Мета роботи

Вивчення термоопору, зняття вольт-амперної характеристики термістора.

5.2. Загальні положення

Всі тверді тіла, що володіють електронною провідністю, по величині електричного опору діляться на провідники і напівпровідники.

До провідників відносяться всі метали і їх сплави.

До напівпровідників належить ряд чистих елементів IV – VI груп (наприклад, германій, кремній, селен, телур), більшість оксидів металів і деякі інші сполуки.

Діелектриками є часом досить складні за складом сполуки: скла, органічні і неорганічні, полімерні речовини і так далі

Характерна особливість напівпровідників – різка залежність їх електричних властивостей від зовнішніх впливів (температури, тиску, освітлення, електричного поля, домішок, які інколи в мільйон разів змінюють електропровідність провідника).

Напівпровідники заповнюють по значеннях свого питомого опору щонайширший інтервал між провідниками, в яких питомий опір не перевищує Ом·м, і діелектриками, в яких Ом·м. Питомий опір напівпровідників знаходиться в цьому інтервалі.

Істотна відмінність між напівпровідниками і металевими провідниками полягає в різній залежності їх питомих опорів від температури. При температурах, близьких до , в металів питомий опір збільшується прямо пропорційно зміні температури:

(5.1)

В напівпровідників за тих же умов питомий опір зменшується по експоненціальному закону:

(5.2)

У приведених формулах – термічний коефіцієнт опору; і – сталі, залежні від фізичних властивостей напівпровідника; – абсолютна температура.

Графічно ці залежності змальовані на рис. 5.1: а) – для металів; б) – для напівпровідників.

Особливості електричних властивостей металів і напівпровідників знаходять своє пояснення в зонній теорії провідності.

У будь-якому кристалічному тілі електрони, як і в атомі, розподілені по енергетичних рівнях. Це означає, що енергія електронів в твердому тілі квантується, тобто набуває лише дискретних значень, що звуться рівнями енергії. Електрони при цьому підкоряються принципу заборони Паулі: у будь-якій квантовій системі (атомі, молекулі, кристалі і так далі) на кожному енергетичному рівні може знаходитися не більше двох електронів, причому власні моменти імпульсу (спіни) електронів, що займають один і той же рівень, повинні мати протилежні напрями.

Дозволені рівні енергії в кристалі групуються в зони. Схема енергетичних рівнів для напівпровідників змальована на рис. 5.2, де I – валентна зона, повністю заповнена зв'язаними електронами; II – зона провідності, вільна від електронів; III – заборонена зона, ширина якої рівна

Для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності, необхідно надати йому додаткову енергію, рівну або більшу, ніж .

Електричне поле такої напруженості, при якій не відбувається електричний пробій кристалів, не в змозі надати електрону таку енергію. В напівпровідниках ширина забороненої зони еВ. На відміну від металів і ізоляторів в напівпровідниках тепловий рух здатний переводити електрони з однієї зони в іншу. Підвищення температури приводить до того, що концентрація електронів в зоні провідності і електропровідність збільшується. Цей ефект, як показують розрахунки, істотно перевершує зменшення провідності через зіткнення з іонами кристалічної решітки.

Термоопори (термістори) – це активні напівпровідникові нелінійні опори, величина яких залежить від температури. Опір термістора за нормальних умов різко зменшується з підвищенням температури. Термістори виготовляють із спеціальних напівпровідникових матеріалів з високим температурним коефіцієнтом опору, різної форми і розмірів залежно від їх призначення. Вони широко застосовуються в самих різних галузях науки і техніки: у системах автоматичного управління і регулювання, для виміру температур і потужностей електромагнітних випромінювань, компенсації температурних змін параметрів електричних кіл, стабілізації напруги, в системах пожежної сигналізації і так далі.

Така різноманітність в практичному застосуванні термісторів обумовлена їх перевагами в порівнянні з іншими типами датчиків: високою температурною чутливістю, малими габаритними розмірами і відповідно малою теплоємністю і інерційністю, простотою і надійністю конструкції і можливістю проведення дистанційних вимірів.

Залежність опору від температури – основна характеристика термістора, інша його важлива характеристика – вольт-амперна.

5.3. Опис установки і методу вимірів

Зняття вольт-амперної характеристики передбачає в даній роботі визначення залежності між прикладеною до термістора напругою і струмом, що протікає через цей опір.

Вольт-амперна характеристика металевих провідників має лінійний характер і виражається законом Ома, оскільки невелика зміна температури не викликає помітної зміни опору металевого провідника. При малих струмах в термісторі вольт-амперна характеристика його також лінійна (відповідає закону Ома), оскільки його температура залишається практично незмінною. При збільшенні сили струму падіння напруги на ньому досягає максимуму, а потім зменшується (унаслідок зменшення опору термістору, обумовленого підвищенням його температури), тобто вольт-амперна характеристика стає падаючою (рис. 5.3).

Ця особливість вольт-амперної характеристики термісторів обумовлює їх широке застосування в системах автоматичного регулювання.

Вольт-амперну характеристику термоопору знімають за допомогою схеми (рис. 5.4), де 1 – потенціометр, за допомогою якого подається напруга від мережі; 2 – вольтметр, що вимірює подавану напругу; 3 – баластний опір, що оберігає термістор від перевантаження струмом; 4 – термоопір; 5 – міліамперметр для виміру струму, що протікає через термоопір; 6 – вольтметр, що вимірює падіння напруги на термоопорі.

5.4. Питання для самоперевірки

1. Як залежить опір напівпровідників і металів від температури?

2. Дати пояснення провідності металів і напівпровідників з точки зору зонної теорії електропровідності.

3. Назвати види провідності напівпровідників.