Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры
При изменении температуры изменяется проводимость чистых металлов, сплавов и полупроводников.
Экспериментально установлено, что при повышении температуры сопротивление металлов увеличивается. При не слишком низких температурах сопротивление металлов растет пропорционально абсолютной температуре Т:
где – сопротивление при температуре , — постоянный коэффициент, приблизительно равный 1/273 К -1 .
Соотношение (1) можно представить в виде
где – температура в o С, т.е. температурная зависимость сопротивления металлов линейна (рис.2).
Причинами электрического сопротивления в металлах являются посторонние примеси и физические дефекты кристаллической решетки металла, а также тепловое движение атомов металла, амплитуда колебаний которых зависит от температуры. Подвижность свободных носителей заряда (электронов) уменьшается при повышении температуры из-за возрастания числа столкновений с атомами кристаллической решетки металла, что приводит к росту сопротивления.
У полупроводников с ростом температуры подвижности носителей заряда (электронов и дырок) тоже падают, но это не играет заметной роли, т.к. рост концентрации является преобладающим. В результате сопротивление полупроводников с увеличением температуры Т практически уменьшается по экспоненциальному закону (рис.2):
где R0 , b – константы, зависящие от природы полупроводника, e – основание натуральных логарифмов.
На рис.2 приведена зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры, эта зависимость носит резко выраженный характер.
Термометры сопротивления. Терморезисторы (термисторы)
Сопротивление металлов при изменении температуры на 1 К изменяется примерно на 0,4 – 0,6 %, у полупроводников соответствующее изменение сопротивления в 8 – 10 раз больше, чем у металлов.
Это свойство металлов и полупроводников используется для измерения температуры. Приборы, основанные на зависимости сопротивления металлов от температуры, называются термометрами сопротивления, в случае полупроводников – терморезисторами или термисторами.
Термометры сопротивления изготовляются из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из изолирующего материала. Они имеют линейную характеристику R = f (t).
Чувствительным элементом терморезистора (термистора) является кристаллический полупроводник, имеющий очень малые размеры, что делает терморезисторы очень удобными для медицинских и биологических исследований.
Миниатюрными термисторами измеряют температуру разных участков кожи больного, крошечные чувствительные элементы термисторов можно вводить прямо в кровеносный сосуд. Вследствие малых размеров терморезисторы обладают малой теплоемкостью, что значительно повышает точность измерения температуры. Чувствительность некоторых термисторов настолько велика, что на их основе строят особые приемники лучистой энергии – болометры. Болометры могут уловить за несколько километров инфракрасные (тепловые лучи), испускаемые человеческой кожей.
Существенным недостатком терморезистора является нелинейность его характеристики. Однако характеристики отдельных элементов отличаются высокой стабильностью во времени.
Для измерения температуры термометрами сопротивления и терморезисторами их предварительно градуируют, т.е. строят график зависимости сопротивления R от температуры t.
Зависимость сопротивления проводника от температуры
Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.
Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:
где ρ и ρ0, R и R0 — соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α — температурный коэффициент сопротивления, [α] = град -1 .
Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:
Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника.
С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.
График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры
Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается.
Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления,однако всегда температурный коэффициент сопротивления — α <0.
Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2.
Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры
Ддя полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для элетролитов.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Как зависит сопротивление от температуры
В своей практической деятельности каждый электрик встречается с разными условиями прохождения носителей зарядов в металлах, полупроводниках, газах и жидкостях. На величину тока влияет электрическое сопротивление, которое различным образом изменяется под влиянием окружающей среды.
Одним из таких факторов является температурное воздействие. Поскольку оно значительно изменяет условия протекания тока, то учитывается конструкторами в производстве электрооборудования. Электротехнический персонал, участвующий в обслуживании и эксплуатации электроустановок, обязан грамотно использовать эти особенности в практической работе.
Влияние температуры на электрическое сопротивление металлов
В школьном курсе физики предлагается провести такой опыт: взять амперметр, батарейку, отрезок проволоки, соединительные провода и горелку. Вместо амперметра с батарейкой можно подключить омметр или использовать его режим в мультиметре.
Далее необходимо собрать электрическую схему, показанную на картинке и замерить величину тока в цепи. Его значение показано на шкале миллиамперметра стрелкой черного цвета.
Теперь поднесем пламя горелки к проволоке и станем ее нагревать. Если смотреть на амперметр, то будет видно, что стрелка станет перемещаться влево и достигнет положения, отмеченного красным цветом.
Результат опыта демонстрирует, что при нагревании металлов их проводимость уменьшается, а сопротивление возрастает.
Математическое обоснование этого явления приведено формулами прямо на картинке. В нижнем выражении хорошо видно, что электрическое сопротивление «R» металлического проводника прямо пропорционально его температуре «Т» и зависит еще от нескольких параметров.
Как нагрев металлов ограничивает электрический ток на практике
Ежедневно при включении освещения мы встречаемся с проявлением этого свойства у ламп накаливания. Проведем несложные измерения на лампочке с мощностью 60 ватт.
Самым простым омметром, питающемся от низковольтной батарейки 4,5 V, замерим сопротивление между контактами цоколя и увидим значение 59 Ом. Этой величиной обладает нить накала в холодном состоянии.
Вкрутим лампочку в патрон и через амперметр подключим к ней напряжение домашней сети 220 вольт. Стрелка амперметра покажет 0,273 ампера. По закону Ома для участка цепи определим сопротивление нити в нагретом состоянии. Оно составит 896 Ом и превысит предыдущее показание омметра в 15,2 раза.
Такое превышение предохраняет металл тела накала от перегорания и разрушения, обеспечивая его длительную работоспособность под напряжением.
Переходные процессы при включении
При работе нити накала на ней создается тепловой баланс между нагревом от проходящего электрического тока и отводом части тепла в окружающую среду. Но, на первоначальном этапе включения при подаче напряжения возникают переходные процессы, создающие бросок тока, который может привести к перегоранию нити.
Переходные процессы протекают за короткое время и вызваны тем, что скорость возрастания электрического сопротивления от нагрева металла не успевает за увеличением тока. После их окончания устанавливается рабочий режим.
Во время длительного свечения лампы постепенно толщина ее нити доходит до критического состояния, которое приводит к перегоранию. Чаще всего этот момент возникает при очередном новом включении.
Для продления ресурса лампы различными способами уменьшают этот бросок тока, используя:
1. устройства, обеспечивающие плавную подачу и снятие напряжения;
2. схемы последовательного подключения к нити накала резисторов, полупроводников или терморезисторов (термисторов).
Пример одного из способов ограничения пускового тока для автомобильных светильников показан на картинке ниже.
Здесь ток на лампочку подается после включения тумблера SA через предохранитель FU и ограничивается резистором R, у которого номинал подбирается так, чтобы бросок тока во время переходных процессов не превышал номинальное значение.
При нагреве нити накала ее сопротивление возрастает, что ведет к увеличению разности потенциалов на ее контактах и параллельно подключенной обмотке реле KL1. Когда напряжение достигнет величины уставки реле, то нормально открытый контакт KL1 замкнется и зашунтирует резистор. Через лампочку начнет протекать рабочий ток уже установившегося режима.
Влияние температуры металла на его электрическое сопротивление используется в работе измерительных приборов. Их называют термометрами сопротивления.
Их чувствительный элемент выполняют тонкой проволочкой из металла, сопротивление которой тщательно замерено при определенных температурах. Эту нить монтируют в корпусе со стабильными термическими свойствами и закрывают защитным чехлом. Созданная конструкция помещается в среду, температуру которой необходимо постоянно контролировать.
На выводы чувствительного элемента монтируются провода электрической схемы, которыми подключается цепь замера сопротивления. Его величина пересчитывается в значения температуры на основе ранее произведенной калибровки прибора.
Бареттер — стабилизатор тока
Так называют прибор, состоящий из стеклянного герметичного баллона с газообразным водородом и металлической проволочной спиралью из железа, вольфрама или платины. Эта конструкция по внешнему виду напоминает лампочку накаливания, но она обладает специфической вольт-амперной нелинейной характеристикой.
На ВАХ в определенном ее диапазоне образуется рабочая зона, которая не зависит от колебаний приложенного на тело накала напряжения. На этом участке бареттер хорошо компенсирует пульсации питания и работает в качестве стабилизатора тока на подключенной последовательно к нему нагрузке.
Работа бареттера основана на свойстве тепловой инерции тела накала, которая обеспечивается маленьким сечением нити и высокой теплопроводностью окружающего ее водорода. За счет этого при снижении напряжения на приборе ускоряется отвод тепла с его нити.
Это основное отличие бареттера от осветительных ламп накаливания, в которых для поддержания яркости свечения стремятся уменьшить конвективные потери тепла с нити.
В обычных условиях среды при охлаждении металлического проводника происходит уменьшение его электрического сопротивления.
При достижении критической температуры, близкой к нулю градусов по системе измерения Кельвина, происходит резкое падение сопротивления до нулевого значения. На правой картинке показана такая зависимость для ртути.
Это явление, названное сверхпроводимостью, считается перспективной областью для исследований с целью создания материалов, способных значительно снизить потери электроэнергии при ее передаче на огромные расстояния.
Однако, продолжающиеся изучения сверхпроводимости выявили ряд закономерностей, когда на электрическое сопротивление металла, находящегося в области критических температур, влияют другие факторы. В частности, при прохождении переменного тока с повышением частоты его колебаний возникает сопротивление, величина которого доходит до диапазона обычных значений у гармоник с периодом световых волн.
Влияние температуры на электрическое сопротивление/проводимость газов
Газы и обычный воздух являются диэлектриками и не проводят электрический ток. Для его образования нужны носители зарядов, которыми выступают ионы, образующиеся в результате воздействия внешних факторов.
Нагрев способен вызвать ионизацию и движение ионов от одного полюса среды к другому. Убедиться в этом можно на примере простого опыта. Возьмем то же оборудование, которым пользовались для определения влияния нагрева на сопротивление металлического проводника, только вместо проволоки к проводам подключим две металлические пластины, разделенные воздушным пространством.
Подсоединенный к схеме амперметр покажет отсутствие тока. Если между пластинами поместить пламя горелки, то стрелка прибора отклонится от нулевого значения и покажет величину проходящего через газовую среду тока.
Таким образом установили, что в газах при нагревании происходит ионизация, приводящая к движению электрически заряженных частиц и снижению сопротивления среды.
На значении тока сказывается мощность внешнего приложенного источника напряжения и разность потенциалов между его контактами. Она способна при больших значениях пробить изоляционный слой газов. Характерным проявлением подобного случая в природе является естественный разряд молнии во время грозы.
Примерный вид вольт-амперной характеристики протекания тока в газах показан на графике.
На начальном этапе под действие температуры и разности потенциалов наблюдается рост ионизации и прохождение тока примерно по линейному закону. Затем кривая приобретает горизонтальное направление, когда увеличение напряжения не вызывает рост тока.
Третий этап пробоя наступает тогда, когда высокая энергия приложенного поля так разгоняет ионы, что они начинают соударяться с нейтральными молекулами, массово образуя из них новые носители зарядов. В результате ток резко возрастает, образуя пробой диэлектрического слоя.
Практическое использование проводимости газов
Явление протекания тока через газы используется в радиоэлектронных лампах и люминесцентных светильниках.
Для этого внутри герметичного стеклянного баллона с инертным газом располагают два электрода:
У люминесцентной лампы они выполнены в виде нитей накала, которые разогреваются при включении для создания термоэлектронной эмиссии. Внутренняя поверхность колбы покрыта слоем люминофора. Он излучает видимый нами спектр света, образующийся при инфракрасном облучении, исходящем от паров ртути, бомбардируемых потоком электронов.
Ток газового разряда возникает при приложении напряжения определенной величины между электродами, расположенными по разным концам колбы.
Когда одна из нитей накала перегорит, то на этом электроде нарушится электронная эмиссия и лампа гореть не будет. Однако, если увеличить разность потенциалов между катодом и анодом, то снова возникнет газовый разряд внутри колбы и свечение люминофора возобновится.
Это позволяет использовать светодиодные колбы с нарушенными нитями накала и продлять их ресурс работы. Только следует учитывать, что при этом в несколько раз надо поднять на ней напряжение, А это значительно повышает потребляемую мощность и риски безопасного использования.
Влияние температуры на электрическое сопротивление жидкостей
Прохождение тока в жидкостях создается в основном за счет движения катионов и анионов под действием приложенного извне электрического поля. Лишь незначительную часть проводимости обеспечивают электроны.
Влияние температуры на величину электрического сопротивления жидкого электролита описывается формулой, приведенной на картинке. Поскольку в ней значение температурного коэффициента α всегда отрицательно, то с увеличением нагрева проводимость возрастает, а сопротивление падает так, как показано на графике.
Это явление необходимо учитывать при зарядке жидкостных автомобильных (и не только) аккумуляторных батарей.
Влияние температуры на электрическое сопротивление полупроводников
Изменение свойств полупроводниковых материалов под воздействием температуры позволило использовать их в качестве:
Таким названием обозначают полупроводниковые приборы, изменяющие свое электрическое сопротивление под влиянием тепла. Их температурный коэффициент сопротивления (ТКС) значительно выше, чем у металлов.
Величина ТКС у полупроводников может иметь положительное или отрицательное значение. По этому параметру их разделяют на позитивные «РТС» и негативные «NTC» термисторы. Они обладают различными характеристиками.
Для работы терморезистора выбирают одну из точек на его вольт-амперной характеристике:
линейный участок применяют для контроля температуры либо компенсации изменяющихся токов или напряжений;
нисходящая ветвь ВАХ у элементов с ТКС
Применение релейного терморезистора удобно при контроле или измерениях процессов электромагнитных излучений, происходящих на сверхвысоких частотах. Это обеспечило их использование в системах:
1. контроля тепла;
2. пожарной сигнализации;
3. регулирования расхода сыпучих сред и жидкостей.
Кремниевые терморезисторы с маленьким ТКС>0 используют в системах охлаждения и стабилизации температуры транзисторов.
Эти полупроводники работают на основе явления Зеебека: при нагреве спаянного места двух разрозненных металлов на стыке замкнутой цепи возникает ЭДС. Таким способом они превращают тепловую энергию в электричество.
Конструкцию из двух таких элементов называют термопарой. Ее КПД лежит в пределах 7÷10%.
Термоэлементы используют в измерителях температур цифровых вычислительных устройств, требующих миниатюрные габариты и высокую точность показаний, а также в качестве маломощных источников тока.
Полупроводниковые нагреватели и холодильники
Они работают за счет обратного использования термоэлементов, через которые пропускают электрический ток. При этом на одном месте спая происходит его нагрев, а на противоположном — охлаждение.
Полупроводниковые спаи на основе селена, висмута, сурьмы, теллура позволяют обеспечить разность температур в термоэлементе до 60 градусов. Это позволило создать конструкцию холодильного шкафа из полупроводников с температурой в камере охлаждения до -16 градусов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Зависимость сопротивления от температуры в полупроводниках
Сопротивление — это способность материалов ограничивать прохождение электрического тока. Сопротивление любых проводников не является постоянной величиной. Оно, как и другие их свойства (плотность, размер, намагниченность и другие) является функцией от температуры. Но, если для металлов зависимость сопротивления от температуры прогнозируемая величина, ведь она будет меняться согласно определенного закона и поэтому приводится в соответствующих справочниках, то с полупроводниками все обстоит гораздо сложнее. Между тем важно знать зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещённости. Последнее весьма важно при разработке таких приборов как фоторезисторы. Последние представляют собой устройства, которые изменяют свое сопротивление при изменении освещения.
Проводники, полупроводники, изоляторы и их проводимость
На изображении ниже приведен фрагмент периодической системы элементов Д. Менделеева, из которого следует, что полупроводники находятся в области между металлами и неметаллами. Каждый атом имеет внешнюю зону электронов, известную как валентная зона. В металлах частицы из этой зоны не ограничены размерами атома и могут свободно перемещаться по решётке. Именно такие частицы определяют возможность металлов проводить электричество. В случае с неметаллами всё обстоит наоборот, ведь их электроны крепко удерживаются.
Сопротивление полупроводника при повышении или понижении температуры описывается математическими зависимостями. Полупроводники действуют как неметаллы при низких температурах, так как их электроны захватываются и удерживаются внутри атома. Если повысить температуру, то такое изменение приведет к тому, что частицы в валентной зоне получат достаточную энергию, чтобы покинуть пределы своих атомов. В результате чего при очень высоких температурах валентные электроны становятся свободными. Этому соответствует следующее правило — удельное сопротивление уменьшается, а проводимость наоборот возрастает.
Энергию, необходимую для вылета электрона, принято называть шириной запрещённой зоны. Когда протяжённость такой зоны увеличивается, количество энергии необходимое для превращения полупроводника в проводник, растёт. Например, ширина запрещённой зоны германия (Ge) 0.67 эВ, а кремния (Si) — 1.1 эВ. Можно сделать вывод, что для превращения германия в проводник, температура должна резко меняться (уменьшаться).
В данных материалах ширина промежуточной зоны (между зоной проводимости и валентной зоной) достаточно мала, поэтому у них зависимость сопротивления полупроводника с повышением температуры практически отсутствует. Так, при нуле градусов Кельвина, валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости может быть пустой. Но когда прикладывается небольшое количество энергии, отрицательно заряженные частицы легко перемещаются в зону проводимости, то есть в нормальных условиях полупроводники ведут себя как плохие проводники.
Если рассматривать зависимость сопротивления проводника от температуры, можно обнаружить, что сопротивление таких материалов напрямую зависит от температуры. Уменьшение температуры приводит к понижению их сопротивления, а при увеличении температуры оно наоборот возрастает. Для всех металлических проводников такое изменение сопротивления будет одинаковой величиной. В среднем для проводников такое изменение составляет около 0.4% на один градус.
У полупроводников с ростом температуры запрещённый зазор между двумя зонами становится очень малым, и плотность носителей заряда сильно возрастает. Электроны перемещаются из зоны валентной связи в зону проводимости, получая возможность свободного движения внутри структуры.
О типах полупроводников
Они бывают двух видов: одноэлементные (кремний, германий) и составные, например, арсенид галлия.
Одноэлементный полупроводник
Всегда представляет собой чистую форму полупроводникового материала. В частности, кремний принадлежит к IV группе периодической таблицы, и поэтому имеет четыре валентных электрона. Они формируют ковалентные связи с аналогичными частицами соседних атомов, образуя чистый кристалл с регулярной структурой решётки.
При низких температурах (близких к абсолютному нулю 0K), ковалентные связи остаются достаточно прочными, чтобы кремний действовал как изолятор. Однако тепловая генерация при комнатной температуре позволяет разорвать некоторые ковалентные связи, образуя свободные электроны. Кристаллическая структура кремния при воздействии электрического поля заставляет их проводить электричество. Освобождённый электрон оставляет после себя вакансию/дырку или положительный заряд. Электрон в состоянии заполнить эту дырку из соседнего атома, поэтому такой процесс, называемый рекомбинацией, может повторяться.
Выясним далее, как и почему изменяется электрическое сопротивление полупроводников при изменении температуры и освещённости. Сопротивление полупроводников от температуры и освещенности зависит следующим образом: в полупроводниках любое изменение температуры или освещённости вызывает смещение большего количества ковалентных связей. Благодаря этому возрастает количество свободных электронно-дырочных пар, и проводимость кристалла кремния увеличивается. При этом количество генерируемых электронов и дырок в материале будет одинаковым. Скорость тепловой генерации электронно-дырочных пар равна скорости рекомбинации при их тепловом равновесии.
Двухэлементный полупроводник
Имеет равную концентрацию электронов и дырок, созданных термической генерацией. Причём их концентрация мала, чтобы вызвать протекание тока в приборе или устройстве. Кроме того, она зависит от температуры. Даже при комнатной температуре может произойти резкое изменение концентрации носителей заряда. Комбинация с другим материалом может устранить эти проблемы. Процесс является своего рода легированием, а образованный материал будет двухэлементным полупроводником.
Примесная легируемость позволяет увеличить число носителей заряда. В кристалл Si добавляют столько атомов примеси, чтобы кристаллическая структура кремния осталась неизменной. Для увеличения концентрации отрицательно заряженных частиц кремний легируют атомами, имеющими один избыточный электрон, то есть элементами V группы периодической таблицы. Чаще в качестве легирующего элемента применяется фосфор. Для увеличения концентрации дырок в кремнии используются элементы, имеющими на один электрон меньше, например, бор (B), принадлежащий к III группе таблицы Менделеева.
Варианты температурной зависимости сопротивления полупроводников
По характеру изменения удельного сопротивления от температуры, полупроводники подразделяются на 2 типа: n-полупроводники и p-полупроводники. Если кремний легирован элементом, имеющим пять валентных электронов, их концентрация увеличивается. Такой материал относится к n-типу. Например, фосфор (P) при легировании делится четырьмя своими электронами с соседними атомами кремния, образуя ковалентные связи, и оставляя после себя свободный электрон. Таким образом, при легировании материала n-типа, фосфор является донорным элементом. В материалах n-типа концентрация отрицательных частиц намного выше. От температуры она не зависит.
Когда полупроводниковый материал, к напримеру, Si легируется элементами, имеющими 3 валентных электрона, происходит формирование 4 ковалетных связи атомами примесной добавки. При этом атом Si отдаёт электроны, оставляя после себя дырку/положительный заряд. Этот полупроводник будет иметь p-тип. В них дырки/положительные заряды являются основными носителями зарядов. Дырки, которые образуются за счет добавления примесей, притягивают электроны соседних атомов Si и, по сути, заставляют их перемещаться с одного места на другое.
Благодаря тому, что концентрация примесей довольно высокая, число дырок значительно превышает число электронно-дырочных пар, которые образуются за счёт тепловой генерации. За счет легирования в материалах p-типа дырки/положительные заряды выступают в качестве основных носителей заряда. При этом электроны будут неосновными носителями заряда. Концентрация основных носителей зависит от уровня легирования, тогда как концентрация неосновных носителей зависит от тепловой генерации.
Важно отметить, что чистый полупроводниковый материал нейтрален. В полупроводниках n-типа преобладают основные носители, нейтрализующие связанные положительные заряды атомов P. В материалах p-типа основные носители нейтрализуют отрицательные связанные заряды атомов B.
Почему удельное сопротивление полупроводников зависит от температуры
Рассмотрим далее ниже, как и почему изменяется электрическое сопротивление полупроводника при увеличении температуры. Если рассматривать такие процессы, то с увеличением температуры происходит разрыв большого числа ковалентных связей, высвобождается большое число электронов, что довольно быстро снижает удельное сопротивление материала. Зависимость удельного сопротивления полупроводника от температуры экспоненциальная, потому рассматриваемые материалы очень полезны для электронных схемах, где изменение температур довольно небольшое.
В полупроводниковых материалах при увеличении температуры энергетическая щель между зоной проводимости и валентной зоной уменьшается. Валентные электроны получают достаточный объем энергии, который позволяет разрывать ковалентные связи. При этом высокая температура позволяет перейти им в зону проводимости. Создаётся изменяющееся в сторону увеличения количества носителей заряда, за счет чего происходит уменьшение удельного сопротивления полупроводника. Проводимость при высоких температурах этих материалов будет наоборот увеличиваться.
На рисунке выше можно увидеть график изменения удельного сопротивления (ρ) в зависимости от изменения температуры (T). Таким образом, эти материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При приложении внешнего напряжения, температура полупроводникового кристалла увеличивается. Это увеличивает плотность в нём термически генерируемых носителей заряда/электронно-дырочных пар, и облегчает протекание тока сквозь материал.
Как измеряется сопротивление
Для измерения чаще применяется четырёхзондовый метод, известный также как метод Кельвина, с использованием четырёхточечного датчика. Последний в свою очередь включает в себя четыре равноудалённых зонда. Зонды расположены на одинаковом расстоянии (s), а их контакт с поверхностью достаточно плотен. Каждая пара контактов выполняет свою часть измерений, так как постоянный ток (I) подаётся через датчик 1 и фиксируется датчиком 4, а напряжение измеряется между датчиками 2 и 3.
Для определения сопротивления необходимо пропустить ток между двумя внешними датчиками, и измерить результирующее падение напряжения между двумя внутренними датчиками. Внешний вид таких измерительных элементов показан на рисунке ниже.