Реферат Основные типы полупроводниковых датчиков температуры
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. В.Г. БЕЛИНСКОГО
Физико-математический факультет
Кафедра общей физики
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «…………………………………»
на тему:
«………………………………….»
Выполнил: студент (ка) ФМФ
гр. М-41 Ф.И.О.
Проверил:
Пенза - 2010 г.
ПЛАН КУРСОВОЙ РАБОТЫ.
1. ВВЕДЕНИЕ.
2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ.
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ.
4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ.
4.1. Датчики температуры на основе диодов и транзисторов.
4.2. Датчики температуры на основе терморезисторов.
4.3. Пленочные полупроводниковые датчики температуры.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Полупроводниковые нелинейные резисторы
Полупроводниковые нелинейные резисторы – это полупроводниковые приборы, основные свойства которых заключаются в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием управляющих факторов: температуры, напряжения (электрического поля), магнитного поля и др. Они имеют резко выраженную нелинейную вольтамперную характеристику и в зависимость от воздействующего фактора получили название: терморезистора (термистора), варистора, магниторезистора и т. д.
Терморезисторы
Полупроводниковыми термисторами называют объемные нелинейные резисторы, изготовленные из полупроводникового материала с большим температурными коэффициентом сопротивления. Действие терморезистора основано на зависимости сопротивления от температуры.
В зависимости от назначения и способа температурного управления терморезисторы делят на терморезисторы прямого и косвенного подогрева.
В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием тепла, выделяющегося в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения теплового облучения термистора. Наиболее широко применяются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления – термисторы.
Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами – увеличением концентрации носителей заряда, увеличением их подвижности или фазовыми превращения полупроводникового материала.
Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным
коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, а так же в диапазоне температур собственной электропроводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и в другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.
Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из поликристаллических окисных полупроводников.
Электропроводность окисных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании оксида в определенных условиях в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. 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 оксидном полупроводнике оказывается малой и экспоненциально возрастающей с ростом температуры. В результате температурная зависимость сопротивление термистора
Параметры и характеристики терморезисторов
Основной характеристикой терморезистора является температурная зависимость его сопротивления – температурная характеристика. Во всем рабочем диапазоне температур эта зависимость достаточно точно определяется соотношением
где R – условное сопротивление полупроводникового материала при Т→∞; В – коэффициент температурной чувствительности или температурная постоянная;
R ͚ - постоянная, зависящая от материала и размеров терморезистора; Т – абсолютная температура.
При собственной электропроводности
где ∆Е – ширина запрещенной зоны полупроводника.
Для примесного полупроводника В при не полной ионизации примесей и отсутствие компенсации
где ∆
Для практических расчетов удобно исключить постоянную
где
Величина B определяется экспериментально измерением сопротивления терморезистора при двух температурах T0 и T. Логарифмируя выражение (5) , легко получить
Постоянные В и R ͚ легко определить из графика зависимости lnR от
Рис 2.Температурная характеристика резистора
К числу основных параметров терморезисторов относится температурный коэффициент сопротивления α. Он определяется отношением относительного изменения сопротивления терморезистора к изменению его температуры на один градус
Используя формулу (1), можно получить
Температурный коэффициент сопротивления α зависит от температуры, поэтому его приводят для определенной рабочей температуры. Значения α при комнатной температуре различных терморезисторов находится в пределах
При высоких температурах в полупроводниковом материале терморезисторов могут происходить необратимые структурные изменения, в результате которых изменяются параметры прибора. Наибольшую температуру, при которой терморезистор сохраняет стабильность параметров при длительной эксплуатации, называют предельно допустимой.
Важной характеристикой терморезистора является также его статическая вольтамперная характеристика. Статической вольтамперной характеристикой терморезистора называют зависимость падения напряжения на терморезисторе от проходящего через него тока в условиях теплового равновесия между терморезисторами и окружающей средой. Так как терморезисторы обладают тепловой инерцией, то точки дл построения характеристики снимаются через некоторое время выдержки, достаточное для установления теплового равновесия. На рисунке приведена вольтамперная характеристика терморезистора, которая имеет ярко выраженный нелинейных характер. На ней можно выделить три основных участка ОА, АБ, БВ (рис. 3).
Рис.3 Вольтамперная характеристика терморезистора
Линейность характеристик при малых токах ( участок ОА) и напряжениях объясняется тем, что выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры, вследствие этого сопротивление терморезистора практически не меняется и выполняется закон Ома.
При увеличении тока, проходящего через терморезистор, выделяемая в нем мощность увеличивается и терморезистор нагревается выше температуры окружающей среды, что приводит к уменьшению его сопротивления. В результате напряжение на терморезисторе становиться меньше той величины, которая должна быть, если бы его сопротивление было постоянным. Крутизна вольтамперной характеристики уменьшается – участок АБ. При некотором токе напряжение достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении тока на участке БВ уменьшение сопротивления терморезистора оказывается столь сильным, что рост тока ведёт к уменьшению напряжения на терморезисторе и появляется участок вольтамперной характеристики с отрицательным сопротивлением.
Вид вольтамперной характеристики данного терморезистора существенно зависит от условий теплообмена с окружающей средой и соответственно от состояния среды. Поэтому каждый терморезистор может иметь множество вольтамперных характеристик, что иллюстрирует рисунок 4, где кривая 1 соответствует наилучшему теплоотводу, а кривая 2 – наихудшему.
Рис. 4
Для каждой точки вольтамперной характеристики терморезистора справедливо уравнение теплового баланса между мощностью, выделяющейся в терморезисторе из-за проходящего тока, и мощностью, которую он рассеивает в окружающую среду:
где I, U – ток и падение напряжения на термисторе, R – сопротивление терморезистора, Т – температура рабочего тела терморезистора,
Подставляя значение R из * получим:
Полученное выражение является уравнением статической вольтамперной характеристикой терморезистора в параметрической форме. Отсюда следует, что вид вольтамперной характеристики определяется коэффициентом рассеяния Н, коэффициентом температурной чувствительности В, условным сопротивлением
Увеличение коэффициента температурной чувствительности В приводит к смещению положения максимума вольтамперной характеристики в сторону меньших токов, а крутизна падающего участка возрастает. При уменьшении коэффициента рассеяния Н происходит более интенсивный разогрев терморезистора и точка перегиба на вольтамперной характеристике достигается при более низких мощностях, т.е. меньших точках и напряжениях.
При увеличении температуры окружающей среды
Болометры
Полупроводниковый болометр – это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения (оптического или инфракрасного диапазона частот электромагнитного излучения).
Обычно болометр состоит из двух плёночных термисторов. Один из термисторов болометра является активным, т.е. непосредственно подвергается воздействию измеряемого изучения. Сопротивление этого термистора изменяется в результате нагрева при облучении электромагнитным излучением оптического или инфракрасного диапазона частот. Второй термистор – компенсационный, служит для компенсации возможных изменений температуры окружающей среды. Компенсационный термистор должен быть экранирован от измеряемого излучения. Активный и компенсационный термисторы помещают в один герметичный корпус.
Для характеристики болометров использую следующие параметры:
1) сопротивление активного термистора болометра при комнатной температуре; 2) рабочее напряжение; 3) чувствительность при определенной частоте модуляции лучистого потока, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра на вход усилителя, к мощности излучения, падающего на болометр; 4) порог чувствительности, численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов болометра; 5) постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного термистора; 6) уровень собственных шумов.
Полупроводниковые болометры применяют в различных системах ориентации; для бесконтактного и дистанционного измерения температур и т. д.
Терморезисторы косвенного подогрева
Терморезистор косвенного подогрева – это термистор, имеющий дополнительный источник тепла – подогреватель.
Конструктивное выполнение термисторов косвенного подогрева может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других случаях сам термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрева. Общим для всех конструкций термисторов косвенного подогрева является наличие у них двух электрически изолированных друг от друга цепей – управляющей и управляемой.
Кроме таких параметров , как номинальное сопротивление и коэффициент температурной чувствительности, термисторы косвенного подогрева имеют свои специфические характеристики и параметры.
Статические вольтамперные характеристики термистора косвенного подогрева снимают при различных токах через подогреватель.
Подогревная характеристика – это зависимость сопротивления термистора косвенного подогрева от мощности, выделяемой в спирали подогревной обмотки.
Для получения наибольшей чувствительности термистора косвенного подогрева, т. е. наибольшего изменения сопротивления , его следует использовать в режимах, при которых мощностью, выделяемой в самом термочувствительном элементе проходящем через него током, можно было пренебречь.
Коэффициент тепловой связи – это отношение мощности Рт , необходимой для разогрева термочувствительного элемента до некоторой температуры при прямом нагреве, к мощности Рпод, необходимой для разогрева до той же температуры при косвенном подогреве, т. е. путем пропускания тока через подогреватель:
К= Рт/ Рпод (12),
Обычно для определения коэффициента тепловой связи термистор косвенного подогрева разогревают до так называемого горячего сопротивления термистора при максимальной мощности, выделяемой в подогревателе. Коэффициент тепловой связи обычно находится в пределах от 0,5 до 0,97, т. е. меньше единицы, так как часть тепла, выделяемая подогревателем, неизбежно теряется.
Постоянные времени. Тепловая инерционность термисторов косвенного подогрева характеризуется двумя постоянными времени. За величину первой постоянной принимают время, в течение которого температура термочувствительного элемента изменяется в е раз по отношению к установившемуся значению при мгновенном изменении мощности в цепи подогревателя. Вторая постоянная времени характеризует задержку в изменении температуры термочувствительного элемента по отношению к изменению температуры подогревателя. Таким образом, первая постоянная времени характеризует тепловую инерционность всей конструкции термистора косвенного подогрева; вторая постоянная времени – тепловую инертность термочувствительного элемента.
Применение терморезисторов
Области применения полупроводниковых терморезисторов многообразны. В зависимости от назначения схемы, терморезисторы работают в двух основных режимах. При малых напряжениях ток, протекающий через терморезистор, не вызывает его заметного разогрева и определяется по закону Ома
При увеличении тока, протекающего через терморезистор, его температура значительно превышает температуру окружающей среды. Поэтому колебания температуры окружающей среды играют второстепенную роль. Рабочим участком вольтамперной характеристики является падающий участок. В этом режиме терморезистор применяют для стабилизации напряжения, измерения мощности СВЧ-сигналов, в качестве пусковых сопротивлений, реле времени, предохранителей от перенапряжения, для измерения вакуума, скорости потока жидкости и газов и т.д.
Терморезисторы изготавливаются из поликристаллических полупроводников с большим коэффициентом сопротивления. Чаще всего для этой цели используют оксиды металлов переходного ряда периодической системы элементов или смеси оксидов этих металлов, например, никеля и марганца; никеля, марганца и кобальта; титана и магния и д. р.
Для измерения низких температур от азотных 77 К до гелиевых 4К используют терморезисторы из графита.
Применяются также терморезисторы, изготовленные из германия и кремния. Введение в эти полупроводники примесей позволяет подобрать оптимальный температурный коэффициент сопротивления для заданного интервала температур. Монокристаллические терморезисторы обладают большей стабильностью и надежностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы: учеб. для вузов. / В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. – СПб.: Лань, 2006. – 480 с.
2. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы: учеб. для вузов. / В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. – М.: Высшая школа, 1987. – 479 с.
3. Морозова И.Г.Физика электронных приборов: учеб. для вузов. / И.Г. Морозова. - М.: Атомиздат, 1980. – 392 с.
4. Городецкий А. Ф. Полупроводниковые приборы. / А. Ф. Городецкий, А. Ф. Кравченко. – М.: Высшая школа, 1967. – 348 с.
