ИЗУЧЕНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Цель работы. Снятие вольтамперных характеристик термочувствительных сопротивлений.
Приборы и оборудование:термосопротивление, миллиамперметр, вольтметр, реостат, выпрямитель.
Теоретическая часть.
Статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового термосопротивления (ПТС) называют зависимость между падением напряжения на рабочем теле и величиной протекающего через него тока в условиях термодинамического равновесия. ПТС находится в равновесии с окружающей средой, когда тепловая мощность Рт (тепловая энергия в единицу времени), которую ПТС отдает окружающей среде (рассеивает), равняется мощности РД.-Л., выделяемой в рабочем теле за счет прохождения тока, согласно закону Джоуля-Ленца. Поэтому при снятии статической ВАХ после изменения текущего через ПТС тока необходимо выждать время, пока не установится равновесие между рассеиваемой мощностью Рт и выделяемой РД.-Л.
Статическую ВАХ ПТС можно выразить через характеристики полупроводника и среды. Рассеиваемая ПТС мощность пропорциональна разности температуры рабочего тела Т и температуры среды Т0
Рт = Н (Т – Т0), (1)
где Н – коэффициент рассеяния, зависящий как от состояния среды, так и от формы тела и материала, из которого оно изготовлено. В соответствии с законом Джоуля-Ленца, мощность, выделяемая на рабочем теле имеет вид
или 
, (2)
где 
R - постоянная, которую можно получить при какой-либо фиксированной температуре из соотношения
(3)
где R1 - сопротивление образца при температуре T1. При равновесии мощность РТ должна равняться РД.-Л., следовательно
и
(4)
В результате из (4) можно записать в параметрической форме уравнение ВАХ для ПТС в виде:
(5)
При фиксированных значениях H и T0 из (5) можно получить ВАХ ПТС, аналогичную приведенной на рис.1.
Рис.1. Рис.2.
Начальный участок ВАХ представляет собой практически линейную функцию U от I. Как видно из (5), линейная зависимость наблюдается при 
<< Т. С увеличением силы тока повышается температура образца, и зависимость становится нелинейной. При достижении критического значения Im напряжение U начинает уменьшаться. Область, где I < Im, является областью отрицательного дифференциального сопротивления ( 
< 0). Во многих случаях эта область ВАХ является рабочей частью ПТС.
Вид вольтамперной характеристики данного ПТС зависит от условий теплообмена с окружающей средой, а, следовательно, от состояния среды. Поэтому ПТС может иметь множество вольтамперных характеристик (рис.2)
Для характеристики температурной зависимости сопротивления вводится температурный коэффициент сопротивления
(6)
Если подставить выражение для R из (2), то получим для полупроводников
(7)
Знак “минус” в (7) показывает, что при повышении температуры сопротивление полупроводника уменьшается. Температурный коэффициент у полупроводников по абсолютной величине обычно на один порядок больше, чем у металлов, и достигает значений (5-10)10-2 К-1. При нагревании металлов на 1 К их сопротивление увеличивается на 0,3-0,5%, тогда как сопротивление полупроводников падает на 3-6% при таком же нагревании. Например, при изменении температуры от 0 до 100С сопротивление полупроводников уменьшается в 20-70 раз для различных типов полупроводников.
В силу зависимости сопротивления полупроводников от температуры ТПС – нелинейные элементы, т.е. между напряжением, приложенным к ПТС и силой тока, проходящей через него нет прямо пропорциональной зависимости. На начальном участке типичная вольт-амперная характеристика линейна, так как при малых токах, соответствующих этому участку, мощность рассеивания на ПТС недостаточна для того, чтобы заметно уменьшить сопротивление. При увеличении силы тока эта мощность становится значительна, и ПТС нагревается выше температуры окружающей среды, а сопротивление его уменьшается. С этого момента ВАХ становится нелинейной, и с увеличением тока напряжение на ПТС падает.
Существуют ПТС с положительным температурным коэффициентом . Такие термосопротивления называются позисторами. Обычно они изготавливаются из керамических материалов, которые при температурах порядка 500-1000К испытывают фазовый переход сегнетоэлектрик-параэлектрик, например, титанат бария (BaTiO4). Поскольку чистые сегнетоэлектрики являются диэлектриками, в них добавляют примесь, которая приводит к появлению примесной проводимости (замещают атом Ba атомом La в BaTiO4). Когда позистор нагревается до температуры фазового перехода Тк, сегнетоэлектрик превращается в параэлектрик, что приводит к резкому возрастанию электрического сопротивления рабочего тела, и с ростом напряжения на позисторе ток падает (рис.3). В отличие от ПТС, падение напряжения на котором при тепловом равновесии не может превышать критического значения Umax, позистор ограничивает прохождение тока.
Рис.3.
Экспериментальная установка.
Схема установки приведена на рис. 4.
Рис.4.
Hа ее верхнюю панель вынесены клеммы для подключения амперметра А, вольтметра V, реостата R. С помощью ключа К в измерительную схему включаются либо позистор П, либо полупроводниковое термосопротивление ТС. При получении вольтамперной характеристики ВАХ позистора реостат с помощью ключа К подключается как делитель напряжения. При измерении ВАХ ПТС реостат является переменным сопротивлением. Поэтому в первом случае, меняя сопротивление реостата, мы меняем падение напряжения на позисторе, а во втором - меняем ток через ТС. Падение напряжения и ток через позистор и ТС фиксируются с помощью вольтметра и амперметра.
Измерения
1. Ознакомиться со схемой.
2. Включить источник питания.
3. Измерить ВАХ ПТС, установив ключ К в соответствующее положение. С помощью реостата, изменяя ток через ТС, получить зависимость падения напряжения на ТС от силы тока. Ток изменяется в интервале 0 - 100 мА с шагом 10 мА. Начиная со значений тока 30 - 50 мA, необходимо выжидать 2 - 3 мин установления динамического равновесия. Равновесие считать достигнутым, если при фиксированном положении бегунка реостата показания вольтметра и амперметра не меняются со временем. При I = 60 - 100 мА время установления увеличивается до 5 - 10 мин.
4. Измерить ВАХ позистора. Для этого переключить ключ К. Изменяя падение напряжения на позисторе в интервале от 0 до 10 В с шагом 1 В, получить зависимость тока, протекающего через позистор, от падения напряжения. Чтобы измеренные точки соответствовали статической ВАХ позистора, необходимо, начиная с напряжения 3 - 4 В, ждать установления теплового равновесия в течение 1 - 3 мин.
5. По данным опыта построить зависимость падения напряжения от тока для ПТС и тока от падения напряжения для позистора.
Контрольные вопросы и задания
1. Каков физический смысл понятия уровня Ферми?
2. Чем объясняется различие температурной зависимости электропроводности у металлов и полупроводников?
3. Объясните зависимость положения уровня Ферми и концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках от температуры.
4. При каких условиях может быть измерена статическая вольт-амперная характеристика полупроводникового термосопротивления?
5. Объясните, почему вольт-амперная характеристика термосопротивления имеет нелинейный характер?
6. Что такое позистор? В чем особенность его вольт-амперной характеристики?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6.8