实验半导体热敏电阻特性的研究

实验半导体热敏电阻特性的研究

实验半导体热敏电阻特性的研究

实验目的

1.研究热敏电阻的温度特性。

2.进一步掌握惠斯通电桥的原理和应用。

实验仪器

箱式惠斯通电桥,控温仪,热敏电阻,直流电稳压电源等。

实验原理

半导体材料做成的热敏电阻是对温度变化表现出非常敏感的电阻元件,它能测量出温度的微小变化,并且体积小,工作稳定,结构简单。因此,它在测温技术、无线电技术、自动化和遥控等方面都有广泛的应用。

半导体热敏电阻的基本特性是它的温度特性,而这种特性又是与半导体材料的导电机制密切相关的。由于半导体中的载流子数目随温度升高而按指数规律迅速增加。温度越高,载流子的数目越多,导电能力越强,电阻率也就越小。因此热敏电阻随着温度的升高,它的电阻将按指数规律迅速减小。

实验表明,在一定温度范围内,半导体材料的电阻RT和绝对温度T的关系可表示为 (4-6-1)

其中常数a不仅与半导体材料的性质而且与它的尺寸均有关系,而常数b仅与材料的性质有关。常数a、b可通过实验方法测得。例如,在温度T1时测得其电阻为RT1(4-6-2)

在温度T2时测得其阻值为RT2 (4-6-3)

将以上两式相除,消去a得再取对数,有(4-6-4)

把由此得出的b代入(4-6-2)或(4-6-3)式中,又可算出常数a,由这种方法确定的常数a和b误差较大,为减少误差,常利用多个T和RT的组合测量值,通过作图的方法(或用回归法最好)来确定常数a、b,为此取(4-6-1)式两边的对数。变换成直线方程: (4-6-5)

或写作 (4-6-6)

式中,然后取X、Y分别为横、纵坐标,对不同的温度T测得对应的RT值,经过变换后作X~Y曲线,它应当是一条截距为A、斜率为B的直线。根据斜率求出b,又由截距可求出a=eA。

确定了半导体材料的常数a和b后,便可计算出这种材料的激活能E=bK(K为玻耳兹曼常数,其值见附录)以及它的电阻温度系数

(4-6-7)

显然,半导体热敏电阻的温度系数是负的,并与温度有关。

热敏电阻在不同温度时的电阻值,可用惠斯通电桥测得。

实验内容

用电桥法测量半导体热敏电阻的温度特性。

1.按图4-6-1实验装置接好电路,安置好仪器。

2.在容器内盛入水,开启直流电源开关,在电热丝中通以2.5A?

3.0A的电流,对水加热,使水温逐渐上升,温度由水银温度计读出。热敏电阻的两条引出线连接到惠斯通电桥的待测电阻RX二接线柱上。

3.测试的温度从20℃开始,每增加5℃,作一次测量,直到85℃止。

数据处理

把实验测量数据填入下表中

温度(度) 升温读数倍率降温读数倍率R0均值1/T lnRT

T20

T25

T30

T35

T40

T45

T50

T55

T60

T65

T70

T75

T80

T85

2.作RT~t曲线。

3.作lnRT~1/T(T=273+t)直线,求此直线的斜率B和截距A,由此算出常数a和b值,有条件者,最好用回归法代替作图法求常数a和b值。

4.根据求得的a、b值,计算出半导体热敏电阻温度系数α。

思考题

1.半导体热敏电阻具有怎样的温度特性?

2.怎样用实验的方法确定(4-6-1)式中的a、b?

利用半导体热敏电阻的温度特性,能否制作一只温度计?

掌握惠斯通电桥的原理:

惠斯通电桥(也称单臂电桥)的电路如图6?2所示,四个电阻R1、R2、Rb、RX组成一个四边形的回路,每一边称作电桥的“桥臂”,在一对对角AD之间接入电源,而在另一对角BC之间接入检流计,构成所谓“桥路”。所谓“桥”本身的意思就是指这条对角线BC而言。它的作用就是把“桥”的两端点联系起来,从而将这两点的电位直接进行比较。B、C两点的电位相等时称作电桥平衡。反之,称作电桥不平衡。检流计是为了检查电桥是否平衡而设的,平衡时检流计无电流通过。用于指示电桥平衡的仪器,除了检流计外,还有其它仪表,它们称为“示零器”。

当电桥平衡时,B和C两点的电位相等,故有

由于平衡时,所以B、C间相当于断路,故有

所以

可得或

这个关系式是由“电桥平衡”推出的结论。反之,也可以由这个关系式推证出“电桥平衡”来。因此称为电桥平衡条件。

如果在四个电阻中的三个电阻值是已知的,即可利用式求出另一个电阻的阻值。这就是应用惠斯通电桥测量电阻的原理。

上述用惠斯通电桥测量电阻的方法,也体现了一般桥式线路的特点,现在重点说明它的几个主要优点:

(1)平衡电桥采用了示零法??根据示零器的“零”或“非零”的指标,即可判断电桥是否平衡而不涉及数值的大小。因此,只须示零器足够灵敏就可以使电桥达到很高灵敏度,从而为提高它的测量精度提供了条件。

(2)用平衡电桥测量电阻方法的实质是拿已知的电阻和未知的电阻进行比较。这种比较测量法简单而精确。如果采用精确电阻作为桥臂,可以使测量的结果达到很高的精确度。

(3)由于平衡条件与电源电压无关,故可避免因电压不稳定而造成的误差。

仪器描述

箱式惠斯通电桥的基本特征是,在恒定比值R1/R2下,变动Rb的大小,使电桥达到平衡。它的线路结构和滑线式电桥相似,它只是把各个仪表都装在木箱内,便于携带,因此叫箱式电桥,其形式多样。现介绍QJ23型携带式直流单臂电桥。

图6-4为其面板布置图,右边四个电阻是比较臂Rb,左上角是比例臂R1/R2,共分七档,右下角两只接线柱是接待测电阻,左上角一对接线柱是外接电源用的。左下角三只接线柱是用来接电流计的,当接线片把下面两接线柱相连时,是使用内部电流计,当接线片把上面两接线柱相连时,内部电流计被短路,然后在下面两接线柱间外接电流计。中间下面两个按扭分别是电源开关(B),电流计开关(G),使用时要注意,测量时应先按B后按G,

断开时要先放开G后放开B。电流计上的旋扭是调节指针零点的,叫做机械调零器。