Полупроводниковые термометры сопротивления

В отличие от металлов многие полупроводники и оксиды имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Зависимость между величиной сопротивления и температурой для таких термосопротивлений часто является сильно нелинейной.

В данной работе в качестве термометра с отрицательным ТКС применен германиевый (Ge) термометр сопротивления. Его внешний вид показан на рис.3.

Рис.3. Полупроводниковый германиевый термистор

Полупроводниковые термосопротивления (композиционный углерод, легированный германий и др.) широко применяются для измерения низких температур (0,1-100 К) благодаря их высокой чувствительности. Они представляют собой полупроводниковые пластинки (плёнки) различных габаритов и формы с приваренными металлическими выводами, помещаемые часто в защитную оболочку. В диапазоне температур 4,2-13,8 К применяют как особо точные германиевые термосопротивления. При температурах выше 100 К применение полупроводниковых термосопротивлений ограничено из-за их нестабильности и разброса индивидуальных характеристик.

Удельная электрическая проводимость собственного полупроводника определяется классическим соотношением:

,

где n₀, p₀ – равновесная концентрация электронов и дырок, μ_n, μ_p – подвижность.

Для легированных полупроводников концентрация основных носителей всегда существенно больше, чем концентрация неосновных носителей, поэтому проводимость таких полупроводников будет определяться только компонентой проводимости основных носителей.

Подвижность носителей при нагревании изменяется сравнительно слабо (по степенному закону, ~T^3/2), а концентрация очень сильно (экспоненциально). Для собственного полупроводника концентрация носителей заряда определяется следующей зависимостью:

Так как проводимость полупроводника напрямую зависит от числа свободных носителей заряда, температурная зависимость удельной проводимости полупроводника подобна температурной зависимости концентрации основных носителей.

Таким образом, сопротивление полупроводника будет зависеть от температуры по следующему закону:

,

где N_о – коэффициент, зависящий от типа и геометрических размеров полупроводника; DЭ – энергия активации примесей (для примесных полупроводников) или ширина запрещенной зоны (для собственных полупроводников), k – постоянная Больцмана.

постоянная В=DЭ/k носит название коэффициента температурной чувствительности и приводится в паспортных данных на терморезистор. экспериментально коэффициент температурной чувствительности определяют по формуле:

где Т₁ и Т₂ – исходная и конечная температуры рабочего температурного диапазона, R₁ и R₂ – сопротивления терморезистора при температуре соответственно Т₁ и Т₂.

Выпускаются также полупроводниковые терморезисторы, называемые позисторами, которые имеют в сравнительно узком интервале температур положительный температурный коэффициент сопротивления. При нагревании величина сопротивления полупроводниковых терморезисторов убывает, а позисторов - возрастает в сотни и тысячи раз.