• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Терморезисторы

Первым прибором, на котором мы остановимся, будет терморезистор — прибор, изменяющий свою проводимость под действием нагревания или охлаждения.

Читатели, вероятно, помнят, что проводимость полупроводников зависит от концентрации свободных носителей заряда. Однако полупроводники, имеющие одну и ту же концентрацию носителей заряда, все-таки могут иметь различную проводимость. В чем здесь дело?

Представим себе широкую улицу, платно заполненную движущимися машинами. Мы стоим у перекрестка и подсчитываем количество машин, проезжающих перекресток за 1 с. Очевидно, если скорость движения машин возрастет вдвое, то и подсчитываемое нами количество тоже увеличится в два раза при постоянной плотности заполнения улицы машинами. Итак, поток машин зависит не только от их плотности, но и от скорости их передвижения.

Если теперь от машин вернуться к электронам в полупроводнике, то станет ясно, что при одном и том же приложенном напряжении электрический ток будет зависеть, но только от концентрации свободных электронов, но и от скорости их перемещения в электрическом поле. Скорость перемещения электронов в электрическом поле с напряженностью 1 В/м условились называть подвижностью электронов.

Что же в основном изменяется при нагревании или охлаждении полупроводника — концентрация носителей заряда или их подвижность? Оказывается, ответ на этот вопрос зависит от того, о каком именно полупроводнике идет речь.

Можно ли, например, сделать терморезистор из германия? Вспомним особенности ионной структуры германия, в который введена примесь, т. е. примерного германия.

Примесный уровень находится обычно вблизи зоны проводимости или валентной зоны. Энергия отрыва электрона от примесного атома сравнительно невелика, так что уже при комнатной температуре примесные атомы теряют свои валентные электроны за счет своей внутренней энергии.

Предположим, что мы нагреваем такой полупроводник на несколько градусов, начиная от комнатной температуры. Изменение числа свободных носителей заряда будет относительно слабым, так как почти все примеси ионизованы, а для переброса электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости нагревания еще недостаточно. Если к этому добавить, что подвижность носителей заряда в германии также относительно слабо зависит от температуры, то станет ясно, что при температурах, близких к комнатной, «управляющие» свойства германиевого терморезистора не будут достаточно высокими.

При каких же температурах могут работать германиевые терморезисторы? При температурах, когда внутренняя энергия кристаллической решетки является достаточной для переброса носителей заряда из валентной зоны в зону проводимости (собственная проводимость). А такие температуры для примесного германия значительно выше комнатной.

Из чего можно изготовить терморезистор, работающий при комнатных температурах?

Изучая различные типы полупроводников, ученые обнаружили группу оксидных соединений — TiO2, ZnO,SnO2, In2O3 и др., обладающих полупроводниковыми свойствами. Однако физические причины наличия таких свойств оказались в значительной мере отличными от того, что наблюдалось в таких «элементарных» полупроводниках, как германий или кремний.

Все металлы в полупроводниковых оксидах принадлежат к группе так называемых переходных металлов. Они имеют частично не заполненные электронные оболочки и при определенных условиях легко изменяют свою валентность в химических соединениях, в том числе и в оксидах. Поэтому при определенном способе изготовления оксид, помимо кислорода, содержит смесь ионов металла, находящихся в разных валентных состояниях.

Электроны «в гостях» у ионов

Каждый ион металла с меньшей валентностью может относительно легко отдать один электрон. Этот электрон становится свободным. Другой ион металла с большей валентностью столь же легко принимает этот свободный электрон, понижая при этом свою валентность. Этот обмен электронами изображен на рисунке 41.


Терморезисторы, статьи для начинающих


Что же изменяется в полупроводниковом оксиде с ростом температуры? Колеблющиеся с большей энергией ионы металла будут более легко обмениваться электронами, так что в среднем время пребывания электронов «в гостях» у ионов сократится Можно считать, что при этом электроны становятся как бы «более свободными». Следовательно, нет ничего удивительного в том, что подвижность электронов при наложении электрического поля возрастет! В этом случае электроны напоминают сытых пчел, которые меньше задерживаются на каждом цветке и, следовательно, быстрее перелетаю? цветочное поле.

Этот эффект в полупроводниковом оксиде оказывается очень сильным даже при температурах, близких к комнатной, и позволяет получить высокоэффективные терморезисторы для этого диапазона температур.

«Пирожки» из полупроводниковых оксидов

Остановимся на способе изготовления наиболее широко используемых в технике оксидных терморезисторов. Технология их получения напоминает выпечку кондитерских изделий. Сначала приготовляют «муку» — мелкий порошок из оксида. Затем получают «тесто», смешивая «муку» с пастой из специальных органических веществ. Это «тесто» загружают в шприц и выдавливают в виде трубочек. Трубочки разрезают на небольшие цилиндрики и помещают в печь с температурой около 1000°С.

В процессе «выпечки» органические вещества выгорают, а частички исходного порошка прочно спекаются друг с другом. Цилиндрики приобретают, таким образом, механическую прочность. Кроме того, в процессе спекания оксид обогащается разновалентными ионами металла. На полученные «полуфабрикаты» с краев наносят серебряные контакты — и терморезисторы готовы!

Терморезистор служит людям

Немного технической фантазии — и читатель представит себе ситуацию, когда терморезистор помогает потушигь пожар. Представьте себе, что терморезистор Т подключен к батарее постоянного тока Б последовательно с катушкой электромагнитного реле Р, как показано на рисунке 42. При нормальной температуре сопротивление терморезистора относительно велико, так что ток через катушку недостаточен для замыкания контактов реле. Но стоит возникнуть пожару, температура в помещении повысится, ток через катушку возрастет и реле замкнет контакты аварийной сигнализации — зазвонит звонок.


Терморезисторы, статьи для начинающих


Отметим, что приведенный пример, конечно, не исчерпывает всех многочисленных применений этого хотя и простого, но очень полезного для техники прибора.




Детский интернет магазин / Горшки. Купите сейчас
флора.москва

Похожие записи

Что запрещено и что разрешено электронам в кристалле? Для ответа на поставленный вопрос нам придется познакомиться с несколько необычной на первый взгляд моделью вещества.

читать далее

Вернемся сначала к вопросу: как можно управлять проводимостью полупроводника? Да, мы уже говорили о том, что для этих целей можно ввести в кристаллическую решетку полупроводника атомы примеси...

читать далее

Фотоны нарушают равновесие в полупроводнике. Чувствителен ли полупроводник к потоку фотонов? Пусть собственный полупроводник (примесей нет!) долгое время находится при комнатной температуре...

читать далее