Исследование электропроводности материалов

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ

 

Цель работы: изучение зависимости электропроводности материа­лов термисторов и позисторов от температуры и электрического тока

 

Задания:

1. По экспериментальным результатам построить зависимости In γ = φ₁ (1 / Т) и I = φ₂ (U) исследуемых элементов.
2. Определить ширину запрещенной зоны полупроводникового материала исследуемых элементов.
3. На основе анализа получаемых характеристик полупроводниковых резисторов определить область их применения. Назвать материалы, используемые для изготовления резисторов.

 

Теоретические сведения

Материалы термисторов

Термистор – это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры. Процесс переноса зарядов – процесс электропроводности – может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости и условии неполного заполнения электронами валентной зоны. При выполнении этих условии и в отсутствие градиента температуры перенос носителей заряда может происходить либо под действием электрического поля, либо под действием градиента концентрации носителей заряда.

Широко распространены терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом, т. е. те у которых при увеличении температуры сопротивление уменьшается. Наряду с ними используют высокочувствительные терморезисторы с положительным коэффициентом сопротивления. Среди них особое место занимают позисторы. Термисторы бывают прямого и косвенного подогрева. В работе используются материалы термисторов прямого подогрева. Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено тремя причинами:

1) увеличением концентрации носителей заряда;

2) увеличением их подвижности;

3) фазовыми превращениями полупроводникового материала.

Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа А³В⁵ и др.). Зависимость сопротивления полупроводника от температуры определяется изменением концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежительно малы.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению

,

где В - коэффициент температурной чувствительности, определяемый в виде

,

R₀ – «холодное» сопротивление термистора, обычно при 20° С. У разных типов термисторов В = 700 – 15800 К.

Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из поликристаллических окисных полупроводников из окислов так называемых металлов переходной группы таблицы Менделеева (от титана (Ti) до меди (Си)). Наиболее широко используют окислы марганца (Мn), кобальта (Со), никеля (Ni) и меди (Сu). Термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методами керамической технологии, т. е. путем обжига заготовок при высокой температуре. Электропроводность окисных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Электропроводность окислов металлов связана с обменом электронами между соседними нонами. Энергия, необходимая для такого обмена, мала. Поэтому все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию – постоянной в рабочем диапазоне температур термистора.

Из-за сильного взаимодействия носителей заряда с ионами подвижность носителей заряда в окисном полупроводнике оказывается малой и экспоненциально возрастающей с ростом температуры. В результате температурная зависимость сопротивления термистора из окисного полупроводника оказывается такой же, как и у термисторов из ковалентных полупроводников, но коэффициент температурной чувствительности характеризует и этом случае изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.

В окислах ванадия V₂O₄ и V₂O₃ – при температуре фазовых превращений (68 °С – 110 °С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление позволяет создать термистор с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих фазовому превращению.