Методичні вказівки щодо проведення лабораторної роботи "Дослідження температурної залежності електричного опору напівпровідника"

Дисципліна: "Матеріалознавство та елементна база телекомунікаційних та радіотехнічних систем"

МЕТОДИЧНІ  ВКАЗІВКИ  ЩОДО ПРОВЕДЕННЯ  ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ

"ДОСЛІДЖЕННЯ  ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ОПОРУ  НАПІВПРОВІДНИКА"

Мета pоботи:  дослідити    залежність    опору напівпровідникового терморезистора від темпеpатуpи; визначити основні параметри терморезистора.

Короткі теоретичні відомості

Теpмоpезистоpом називають напівпровідниковий резистор, основна властивість  якого  полягає  в  здатності  значно змінювати    свій електричний опір при зміні темпеpатуpи. Терморезистори застосовуються в колах температурної стабілізації режиму транзисторних підсилювачів, у пристроях виміру, контролю й автоматики (див. рисунок 4).

 Терморезистор виготовляють у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб, бусинок і тонких пластинок переважно методами порошкової металургії. Їхні розміри можуть варіюватися в межах от 1…10 мкм до 1…2 см.

Залежно від  матеріалу терморезистори діляться на мідномарганцеві (ММТ) і кобальтомарганцеві (КМТ). Терморезистори виготовляють також із суміші полікристалічних оксидів перехідних металів, склообразних напівпровідників і інших матеріалів.

Діапазон вимірюваних і контрольованих ними температур становить від –70 до +180 °С.

                                                                                          Рисунок 1

Найбільше поширення одержали теpмоpезистоpи з  негативним темпеpатуpним коефіцієнтом  (термістори), опір  яких  при збільшенні темпеpатуpи зменшується.

Залежність питомого опору  напівпровідника  від  темпеpатуpи в  обмеженому  інтервалі  темпеpатуp  носить  експонентний характер (див. рисунок 1).    

З терморезисторів з позитивним температурним коефіцієнтом найбільший  інтерес представляють терморезистори, виготовлені із твердих розчинів на основі BaTiO₃. Такі терморезистори звичайно називають позисторами. Позистори використовуються, наприклад, для температурної стабілізації електронних пристроїв на транзисторах.

Основні параметри терморезистора:

- номінальний (холодний) опір;

- температурний коефіцієнт  опору;

- постійна часу;

- чутливість;

- коефіцієнт температурної чутливості.

 Номінальний (холодний) опір R_o  – опір робочого тіла терморезистора при температурі навколишнього середовища 20°С, Ом.

 Для більшості терморезисторів температурних залежностей опору в робочому діапазоні температур визначається співвідношенням:

   ,                                     (1)

де      R_Θ – опір при обмірюваній температурі, Ом;

R_o – номінальний (холодний) опір робочого тіла терморезистора при температурі навколишнього середовища 20°С, Ом; 

T_o – абсолютна температура, при якій  опір  терморезистора дорівнюється R_o (Т_о = 293 К);

Т  – обмірювана температура, К;

В – температурна постійна (коефіцієнт температурної чутливості), К .

Значення коефіцієнта температурної чутливості В можна визначити з формули:

  ,                                         (2)

де      Т₁ – початкова температура робочого тіла терморезистора, К;

Т₂ – кінцева температура робочого тіла терморезистора, К;

R₁, R₂ – опору терморезистора при відповідних температурах.

Температурний коефіцієнт опору α_Т виражає зміну абсолютної величини опору робочого тіла терморезистора при зміні температури на 1°С. Значення α_Т  для будь-якої температури Т визначається зі співвідношення:

^.                                                                    (3)

 Чутливість S (Ом/град) напівпровідникового терморезистора для будь-якої температури Т визначається зі співвідношення: 

S = αR_Т.                                                 (4)

Значення чутливості терморезистора досить велике, що забезпечує високу точність при вимірі невеликих відхилень температури.

Рисунок 2 – Схема дослідження терморезистора

Пpилади та устаткування

 Таблиця 1

Порядок проведення pоботи

1. Зберіть схему  дослідження  теpмоpезистоpа (див. рисунок 2).

2. Виміряйте опір терморезистора при різних температурах навколишнього повітря.

Температура  навколишнього  середовища  встановлюється    зміною напруги блока живлення Е₁, при цьому виміри опору необхідно виконувати після витримки часу протягом  декількох хвилин через теплову інерцію терморезистора й нагрівального елемента. Характеристикою теплової інерції терморезистора може служити постійна часу τ.  

Отримані результати вимірів запишіть у таблицю 2.

 Таблиця 2 – Результати вимірів

3. Побудуйте графік залежності: R = f(t°С).  За даними графіка R = f(t°С) розрахуйте параметри терморезистора:

-     коефіцієнт температурної чутливості В (з формули (2));

-     номінальний опір теpмоpезистоpа R_o  (з формули (1));

-    темпеpатуpний  коефіцієнт опору α_Т  теpмоpезистоpа (з формули (3));

-     чутливість теpмоpезистоpа S (по формулі (4)).

Результати розрахунку параметрів терморезистора запишіть у таблицю 3 і зрівняєте їх з паспортними даними приладу.

Таблиця 3

Приклад побудови графіка залежності R = f(t°С) у програмі Excel  показаний на рисунку 3. Із графіка видно, що номінальний опір R_o при 20°С  крім застосування формули (1) можна також визначити  методом інтерполяції (інтерполяція - спосіб знаходження проміжних значень величини по наявному дискретному набору відомих значень).

Рисунок 3 - Графік залежності R = f (t°С)

Зміст звіту по роботі

1. Назва й мета роботи.

2. Електрична схема випробування.

3. Перелік вимірювальних приладів, устаткування.

4. Таблиці вимірів і обчислень. Формули розрахунку.   

5. Графік залежності R = f(t°С).

6. Короткі висновки за результатами pоботи.

7. Короткі відповіді  на контрольні питання.

Контрольні питання

1. Де застосовуються терморезистори?

2. Що виражає температурний коефіцієнт опору?

3.  Що виражає чутливість терморезистора?

Література

1.               Леонтьєв В. О., Бевз С. В., Видмиш В. А. Електротехнічні матеріали : навчальний посібник.  Вінниця : ВНТУ, 2013.
2.               Швець Є. Я., Червоний І. Ф., Головко Ю. В. Матеріали і компоненти електроніки : навчальний посібник. Запоріжжя : ЗДІА, 2011.

Рисунок 4 – Приклад застосування терморезистора