2 Резистивные измерительные преобразователи

2.1 Физические основы проводимости

В зависимости от значения величины проводимости твердые тела делятся на проводники (металлы), полупроводники и непроводники (диэлектрики). Общими для твердых тел являются кристаллическое строение (исключение составляют некоторые аморфные вещества, например, стекло). Атомы в кристаллах образуют регулярную пространственную решетку с характерной для каждого вещества структурой. Электрические свойства твердых тел определяются расположением энергетических уровней электронов. Электроны в атомах обладают различной энергией. Набор всевозможных значений энергий электронов данного атома образуют диаграмму энергетических уровней. В молекулах, вследствие взаимодействия между атомами, отдельные уровни расщепляются, образуя энергетические зоны. Области между зонами соответствуют значениям энергии, которыми электроны обладать не могут, и называются запрещенными зонами. Последняя энергетическая зона с полностью занятыми уровнями образует валентную зону проводимости с границей W_V. Электроны из этой области не могут перемещаться, создавая проводимость. Электрическая проводимость обусловлена свободно движущимися электронами. Их энергетические уровни располагаются в незаполненной разрешенной зоне, которая называется зоной проводимости. Различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками обусловлено шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.

Проводимость в металлах обусловлена большим числом свободных электронов (на каждые 1-10 атомов приходится 1 свободный электрон, который может свободно перемещаться между атомами). При приложении напряжения создается поле, под действием которого возникает направленное движение электронов. Их скорость очень мала (мм/с). Сопротивление металлов зависит от температуры, так как с ее ростом колебания атомов решетки все сильнее препятствует движению электронов. При этом число свободных электронов не зависит от температуры (t^o). При охлаждении металлов сопротивления уменьшаются, а у некоторых металлов (например, свинец) при t^o близких к абсолютному нулю, сопротивление скачком изменяется до нуля (явление сверхпроводимости).

Проводимость в чистом полупроводнике обусловлена подведением к нему внешней энергии (тепловой, световой и др.). При этом межатомные связи в решетке теряют электроны и образуются положительные заряды. То место, где в решетке не хватает электрона называется дыркой. Под воздействием поля электроны дрейфуют к положительному полюсу, а дырки к отрицательному. Их место занимают свободные электроны. Проводимость можно увеличить путем добавления в чистый полупроводник (Ge,Si) атомов других элементов (легирование). При этом возникает примесная проводимость. Если в чистых полупроводниках (п/п) концентрация дырок и электронов одинакова их произведение n_-n₊=const ( 2,5·10^-3). При n_->>n₊ электроны называются основными носителями, а дырки неосновными носителями (n_- 10⁶n₊). Германий в этом случае называют п/п с электронной проводимостью или n-типа. При этом легирование ведется элементами с большей валентностью (As, Sb, P). При легировании чистого п/п элементами с меньшей валентностью (In, B, Ga) в месте нахождения атома примеси возникает лишняя дырочка. Поскольку при этом n₊>>n_- дырки будут основными носителями. Такой п/п называют дырочным или п/п p-типа.

Внутренний эффект состоит в том, что электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости под действием света. При увеличении числа световых квантов с подходящей длиной волны или частоты проводимость п/п материалов возрастает. На этом принципе работают фоторезисторы.

Внешний фотоэффект проявляется в том, что энергии (h·ν) подающего кванта излучения может оказаться достаточно для высвобождения электрона. Если эта энергия превышает работу выхода, то ее избыток превращается в кинетическую энергию электрона. На этом принципе построены фотоэлементы.

Изменение проводимости некоторых металлов изменяется при внесении его в магнитное поле. Это явление объясняется отклонением траектории движения носителей тока от направления движения тока. За счет увеличения траектории увеличивается сопротивление проводника. Наибольшей чувствительностью обладает висмут. Относительное изменение удельного сопротивления проводника Δρ/ρ связано с индукцией магнитного поля B зависимостью Δρ/ρ=(AαB)², где А – конструктивный коэффициент, α- подвижность носителей тока.

Проводимость растворов солей, кислот и оснований в воде и ряде других растворителей обусловлена диссоциацией – расщеплением молекул на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы) и определяется их концентрацией.

Кроме рассмотренных выше причин изменения проводимости, связанных с процессами в материалах на молекулярном уровне, изменение сопротивления может осуществляться за счет изменения геометрических размеров резистивных материалов и механических напряжений в них.