ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Зависимость удельного сопротивления полупроводника от температуры из "Температура " В отличие от случая чистого металла видно, что основными факторами, определяющими температурную зависимость в уравнении (5.9), являются /г и р, а не Те и тл. [c.197] В зависимости от того, чем в основном обусловлена проводимость, электронами или дырками, проводимость полупроводника относят к п- или р-типу. [c.198] Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника, в который добавлено небольшое количество примеси, показана на рис. 5.7 [12]. На практике в полупроводнике всегда присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси, и разработчик полупроводниковых термометров сопротивления может лишь выбирать соотношение между теми и другими. Для описания процессов проводимости рассмотрим германий, содержащий донорные атомы мышьяка в концентрации N(1 и какие-либо акцепторные атомы в концентрации Л а-На рис. 5.7 можно выделить четыре температурных диапазона, в каждом из которых преобладает какой-либо один механизм проводимости . В высокотемпературном диапазоне [I] проводимость обусловлена главным образом электронами, термически возбужденными из валентной зоны в зону проводимости согласно уравнению (5.8), поскольку все примесные атомы давно уже ионизованы. Это область собственной проводимости для германия она начинается чуть выше 400 К. Этот диапазон не представляет особого интереса для германиевых термометров сопротивления. [c.198] Граница между этими двумя диапазонами, описываемыми уравнениями (5.15) и (5.16), довольно резка. Однако, подбирая концентрацию и тип донорной примеси, можно сгладить излом кривой, как показано на рис. 5.8 и 5.9. [c.200] Эти формулы впервые были получены Каллендаром и хорошо знакомы всем, кто пользуется платиновыми термометрами сопротивления [13]. Они не теряют своего значения и по сей день, поскольку а и б показывают для каждого термометра сопротивления соответственно средний наклон кривой зависимости сопротивления от температуры в интервале от 0 до 100 °С и отклонение от линейной зависимости в этом интервале. [c.202] Однако более поздние работы показали, что отклонение зависимости от квадратичной носит иной характер, чем дает формула (5.23). Подробнее это обсуждается в гл. 2. [c.202] Величины б и р показаны на графиках рис. 5.11 коэффициент р определяется градуировкой при температуре кипения кислорода. [c.204] В выражении (5.28) коэффициенты Сп (см. Приложение II) также имеют размерность кельвин кроме того, в зависимости от требуемой точности можно отбрасывать последние члены суммы, так как коэффициенты уменьшаются с увеличением п. [c.205] Диапазон между 13,81 и 273,15 К разбит на четыре участка, для каждого из которых определена своя поправочная функция AW Tes)- Коэффициенты многочлена для данного участка определяются по значениям ДЙ7(7 в8) в реперных точках внутри этого участка и так, чтобы первая производная AW Tss) по температуре была непрерывна в точках соединения участков. Подробнее поправочные функции обсуждаются в Приложении II. [c.205] Неудобство современной редакции МПТШ-68 заключается в том, что T es входит как в стандартную, так и в поправочную функции. Поэтому для определения Tes по измеренному значению W Tes) приходится прибегать к итерационной процедуре. [c.205] Входящие сюда константы определяются из измерений при температуре кипения кислорода и температуре кипения воды (или же при температурах затвердевания олова и цинка). В МПТШ-68 редакции 1975 г. разрещается вместо температуры кипения кислорода использовать тройную точку аргона при условии, что в точке кипения кислорода обеспечивается плавность поправочной функции. [c.206] Обсуждая шкалу МПТШ-68, следует упомянуть, что предлагались гора.здо более простые способы определения шкалы температур ниже О °С, основанной на использовании платинового термометра сопротивления (см., например, [17]). Если МПТШ-68 будет пересмотрена, то на смену ей, судя по всему, придут более простые методы. [c.206] Хотя теплопроводность платины относительно низка и диаметр проволоки выводов мал, необходимо принимать меры к тому, чтобы и термометр, и его выводы находились при одинаковой температуре. Сам термометр для улучшения теплового контакта обычно устанавливается плотно в отверстие, чаще со слоем вакуумной смазки (например, апиезон Ы). Идущие к термометрам медные провода на длине около 30 см обычно прикрепляются и приклеиваются к теплоотводу, находящемуся при той же номинальной температуре, что и термометр. [c.208] Исследование разницы в сопротивлении капсульного термометра по постоянному и переменному току показывает, что это различие может заметно сказываться только при очень низких температурах [18]. При использовании моста переменного тока модели А7 фирмы Automati Systems, работающего на частоте 375 Гц (см. разд. 5.11), различие между результатами измерений по постоянному и переменному току составило, 3 мК в тройной точке водорода. За этот эффект ответственны, по-видимому, вихревые токи, наводимые в платиновом кожухе термометра ). [c.209] Точные платиновые термометры сопротивления, предназначенные для измерения температур выше 100 °С, обычно имеют вид, показанный на рис. 5.13, и иногда называются стержневыми . Несмотря на свои многочисленные достоинства, капсульный термометр не годится для измерения высоких температур, поскольку сопротивление утечки между выводами в стеклянной головке становится слишком малым. Выводы высокотемпературного термометра изолируются друг от друга слюдой, кварцевыми или сапфировыми шайбами или трубочками. Собственно чувствительный элемент изготавливается обычно Из проволоки толщиной 0,07 мм, как и в капсульном термометре, и имеет сопротивление 25 Ом при 0°С. В типовых конструкциях [19—21] используется либо бифилярная намотка на слюдяную крестовину, либо спираль, помещенная в перевитые кварцевые трубочки, либо проволока в корундовых трубках (рис. 5.14). Во всех этих конструкциях стремятся свести к минимуму механические напряжения, чтобы проволока чувствительного элемента могла свободно расширяться и сжиматься при нагревании и охлаждении, не удерживаясь крепежными элементами. В тех конструкциях, где рроволока проходит близко к кожуху (рис. 5.14,а, в), тепловой контакт с окружающей средой лучше, а самонагрев меньше, чем в термометрах, где проволока заключена в дополнительную оболочку или проходит ближе к центру. [c.209] Здесь следует упомянуть, что при необходимости добиваться исключительно высокой воспроизводимости результатов (скажем, лучше 20 мкК) ограничивающим фактором будет, скорее всего, нестабильность самонаг-рева. Эта нестабильность обусловлена непостоянством теплового контакта между окружающей средой и измерительным элементом. [c.212] При измерении высоких температур термометрами сопротивления существенными становятся также радиационные тепловые потери вдоль термометра. Для термометров, имеющих кварцевый кожух, световодный эффект (многократное отражение внутри стенок кожуха) приводит к погрешности до 80 мК при 600 °С [22]. К счастью, тепловые потери за счет внутренних отражений легко ослабить, обработав пескоструйным аппаратом внешнюю поверхность кожуха или зачернив ее, например, аквадагом на длину в несколько сантиметров сразу за чувствительным элементом (см. рис. 5.13). Этот прием теперь используется при изготовлении всех стержневых термометров, включая и термометры в стеклянном кожухе, предназначенные для использования выше точки плавления олова (-230 С). [c.213] Происходили химические реакции с выделением или поглощением тепла. Некоторые минеральные масла начинают разлагаться уже при 120 °С, а при 500 °С окисление стали идет уже довольно быстро. [c.214] Проверка адекватности погружения стержневого термометра в реперную точку затвердевания металла проводится путем измерения изменений температуры затвердевания в зависимости от глубины. Вертикальный градиент температуры затвердевания, рассчитанный на основе уравнения Клаузиуса — Клапейрона, был найден равным 5,4 27 и 22 мкК-см- для сурьмы, цинка и олова соответственно. В реперной точке затвердевания вертикального устройства, подобного показанному на рис. 4.25, разность температур между верхней и нижней частями слитка в процессе затвердевания максимальна для цинка и достигает 0,3 мК. Поскольку измерение влияния гидростатического давления на точку затвердевания требует постоянного выведения термометра из слитка по мере затвердевания последнего, здесь могут использоваться лишь термометры, погружаемые на глубину большую, чем минимальная глубина погружения для обеспечения заданной точности измерения. Из рис. 5.15 можно заключить, что для измерения гидростатического эффекта на длине 8 см высота слитка должна составлять 20 см. А если учесть еще и требования к тепловому контакту термометра со средой, то высота слитка для цинка должна при этих условиях составлять 23 см. [c.214] Вернуться к основной статье