Терморезисторы: позисторы и термисторы

Терморезисторами называются полупроводниковые приборы (позисторы, термисторы), у которых сопротивление (проводимость) изменяется нелинейно по мере увеличения температуры элемента. В частности, у позистора - сопротивление растет при возрастании температуры, у термистора, напротив, падает.

Промышленные полупроводниковые приборы, созданные на основе полупроводниковых кристаллов, в зависимости от назначения, могут существенно изменять свое сопротивление (проводимость) в рабочем диапазоне температур или, напротив, иметь постоянное значение сопротивления.

Определим значение температурного коэффициента сопротивления (удельного электрического сопротивления, проводимости) как

TKR = (100/R₀)dR/dT, %/K,

TKr = (100/r₀)dr/dT, %/K,                                 (4.1)

TKg_т = (100/g₀)dg /dT, %/K,  

где R₀, r₀, g₀ – значения параметров прибора при заданной температуре, обычно при 20 ^оС.

Согласно определению (4.2), позистор, у которого dR/dT > 0, характеризуется значением ТКR > 0, в то время как у термистора TKR < 0.

В тех случаях, когда необходимо постоянное значение сопротивления кристалла, т.е. TKR » 0, степень легирования полупроводника должна быть такой, чтобы в рабочем диапазоне температур проводимость мало изменялась (рис. 3.3, участок II).

Температурная и вольтамперная характеристики термисторов приведены на рис. 4.1.

С учетом (3.10) температурная характеристика R(T) термистора (рис. 3.4, а) описывается соотношением

R(T) = R₀exp(DE_з/2k Т) = R₀e^B/Т,                   (4.2)

где B - коэффициент температурной чувствительности термистора, зависящий от типа материала; R₀ - номинальное сопротивление при 20 ^оС.

Можно показать, что значение ТКR для термисторов рассчитывается по соотношению

ТКR_т = -В/Т²,                                     (4.3)

т. е. является отрицательным и лежит в пределах (0,8...6)· %/К^-1.

а)                                                            б)

Рис. 4.1. Температурная (а) и вольтамперная (б) характеристики типичного термистора

В качестве рабочего элемента термисторов выбирают такие полупроводники, у которых рост температуры приводит к существенному возрастанию проводимости, т.е. ТКg > 0 (ТКr < 0), например, на основе специальных окислов (цинка, титана) с узкой шириной запрещенной зоны, имеющей значение (0,1...0,3) эВ. Температурная зависимость g(Т) подобных приборов описывается соотношением типа (3.10).

При комнатных температурах сопротивление прибора имеет значение от нескольких Ом до сотен кОм. Коэффициент температурной чувствительности B имеет значение от 700 до 15000 К и практически одинаков для данного термистора в рабочем диапазоне температур.

Позисторы или термисторы применяются для контроля и регистрации температуры под действием прямого (под действием электрического тока) или косвенного (под действием внешних источников) разогрева.

В том случае, если термистор характеризуется прямым разогревом (протекающим током), то его вольтамперная характеристика линейна только в области малых токов (рис. 4.1, б, область I), в то время как при больших токах из-за разогрева материала сопротивление прибора уменьшается. Именно поэтому по мере роста тока наблюдается падение напряжения на термисторе (область II). Поскольку терморезисторы обладают нелинейной ВАХ, они относятся к так называемым нелинейным резисторам.

В качестве рабочего элемента позисторов выбираются полупроводники, у которых проявляется участок уменьшения проводимости с ростом температуры (рис. 3.3, участок Ш), т.е. возрастание температуры приводит к росту электрического сопротивления позистора (ТКr > 0). Очевидно, что полупроводниковые позисторы работают только в узком диапазоне температур.

Термисторы и позисторы используются в цепях постоянного и переменного тока: в электронных схемах для регистрации температуры, в системах автоматики, в схемах сигнализации. Например, полупроводниковые приборы – болометры, созданные на основе термисторов или позисторов, применяются для регистрации и оценки потоков электромагнитных излучений, оптического и инфракрасного излучения; в данном случае температура рабочей части болометра изменяется за счет поглощения излучения.

К параметрам терморезисторов, обозначаемых как ММТ, СТ1, СТ5 и т.п., относятся: номинальное сопротивление R₀ при 20 ^оС; коэффициенты TKR, В и ряд других, приводимых в справочниках. В ряде справочников и схем термисторы и позисторы обозначаются как СН (сопротивление нелинейное).

Варисторы

Варистор - нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от напряженности электрического поля. Можно сказать, что в аристор (переменный резистор) – полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется по мере увеличения приложенного напряжения.

Варисторы изготавливают, используя метод керамической технологии, который заключается в следующем. Основой для изготовления варисторов являются так называемые полупроводники группы A^IYB^IY, единственным представителем этой группы является соединение элементов IY группы – карбид кремния (SiC). Кристаллический материал размельчают, смешивают со стеклообразующей основой (глина, жидкое стекло, органические лаки и другие), после чего порошкообразный карбид кремния запрессовывают вместе со связующим веществом в форму (цилиндра или таблетки) и спекают при температуре 1700 ^оС. Более детальные сведения по технологии изготовления варисторов изложены в литературе.

Ширина запрещенной зоны DE_з, определяющая собственную проводимость для различных модификаций кристаллического карбида кремния, изменяется от 3 до 6 эВ. Однако, поскольку в материале может быть значительное количество как донорных, так и акцепторных примесей, их энергия активации DE_пр изменяется в широких пределах до нескольких десятых эВ. Поэтому примесная проводимость в материале осуществляется до температур 600 ^оС, после чего реализуется собственная проводимость.

В целом, композиционную структуру материала можно представить как совокупность микроскопических монокристаллов карбида кремния (размером зерен от 40 до 300 мкм), поверхностно разделенных между собой, с одной стороны, тонкими слоями окисных пленок (рис. 4.2, а), с другой стороны, многократно соприкасающихся между собой посредством точечных микроконтактов, условно представленных на рис. 4.2, б.

 

а)                                                          б)

Рис. 4.2. Совокупность кристаллов (а) и точечные контакты (б) в структуре варистора

По мере увеличения напряжения на варисторе ток растет нелинейно независимо от полярности напряжения (рис. 4.3, линия 1). Причиной нелинейного возрастания тока является резкое снижение сопротивления материала (линия 2).

Процессы, протекающие в варисторе, описываются моделями прохождения носителей:

а) через диэлектрические пленки, например, SiO₂, возникающие на границе отдельных зерен (рис. 4.2, а), т. е. проникновения электрических зарядов через поверхностные потенциальные барьеры на границах этих зернами;

б) через точечные контакты между микрокристаллами (рис. 4.2, б);

в) через всевозможные p - n-переходы, обусловленные различной электропроводностью примыкающих друг к другу контактных областей.

а)                                                                     б)

Рис. 4.3. Вольтамперная характеристика варистора и его подключение в цепь

Рассмотрим эти процессы более подробно. Несмотря на то, что поверхностные диэлектрические пленки имеют малую толщину, они характеризуются большим сопротивлением, и на каждой из них падает напряжение DU_i. Значит, в этих пленках возникают сильные электрические поля напряженностью E даже при малых напряжениях на варисторе. Фактически напряжение, приложенное к образцу, падает не в объеме микрокристаллов карбида кремния, а в изоляционных диэлектрических пленках.

Проводимость отмеченных диэлектрических пленок реализуется, главным образом, посредством туннельного эффекта (туннелирования) - квантового эффекта, в котором проявляются волновые свойства электронов. Высокие электрические поля приводят к нелинейному возрастанию вероятности туннелирования носителей заряда сквозь энергетические потенциальные барьеры тонких оксидных пленок, вследствие чего происходит резкое увеличение проводимости кристаллов карбида кремния. Именно этим обусловлен начальный участок вольтамперной характеристики (рис. 4.3, а) при малых напряжениях на варисторе, характеризуемый относительно малыми токами и большими значениями сопротивления постоянному току.

При дальнейшем увеличении напряжения на варисторе токи нелинейно возрастают; в этом диапазоне напряжений начинают играть роль точечные контакты между зернами, условно изображенные на рис. 4.2, б. При относительно больших токах, проходящих через варистор, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Сопротивление контактов больше, чем сопротивление объема, поэтому на контактах падает практически все подведенное к прибору напряжение, и вследствие этого именно в области контактов происходит интенсивный разогрев за счет выделяемого джоулевского тепла. Удельная мощность, выделяемая в точечных контактах, достигает больших значений. Из-за выделения тепловой (джоулевской) энергии и локального разогрева микроконтактов их проводимость (как полупроводниковых структур) увеличивается, и сопротивление варистора, в целом, нелинейно уменьшается.

Варисторы, как нелинейные резисторы, используются в низковольтных и высоковольтных электрических цепях (постоянного и переменного тока) для регулирования силы тока в зависимости от напряжения, а также для защиты цепей, в частности, линий электропередач, от перенапряжений. Описание и применение нелинейных резисторов (на основе материала вилита или тирита в вентильных разрядниках высоковольтных линий электропередач, для защиты электрических цепей, в вилитовых стержнях) приведено в рекомендованной литературе.

В частности, для защиты сопротивления нагрузки R_н от перенапряжения (рис. 4.3, б), например, при резком увеличении напряжения U, варистор включается параллельно.

К параметрам варистора относятся:

- вольтамперная характеристика (ВАХ);

- коэффициент нелинейности варистора b(U) - отношение статического R и дифференциального r_d сопротивлений при заданном постоянном напряжении на варисторе:

b(U) = R/r_d = (U/I)/(dU/dI).                            (4.4)

В форме конечных разностей имеем

b = (U/I)×DI/DU.                                          (4.5)

- температурные коэффициенты статического сопротивления:

при постоянном напряжении:

ТКR|_U=const = (1/R) (dR/dT)|_U=const;                      (4.6)

при постоянном токе:

ТКR|_I=const = (1/R) (dR/dT)|_I=const.                       (4.7)

- другие параметры и характеристики.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: