Измерение температуры термоэлектрическим и терморезистивным методами

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где ρ - удельное сопротивление, μn — подвижность электронов, μp — подвижность дырок, Nn,p — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602×10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

 

Электронный полупроводник n-типа

 

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

 

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

 

Дырочный полупроводник p-типа

 

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

 

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

 

2,4 Термоэлектрика.

Это процессы относится к физике твёрдого тела, в части термоэлектрические явления описывается связь между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. К их числу принадлежат явление Зеебека, явление Пельтье и явление Томсона.

Рис. 1.

Зеебека Явление. Зеебек обнаружил в 
1821 г., что в случае, если спаи 1 и 2 двух 
разнородных металлов, образующих зам- 
кнутую цепь (рис. 63.1), имеют неодинако- 
вую температуру, в цепи течет электриче- 
ский ток. Изменение знака у разности тем- 
ператур спаев сопровождается изменением 
направления тока. 
2 Термоэлектродвижущая   сила   (сокра-

щенно   термо-э. д. с.)   обусловлена   тремя

причинами: 1) зависимостью уровня Ферми от температуры, 2) диффузией электронов (или дырок) и 3) увлечением электронов фононами.

Уровень Ферми зависит от температуры (см. формулу (52.10)). Поэтому скачок потенциала при переходе из одного металла в другой (т. е. внутренняя контактная разность потенциалов; см. (62.2)) для спаев, находящихся при разных температурах, неодинаков, и сумма скачков потенциала отлична от нуля. Одного этого было бы достаточно для возникновения действующей в указанном на рис. 1 направлении э. д. с, равной

Последнее выражение можно представить следующим образом:

 

 

Чтобы понять вторую причину возникновения термо-э. д. с~, рассмотрим однородный металлический проводник, вдоль которого имеется градиент температуры (рис. .2). В этом случае концентрация электронов с Е > Ер,. у нагретого конца будет больше чем   у   холодного;   концентрация   электронов с Е < Ер будет, наоборот, у нагретого конца меньше. Вдоль проводника возникнет гра-. диент концентрации электронов с данным значением энергии,, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных — к теплому. Диффузионный поток быстрых электронов будет больше, чем поток медленных электронов. Поэтому вблизи холодного конца образуется избыток электронов, а вблизи горячего — их-Недостаток. Это приводит к возникновению диффузионного слагаемого -термо-э. д. с.

 

Рис.2

 

 

Третья причина возникновения термо-э. д. с. заключается в увлечении электронов фононами. При наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к менее нагретому. В результате происходит накапливание электронов на холодном конце и обеднение электронами горячего конца, что приводит к возникновению «фононного» слагаемого термо-э. д. е.

Оба процесса — диффузия электронов и увлечение электронов фононами — приводят к образованию избытка электронов вблизи холодного конца проводника и недостатка их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникнет электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. При определенном, вообще говоря, своем для каждого сечения проводника, значении поля сумма диффузионного и фо-нонного потоков электронов становится равной нулю, и, следовательно, устанавливается стационарное состояние. Напряженность этого поля можно представить в виде где

(2.1)

где

(2.2)   Соотношение (2,1) связывает напряженность Е* с градиентом температуры dT/dl. Возникающее поле и градиент температуры имеют противоположные направления. Поэтому Е* и dT/dl имеют разные знаки. Следовательно, для металлов β>0»).

Описанный процесс возникновения поля Е* внутри неравномерно нагретого проводника имеет место и в полупроводниках. У полупроводников n-типа β > 0. В случае дырочной проводимости дырки, диффундируя в большем числе к холодному концу, создают вблизи него избыточный положительный заряд. К такому же результату приводит увлечение дырок фононами. Поэтому у полупроводников р-типа потенциал холодного конца будет выше, чем потенциал нагретого и, следовательно, β <. 0.

Определяемое выражением (63.2) поле является полем сторонних сил. Проинтегрировав напряженность этого поля по участку цепи А от спая 2 до спая /, получим термо-э. д. с, действующую на этом участке1) в направлении, указанном стрелкой на рис. 1:

 

(мы поменяли местами  пределы интегрирования). Аналогично  термо-э. д. с, действующая на участке В от спая I до спая 2, равна

Термоэлектродвижущая сила Εтермо слагается из э. д. с, возникающих в контактах, и э. д. с, действующих на участках А и В:

Подставив выражения (63.1), (63.4) и (63.5) и произведя несложные преобразования, получим

Величина

 называется коэффициентом термоэлектродвижущей силы. Поскольку и р, и dEF/dT зависят от температуры, коэффициент а является функцией Т.

Приняв во внимание (63.6), выражение для термо-э. д. с, можно представить в виде

 Или

 Где

 Величину (63.9) называют дифференциальной или удельной термоэлектродвижущей силой данной пары металлов или полупроводников. Для большинства пар металлов алв имеет порядок Ю-5 Ю-4 В/К; для полупроводников она может оказаться гораздо больше (до 1,5-10-3 В/К). Это объясняется тем, что у полупроводников с разным типом проводимости а имеет разные знаки, вследствие чего |алв| = = \ал\ + \ав\.

В отдельных случаях удельная термо-э. д. с. слабо зависит от температуры. Тогда формулу (63.8) можно приближенно представить в виде

Однако, как правило, с увеличением разности температур спаев ^термо изменяется не по линейному закону, а довольно сложным образом, вплоть до того, что может менять знак. Так, например, если один спай пары железо — медь поддерживать при 0°С, то при температуре второго спая, равной примерно 540°С, термо-э.д. с. обращается в нуль; при более низкой температуре спая Етермо имеет один знак, при более высокой — другой.

Явление Зеебека используется для измерения температур. Соответствующее устройство называется термопарой. Один спай термопары поддерживают при постоянной температуре (например, при 0°С), другой помещают в ту среду, температуру которой хотят измерить. О величине температуры можно судить по силе возникающего термотока, измеряемой гальванометром. Более точный результат получается, если измерять возникающую термо-э. д. с. по методу компенсации. Предварительно термопару градуируют. С помощью термопар можно измерять с точностью порядка сотых долей градуса как низкие, так и высокие температуры.

В качестве источников тока термопары из металлов и их сплавов не используются вследствие весьма низкого к. п. д. (не более 0,5%). Термопары из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим к. п. д. (порядка 10%). Они уже нашли применение в качестве небольших генераторов для питания радиоаппаратуры. Разрабатываются генераторы мощностью в сотни киловатт.

3. принципы действия :

3,1Принцип действия термопреобразователя  сопротивления основан на свойстве  проводников и полупроводников  изменять свое электрическое  сопротивление при изменении  их температуры.

Металлические термометры сопротивления платиновые (ТСП) градуировки гр. 20 используются при длительных измерениях в пределах от 0 до 650 °С, а термометры градуировок гр. 21 и гр. 22 - с другими номинальными сопротивлениями при температуре — от —200 до +500 °С. Термометры сопротивления медные (ТСМ) изготавливаются градуировок гр. 23 и гр. 24 для измерения температур от —50 до + 180°С [1].

Величину a, характеризующую изменение электросопротивления металлов при изменении температуры, называют температурным коэффициентом сопротивления. Если Rt электрическое сопротивление при некоторой температуре t, a Rо электрическое сопротивление при 0°С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле

 

 

 

Для изготовления термометров сопротивления используются металлы: Pt, Cu, Ni, Fe.

Медь (Cu). К достоинствам меди следует отнести дешевизну, легкость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий температурный коэффициент a и линейную зависимость сопротивления от температуры.

Недостатки: малое удельное сопротивление (р = 0,017 ом·мм2/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100° С.

Никель и железо (Ni и Fe). Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом a и относительно большим удельным сопротивлением.

Однако этим металлам присущи и недостатки. Никель и железо трудно получить в чистом виде, что препятствует изготовлению взаимозаменяемых термометров сопротивления. Зависимости сопротивления железа и, особенно, никеля от температуры выражаются кривыми, которые не могут быть представлены в виде простых эмпирических формул. Никель и, особенно, железо легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изготовления термометров сопротивления.

 

3,2Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) изготавливаются из окислов различных металлов с добавками. Наибольшее распространение имеют термометры сопротивления кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ), использумые для измерения температур в пределах от —90 до +180 °С. Используемые материалы: оксиды Ti, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ge.

   Термисторы с отрицательным  ТКС являются высокочувствительными, нелинейными устройствами с узким  диапазоном, сопротивление которых  уменьшается при увеличении температуры.  На рис.3 изображена кривая, показывающая изменение сопротивления в зависимости от температуры и представляющая собой типовую температурную зависимость сопротивления. Чувствительность – приблизительно 4-5 %/оС. Имеется большой диапазон номиналов сопротивлений, и изменение сопротивления может достигать многих ом и даже килоом на градус.

 

               R

            Ro

 

 

 

 

 

 

      To

 

Рис.3 Термисторы с отрицательным ТКС очень чувствительны и в значительной

            Степени нелинейны. Rо может быть в омах, килоомах или мегоомах:

1-отношение сопротивлений R/Rо; 2- температура в оС 

                   

                 По существу термисторы представляют  собой полупроводниковую керамику. Они изготавливаются на основе  порошков окислов металлов (обычно  окислов никеля и марганца), иногда  с добавкой небольшого количества  других окислов. Порошкообразные  окислы смешиваются с водой  и различными связующими веществами  для получения жидкого теста, которому придаётся необходимая  форма и которое обжигается  при температурах свыше 1000 оС.