20.4. Другие типы термометров сопротивления.
20.4.1. Медные термометры
Температурная
зависимость электрического сопротивления
меди мало отличается от аналогичной
зависимости для платины (рис. 20.6). Для
лабораторной низкотемпературной
термометрии может быть использована
обычная электротехническая проволока,
для которой составлена таблица зависимости
в интервале
20 - 295 К. Воспроизводимость показаний и
стабильность градуировки медного
термометра несколько хуже, чем у
платинового, и доступность материала
является, пожалуй, его единственным
преимуществом. Конструкции медных
термометров сопротивления в принципе
не отличаются от платиновых. Температурный
диапазон использования ограничен 150 С.
Рис. 20.6. Температурные зависимости относительного сопротивления платины, никеля и меди.
20.4.2 Никелевые термометры
Среди металлических
термометров сопротивления никелевые
термометры обладают наибольшим
температурным коэффициентом
=1.617
(рис. 20.6).
Эти термометры используют в интервале температур -60 – 180 С. Для стабилизации показаний термометров сопротивления из металлов необходимо после изготовления их и термической обработки (отжига) провести старение прибора путем многократного охлаждения до низких температур и нагревания в теплой воде. Для платины достаточно пять-шесть таких циклов, а для меди и никеля необходимо несколько десятков.
20.5. Полупроводниковые термометры
Типичное поведение полупроводников-элементов ясно из рис. 20.7. При высоких температурах в полупроводниках имеет место так называемая собственная проводимость, связанная с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Проводимость является функцией числа носителей заряда и их подвижности; и можно показать, что в области собственной проводимости
, (20.12)
где A
почти не зависит
от температуры, a
- энергетическая
„щель“ между
валентной зоной и зоной проводимости,
составляющая 0,72 эВ для Ge, 1,12 эВ для Si и
0,34 эВ для Те. При низких температурах,
когда
проводимость
обусловлена присутствием примесей,
которые могут быть двух типов. Одни
отдают электроны, способные перейти
через энергетическую щель в зону
проводимости (донорные примеси), а другие
захватывают электроны валентной зоны,
переводя их через щель и оставляя дырки
в валентной зоне (акцепторные примеси).
Рис. 20.7. Электрическое сопротивление полупроводников.
На графиках
зависимости
от
,
приведенных на рис. 20.7 для двух образцов
кремния с добавками фосфора и бора, ясно
различимы две области температуры для
каждого образца, в которых
.
В промежуточной области
может уменьшаться
с понижением температуры в сравнительно
узком интервале. В этой области собственная
проводимость очень мала, а донорные или
акцепторные примеси полностью
ионизированы; благодаря этому проводимость
приблизительно пропорциональна
подвижности носителей. Можно ожидать,
что при выборе подходящего чистого
полупроводника и добавлении к нему
соответствующей примеси удастся получить
термометр, сопротивление которого будет
сильно меняться с температурой в очень
широком температурном интервале.
Сравним металлические и полупроводниковые термометры. Преимуществами этих материалов являются:
- малые размеры,
- более высокая чувствительность,
- более высокие сопротивления датчиков, что снижает влияние подводящих проводников,
- более низкая тепловая инерционность,
- возможность измерений малых разностей температур.
А недостатками:
- нелинейная зависимость сопротивления от температуры,
- не стандартизованные характеристики,
- узкий интервал измеряемых температур,
- неустойчивость калибровочных характеристик.