Termistorul

1. Scopul lucrarii

a. Verificarea legii dependentei rezistentei electrice cu temperatura la materialele semiconductoare.

b. Determinarea largimii benzii interzise ”E.

2. Teoria lucrarii

Structura corecta a diagramei energetice a unui corp solid depinde de natura atomilor si de distanta dintre atomi. Largimea benzilor de energie permisa si interzisa constituie proprietati caracteristice pentru fiecare tip de cristal în parte.

Electronii corpului solid vor ocupa la temperatura de 0K nivelele energetice cele mai coborate. Prin completarea benzilor de energie cu electroni pot ocupa partial sau complet o ultima banda energetica. Semiconductorii sunt materiale care poseda o banda de valenta, complet ocupata, separata de banda de conductie, complet libara, printr-o banda de energie interzisa ”E. O astfel de structura a benzilor energetice se întâlneste atât la semiconductori cât si la izolatori; deosebirea consta în faptul ca pentru izolatori ”E = 4 ÷11eV , în timp ce la semiconductori intervalul energetic este mult mai mic.

Semiconductorii pot proveni dintr-un singur element chimic (Si, Ge, Se Te), sau sunt compusi formati din elemente ale coloanei a III-a si a V-a a sistemului periodic (AIIIBV) sau formati din elemente ale coloanei a II-a si a VI-a a sistemului periodic (AIIBVI).

La 0K se spune ca sunt ocupate toate starile cu energie minima si deci umplând starile cu electroni se va ajunge la o ultima stare ocupata, adica la un ultim nivel energetic ocupat cu electroni numit nivel Fermi. Pentru materiale semiconductoare intrinseci sau slab dopate, la temperaturi pâna la câteva sute de grade Celsius, energia Fermi se afla în banda interzisa.

Sub actiunea temperaturii, datorita energiei termice pe care o primesc unii electroni pot trece din ultima banda ocupata, banda de valenta în banda de conductie. Atunci în semicondictor vor exista concentratii egale de electroni si goluri: n = p = ni . Concentratia electronilor egala cu a golurilor poarta numele de concentratie intrinseca si este notata cu ni. Concentratia intrinseca la un semiconductor poate fi calculata daca se cunoaste distributia electronilor de conductie cu energia.

Din teoria benzilor de energie în materialele semiconductoare rezulta expresiile celor doua concentratii de sarcini electrice:

....

unde:

- me este masa efectiva a electronilor;

- mg este masa efectiva a golurilor;

- k este constanta Boltzman;

- T este temperatura semiconductorului;

- h este constanta Planck;

- Ec este energia corespunzatoare minimului benzii de conductie;

- Ev este energia corespunzatoare plafonului benzii de valenta,

- EF este energia nivelului Fermi aflat, în cazul semiconductorilor intrinseci, la jumatatea "distantei" dintre Ec si Ev.

....

3. Dispozitivul experimental

Termistorul este un element semiconductor de circuit care utilizeaza dependenta rezistentei electrice a unui semiconductor intrinsec de temperatura. Dispozitivul este realizat din materiale semiconductoare la care rezistivitatea scade repede cu temperatura, precum amestecuri de oxizi metalici ( oxid de mangan, oxid de cupru, oxid de zinc, etc ) care sunt macinati si apoi presati împreuna cu un liant organic, iar apoi sinterizati.

Dispozitivul experimental este prezentat în figura 2 si cuprinde un cuptor electric (1) pentru încalzirea termistorului, un ohmmetru (2), care serveste la masurarea rezistentei termistorului si un transformator (3) pentru alimentarea ohmetrului. Cuptorul are inertie termica mare astfel încât, desi nu este alimentat printr-un reostat ci direct de la retea, cresterea temperaturii este foarte lenta. Acest fapt înlatura necesitatea unui termostat, permitându-ne sa presupunem ca fiecare masurare de rezistenta se face într-un regim stationar. Pe capacul cuptorului sunt fixate termometrul (4) pentru indicarea temperaturii si termistorul (5) cu cele 2 borne care sunt legate prin conductori izolati la ohmetru.

Ohmetrul este construit dupa schema puntii Wheastone. El cuprinde un galvanometru (6) ca instrument de zero, un comutator (7) (rotativ sau cu fisa) care schimba intervalele de valori indicând de fiecare data factorul multiplicator, si o rezistenta variabila (8) cu cursor gradat si prevazut cu indicator. Un întrerupator (9) intercalat în circuitul acumulatorului permite ca alimentarea ohmetrului sa se faca doar în timpul citirilor. La unele ohmetre întrerupatorul intra în constructia lor sub forma unui buton .