы. Законченный термистор обычно покрывается эпо сидной смолой или стеклом или заключается в какой-нибудь другой корпус.