Методические указания к лабораторной работе по курсу “Физические основы электроники” для студентов специальностей 2007 Радиотехника (стр. 1 из 5)

Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РЕЗИСТОРОВ

Методические указания к лабораторной работе по курсу

“Физические основы электроники”

для студентов специальностей 2007 - Радиотехника,

2015 - Бытовая радиоэлектронная аппаратура,

2016 - Радиоэлектронные системы

Екатеринбург 1999

УДК 621.38

Составитель: А.В.Болтаев

Научный редактор: доц., канд.техн.наук В.И.Елфимов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РЕЗИСТОРОВ: Методические указания к лабораторной работе по курсу “Физические основы электроники”/А.В.Болтаев. Екатеринбург: УГТУ, 1999. 29 с.

Методические указания содержат описание устройства, принципов действия, основных характеристик и параметров варисторов, терморезисторов, фоторезисторов, описание экспериментальной установки, лабораторное задание, рекомендации по обработке результатов эксперимента и оформлению отчета, вопросы для самопроверки, справочные данные исследуемых приборов.

Библиогр. 9 назв. Рис. 11. Табл. 4. Прил. 5.

Подготовлено кафедрой “Радиоэлектроника

информационных систем"

С Уральский государственный

технический университет, 1999

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с физическими основами работы, характеристиками и параметрами полупроводниковых резисторов - варисторов, терморезисторов, фоторезисторов, исследовать зависимость их параметров и характеристик от напряжения и температуры, развить умения экспериментального исследования.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
РЕЗИСТОРАХ

Резистор - это элемент электронной техники, основным используемым свойством которого является его электрическое сопротивление.

Полупроводниковые резисторы - это множество видов резисторов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов и использующих зависимость их электрического сопротивления от разнообразных воздействующих на резистор факторов. Соответственно выделяют:

- варисторы (зависимость R от напряжения U);

- терморезисторы (от температуры Т);

- фоторезисторы (от светового потока Ф);

- магниторезисторы (от магнитного поля В);

- тензорезисторы (от механического давления Р).

Условные обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис.1.

Наличие полупроводниковых резисторов с таким широким спектром зависимостей позволяет использовать их в разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуре для решения множества разнообразных задач:

- в качестве датчиков для измерения соответствующего параметра (U, Т, Ф, В, Р);

- в устройствах стабилизации параметров объектов;

- в системах сигнализации и защиты от перегрузок;

- в системах регулирования физических величин;

- в системах преобразования сигналов.

3. ВАРИСТОР

Варистор - это нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Маркировка - цифробуквенное обозначение варисторов (напр. СН 1-2-2) содержит информацию:

- СН - сопротивление нелинейное, т.е. варистор;

- 1-я цифра означает материал (1 - карбид кремния, 2 - селен);

- 2-я цифра (через дефис) - тип конструкции (1, 8 - стержневой, 2,6,7,10 - дисковый, 3 - микромодульный);

- 3-я цифра - порядковый номер разработки (как в нашем примере), или величину классификационного напряжения варистора (напр. СН1-10-47). Вольтамперная характеристика (ВАХ) варистора нелинейна и симметрична (рис.2).

4

3.1. Устройство, принцип действия, вольтамперная характеристика варистора

Чтобы получить такую зависимость J(U) варисторы изготавливают в основном из карбида кремния SiC, порошкообразные зерна которого размером
20 - 180 мкм перемешивают с 10 - 40 % связующего диэлектрического материала - глины, керамики, прессуют и обжигают при высокой температуре. В результате варистор представляет собой внутри конгломерат зерен с самой разной величиной зазоров и площадей соприкосновения.

При приложении малых напряжений напряженность поля в объеме варистора мала, ток будет протекать только через места непосредственного соприкосновения кристаллических зерен, будет мал и пропорционален напряжению (участок ОА на рис.2 практически линеен). С ростом напряжения (рис.2, рабочая область АВ) общее сопротивление варистора уменьшается за счет действия следующих явлений, происходящих на точечных контактах и поверхности кристаллов SiC:

а) тепловой эффект - нагрев точечных контактов кристаллов SiC, ведущий к уменьшению сопротивления между ними;

б) электростатическая эмиссия (туннелирование) с острых зубцов и граней кристаллов карбида кремния;

в) пробой оксидных пленок, образующихся на поверхности кристаллов.

Чем выше напряжение, тем с большими зазорами между кристаллами подключаются участки, эффективное сечение, через которое течет ток, увеличивается. Практически все напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах.

При мелкозернистой структуре эти механизмы практически не зависят от полярности приложенного напряжения - соответственно ВАХ варистора получается симметричной.

3.2. Основные параметры варисторов

1. Классификационный ток Jкл - ток, при котором определяются основные параметры варистора, соответствует рабочей области ВАХ.

У большинства варисторов Jкл лежит в пределах 2 - 20 мА, у высоковольтных равен 0,05 мА.

2. Классификационное напряжение Uкл - это напряжение на варисторе, соответствующее классификационному току Jкл. Разработано множество варисторов с Uкл в диапазоне от 5 В до 25 кВ.

3. Асимметрия ВАХ d_u [%]

Оценивается на уровне классификационного тока и обычно не превышает
± (5 - 20)%.

5

4. Статическое сопротивление R - значение сопротивления варистора в заданном режиме при постоянных величинах тока и напряжения.

.

5. Динамическое (дифференциальное) сопротивление r - сопротивление варистора малому переменному току.

.

Динамическое сопротивление r может быть определено по наклону ВАХ варистора в рассматриваемой рабочей точке.

6. Коэффициент нелинейности b - это отношение статического сопротивления к динамическому в рабочем режиме:

.

В справочниках величины b приводятся для Uкл.

В среднем в рабочей области напряжений у варисторов из карбида кремния b =3 - 6, но имеются варисторы с b ³ 2 (низковольтные) и с
b = 5 - 10 (высоковольтные).

7. Диапазон рабочих температур варисторов лежит в пределах от
Т_min = -(40 - 60)⁰ С до Т_мax = +(70 - 125)⁰ С.

8. Температурный коэффициент тока варистора ТКJ равен относительному изменению тока при изменении температуры при постоянном напряжении на варисторе.

6

Обычно ТКJ варисторов определяется при Т₁ = 20⁰ С и Т₂ = 100⁰ С и не превышает величины 0,7 % / град.

9. Температурный коэффициент сопротивления

= -ТКJ < 0

U

имеет величины в диапазоне 0 - -0,7%/град.

10. Допустимая рассеиваемая мощность Р_РАСС - мощность, при которой варистор сохраняет свои параметры в заданных техническими условиями пределах в течение срока службы. Существуют варисторы с Р_РАСС от 10 мВт до
3 Вт.

11. Наибольшая начальная емкость С_о имеет величины от единиц до сотен пФ у различных типов варисторов.

3.3. Характеристики варисторов

Основные характеристики варисторов:

- вольтамперная (см.рис.2);

- зависимость статического R и динамического r сопротивлений от напряжения (рис.3,а);

- зависимость коэффициента нелинейности b от напряжения (рис.3,б).

7

Качественно ход ВАХ варистора пояснен выше (разд. 3.1), отдельные участки ВАХ (в пределах которых величина b изменяется незначительно) можно аппроксимировать выражением

J = A · U^b ,

где А - коэффициент, зависящий от типа варистора, температуры;

b - коэффициент нелинейности варистора.

4. ТЕРМОРЕЗИСТОР

Терморезистор - это резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры.

Разработаны следующие разновидности терморезисторов:

1. Термистор - терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры уменьшается.

2. Позистор - терморезистор, сопротивление которого с ростом температуры очень сильно возрастает.

3. Терморезистор прямого подогрева, температура и сопротивление которого определяются температурой окружающей среды и саморазогревом от протекающего через него тока.