Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом

Полупроводниковые объемные резисторы с большим температурным коэффициентом сопротивления, в которых снижение сопротивления с ростом температуры обусловлено либо увеличением концентрации носителей, либо увеличением их подвижности , а также фазовыми превращениями. На схемах обозначается как показано на рис.6.20.

Для термисторов, изготовленных из ковалентных полупроводников (Ge, Si, карбид Si, соединения типа A^IIIB^V) отрицательный коэффициент сопротивления наблюдается в случае, когда имеет место собственная электропроводность либо частичная ионизация примеси. Зависимость сопротивления полупроводника от температуры будет иметь вид:

 

R = R*exp В/Т,

 

где R* – постоянная, характеризующая материал и размеры термистора; В – коэффициент температурной чувствительности (который при неполной ионизации примеси и отсутствии компенсации равен ∆Е_п/2k, для компенсированного полупроводника В ≈ ∆Е_п/k, а для собственной электропроводности В ≈ ∆Е/2k, ∆Е, ∆Е_п – ширина запрещенной зоны и энергия ионизации примеси; k – постоянная Больцмана.

 

 

Рис.6.20

 

Основная масса термисторов выпускается из полукристаллических окисных полупроводников, смеси окислов кобальта (СТ1, СТ3; меди ММТ и марганца КМТ) в которых преобладает ионная связь. В процессе образования окисла в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Это снижает энергию активации и практически все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, являются свободными.

Подвижность носителей в окисном полупроводнике сравнительно низкая и экспоненциально возрастает с ростом температур. Поэтому зависимость R = f(T) здесь такая же, как и у ковалентных полупроводников, но В характеризует здесь изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.

Если в окисных полупроводниках, в рабочем интервале температур, реализуется условие фазовых превращений (например, V₂О₄, V₂О₃ при Т = 69 – 110⁰С), то проводимость изменяется на несколько порядков.

Различают термисторы прямого подогрева (тепло выделяется при прохождении через них тока, либо нагрев за счет изменения температуры определяющей среды) и косвенного подогрева (имеющие дополнительный источник тепла – подогреватель, это приборы типа СТ1-21, СТ3-27, СТ3-31).

В связи с чем, и основные характеристики и параметры термисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления несколько различны.

Если для приборов прямого подогрева основной является температурная характеристика R = f(T), то для приборов с косвенным подогревом – ВАХ I_т = f(U_т) при различных токах через подогреватель и подогревная характеристика R = f(Р_пад).

Вид указанных характеристик приведен на рис.6.21,а, б, в.

Остальные параметры идентичные:

- номинальное сопротивление (сопротивление при определенной температуре 20⁰С; 25⁰С, для КМТ-14, СТ1-18, СТ1-19 при 150⁰С) от нескольких Ом до нескольких сотен кОм;

- коэффициент температурной чувствительности В (лежит в пределах от 700 до 15000⁰К) определяемый через измерение сопротивления при двух температурах

В = (lnR₀/R)/(1/T₀–1/T);

 

- температурный коэффициент сопротивления – показывает относительное изменение сопротивления термистора при изменении температуры на один градус:

TKR = 1/R·dl/dT;

 

- постоянная времени – временной интервал в течение которого температура прибора уменьшается в е раз (от 0,5 до 140 сек).

Кроме того термисторы с косвенным нагревом различаются по коэффициенту тепловой связи (отношение мощности необходимой для разогрева термистора до некоторой температуры при прямом нагреве, и мощности, необходимой для разогрева до той же температуры при косвенном нагреве, т.е. путем пропускания тока через подогреватель.

а б

в

Рис.6.21

Термисторы применяются в качестве чувствительных термометров и приборов для регулировки температуры, для компенсации температурных изменений (рамки стрелочных приборов) и стабилизации транзисторных схем и пр. Приборы с косвенным подогревом используются в основном в качестве резисторов переменной величины без скользящего контакта (дистанционное управление) для автоматического управления и регулирования радиотехнических и других технологических систем.

Позисторы

Выпускаются и находят практическое применение термосопротивления с положительным температурным коэффициентом сопротивления в ограниченном диапазоне температур (СТ5, СТ6 из титаната-бариевой керамики).

ВаТiО₃ (титанат бария) – диэлектрик, сопротивление которого при введении разноземельных добавок (лантан, церий) снижается с 10⁸-10¹⁰ Ом м до 0,1–1 Ом м. Такие материалы обладают аномальной температурной зависимостью (в узком диапазоне температур его удельное сопротивление увеличивается на несколько порядков).

Позисторы, как и термисторы. в основном конструктивно оформляются в виде дисков различного диаметра и толщины, снабженных двумя проволочными выводами, припаянными к торцевым поверхностям диска.

Позисторы отличаются от термисторов не только положительным ТКR (рис.6.22,а), но и тем, что его сопротивление определяется величиной приложенного к нему напряжения. Увеличение напряжения снижает величину сопротивления и уменьшает изменение сопротивления при разогреве позистора. В качестве примера приведем зависимость сопротивления позисторов (СТ6-2Б при разогреве его проходящим током – пунктирная линия) снятые при постоянном токе, при мощности рассеяния до 1 мВт. Вид ВАХ позистора приведен на рис. 6.22,б.

а б

Рис.6.22

Позисторы применяются в качестве датчиков систем регулирования температуры (противопожарная сигнализация, тепловая защита, ограничение и стабилизация тока в электрических схемах, термостатирование кварцевого стабилизаторов при этом они выполняют роль регуляторов температуры или нагревательных элементов). Совместно с терморезисторами они используются для температурной стабилизации режимов транзисторов; их включают в эмиттерные цепи эмиттеров.

 

Варисторы

Варисторы – объемные нелинейные резисторы, вольтамперная характеристика которых представляет собой кривую близкую по форме к многостепенной параболе (электрическое сопротивление их быстро уменьшается при увеличении приложенного к нему напряжения).

Нелинейность ВАХ обусловлена явлениями на контактах между кристаллами карбида кремния и определяется эффектами сильного поля и тепловым эффектом. Проявление каждого из эффектов определено величиной протекающего через варистор тока, состояние поверхности кристаллов карбида кремния и других факторов.

Процессы, происходящие в приборе усложняются тем, что он состоит из многих кристаллов полупроводника с многочисленными контактами друг с другом.

Результирующая ВАХ получается как сумма всех токов, протекающих через отдельные контакты, а также падения напряжения на них. Поэтому ВАХ варистора симметрична (рис.6.23,а).

Для стабилизации параметров варисторов проводят искусственное старение путем длительной выдержки при повышенной температуре (≈ 150 ⁰С) и затем только их разбраковывают и маркируют.

Основными параметрами и характеристиками являются:

- коэффициент нелинейности β = R/r = UdI/IdU, где R и r – статическое и динамическое сопротивление варистора при заданном напряжении, который обычно имеет вид рис.6.23,б;

- вольтамперная характеристика I = AU^β, A = f (T и тип варистора);

- температурные коэффициенты статического сопротивления, напряжения и тока

ТКU|_I=const = (1/U)∂U/∂T = TKA₁ R(I) = A₁I^{1/ β-1};

TKI|_U=const = (1/I)∂I/∂T = β TKA₁ R(U) = A^β₁U^{1- β};

ТКR|_U=const = TKA₁ + (1/ β-1) TKI|_U=const

ТКR|_I=const = β TKA₁ + (1-β) TKU|_I=const.

Для серийных варисторов при Т = - 40 – +100⁰С

ТКR|_U=const = TKI|_U=const < 7 10^-3 град^-1;

ТКR|_I=const = – TKU|_I=const < 1,4 10^-3 град^–1

- номинальная мощность рассеяния

малой мощности до 1 Вт СИ1-1-1, СИ1-2-1, СИ1-2-2;

большая мощность от 15 до 150 Вт;

- рабочий ток 2 – 10 мА (малой мощности0; 0,05А – 1,25А – большой

- рабочие напряжения 15 – 1500 В;

- частотный диапазон.

а б

Рис.6.23

Варисторы используются для:

- защиты высоковольтных линий передач от атмосферных перенапряжений;

- защита контактов от разрушений и схем от перенапряжений;

- стабилизации токов и напряжений (в телевизорах высокое напряжении);

- регулирование механических и электрических величин (питание системы отклонения телевизоров и др. аппаратуры);

- преобразование частоты;

- получения функциональных зависимостей.

Изготавливаются в виде дисков:

СН1-2-1 Ø16х8 1Вт I = 3мА U = 56–270 β = 3,5,

СН1-2-2 Ø12х7 1Вт I = 3мА U = 15–100 β = 3,5,

СН1-10 Ø40х10 3Вт I = 10мА U = 15–47 β = 3,2;

стержневые:

СН1-1-1, СН1-1-2 Ø49х19 1Вт I = 10мА U = 560–1200 β = 3–4,

Ø7х16 0,8Вт I = 10мА U = 560–1300 β = 3–4,

Ø35х9 2,5Вт I = 20мА U = 33 β = 4,

Ø13х120 2Вт I = 50мкА U=2500 β = 5.

 

Полупроводниковые гальваномагнитные эффекты и приборы

Кинетические эффекты, имеющие место при одновременном воздействии на полупроводник электрического и магнитного полей, называют гальваномагнитными эффектами.

Эффект Холла – один из гальваномагнитных эффектов. Из курса физики известно, что в магнитных полях (слабых τ << Т_с, сильных τ >> Т_с время релаксации носителя заряда соответственно много меньше и много больше его периода обращения по круговой орбите в магнитном поле) с индукцией В, при эффективной массе носителя заряда m*, частота циклотронного резонанса ω_с определяется (из равенства центробежной силы и силы Лоренца m*v²/r = qvB) как

ω_с = 2π/Т = (q/m*)B,

при этом в слабых полях имеем:

τ·ω_с/2π = q τB/2πm* = μB/2π<<1,

а в сильных

τ·ω_с/2π = μB/2π >> 1.

То есть условие сильного и слабого магнитного поля определяется не только значением индукции В, но и значением подвижности μ.

Учитывая, что длина свободного пробега l = vτ, а радиус циклотронной орбиты r = v/ω_с, то получим, что

l /r= τ ω_с,

то есть в слабом магнитном поле (r >> L), носители заряда движутся по круговому пути в плоскости, перпендикулярной В и успевают до столкновения пройти малый путь по круговой орбите, а в сильном траектория искривляется очень сильно (r << L).

Для полупроводника рис.6.24,а, при воздействии электрического поля Е величина тока определяется законом Ома

.

При помещении образца в магнитное поле В перпендикулярного вектору тока (см.рис.6.24 а), траектория движения носителей заряда изменяется в результате действия силы Лоренца

,

которая перпендикулярна плоскости векторов и (знак «+» соответствует дырке, «–» электрону).

Но , поэтому сила Лоренца

.

 

а б в

Рис.6.24

Следовательно, направление силы Лоренца не зависит от знака носителя заряда и электроны и дырки отклоняются в одну и ту же сторону (правило «трех пальцев» левой руки). При этом на поверхности полупроводника возникает на одной грани дефицит носителей, а с другой их избыток – возникает электрическое поле U_н. Причем изменение типа электропроводности изменяет знак ЭДС, т.к. носители различных знаков смещаются к одной и той же грани рис.6.24, б, в. Явление возникновения в полупроводнике (с текущим по нему током) поперечного электрического поля (под действием магнитного поля) называется эффектом Холла, а возникающая ЭДС – ЭДС Холла величина которой будет расти до тех пор пока сила, обусловленная этим полем, не скомпенсирует силу Лоренца

.

Холловская разность потенциалов при ширине образца в определяется

U_и = = – VВв= – 1/qnjB в = RjB в,

где R – коэффициент (или постоянная) Холла который для электронов равен R= – 1/qn, а для дырок R = 1/qр, т.е. он обратно пропорционален концентрации носителей.

Угол Холла φ_р,n определяется направлением поля Холла (рис.6.25), который положителен для дырочного полупроводника и отрицателен для электронного φ_n

.

Рис.6.25

Искривление траекторий носителей заряда в магнитном поле приводит к изменению составляющей тока, направленной вдоль вектора электрического поля, что эквивалентно изменению удельного сопротивления полупроводника (ρ).

Это явление получило название эффекта Гаусса или магниторезистивного эффекта.

При совпадении по направлению векторов и удельное сопротивление определяется

Ρ = 1/σ = Е/j.

Ведение магнитного поля изменяет величину ρ, причем это изменение может быть учтено, если вместо величины подставить проекцию Е на вектор , т.е. .

Однако, определение в линейном приближении изменения сопротивления (при слабом магнитном поле) дает

ρ_в = σЕ²/(σЕ)² = 1/σ = ρ,

т.е. сопротивление полупроводника не меняется.

Используя квадратичное приближение получено, что

,

где А = 3/2r(1 – π/4) – зависит от механизма рассеяния носителей; α – угол между направлением векторов и

.

Таким образом, поворачивая образцы в магнитном поле и измеряя ρ_в/ρ, можно получить важные сведения о параметрах зонной структуры материала (однако полученное выражение справедливо лишь при сферически симметричной зонной структуре).

Изменение сопротивления полупроводниковой пластины в магнитном поле существенно зависит от ее конфигурации (отношение длины и ширины), поскольку возникающее поперечное электрическое поле ЭДС Холла препятствует изменению траектории носителей заряда под действием магнитного поля и снижает эффект магнитосопротивления.

Для достижения наибольшего изменения сопротивления в магнитном поле используют короткие, широкие образцы с омическими константами на длинных сторонах шунтирующих ЭДС Холла. Оптимальной конструкцией является диск Корбино, из которого один контакт – в центре круговой пластины, а другой – по ее окружности. (ЭДС Холла здесь практически отсутствует и ток протекает в радиальных направлениях).

В качестве примера приведем зависимость магнита резистивного элемента от величины отношения длины образца и ширине (для InSb) и для диска Корбино рис.6.26.

 

Рис.6.26

В заключение отметим, что в сильных магнитных полях постоянная Холла не зависит от механизма рассеяния, а для магнитосопротивления наступает режим насыщения. При этом величина магнитосопротивления при насыщении зависит от механизма рассеяния.

Можно показать, что для полупроводников со смешанной проводимостью плотность тока равна

,

откуда: постоянная Холла и магнитосопротивления равны соответственно:

R = 1/q(p – n); ρ_B = 4/3r (n/μ_n + p/μ_p)/q(p – n).

Преобразователи и датчики Холла изготавливаются в виде пластиной прямоугольной формы монокристалла или поликристаллического полупроводника, либо тонких пленок (1–10 мкм) нанесенных на диэлектрическую подложку. В качестве материала используют селенид и теллурид ртути и их твердые растворы (НdSe, HdTe), а также Ge, InSb, InAs и др. соединения типа А^IIIВ^V с высокой подвижностью электронов (Ge-3800м²/в сек) – 10000 HdTe; 30000 InAs; 60000 – InSb = μ 10⁴). К пластине припаивают 4 электрода: два входных (токовых) и два выходных (холловских).

Для устранения неэквипотенциальности выходных контактов включают или формируют компенсационные резисторы.

Основными параметрами и свойствами датчиков Холла, являются:

- входное сопротивление (сопротивление между входными клеммами R_вх = ρ l /χα, χ – коэффициент Холла ρ l /χα);

- выходное сопротивление (сопротивление между выходными клеммами);

- коэффициент использования (КПД) датчика ЭДС Холла η = Р_н/Р_вх (отношение отдаваемой мощности к подводимой);

- максимально допустимый ток I_макс;

- максимальная ЭДС Холла при заданной индукции магнитного поля;

- вольтовая чувствительность (отношение максимальной ЭДС к индукции магнитного поля);

- коэффициент передачи Е_н/Е = ׀tgΘ׀;

- частотные свойства (определяются временем релаксации и имеет порядок 10^–12 – 10^–13сек, хотя с ростом частоты встречается ряд существенных трудностей);

- рабочая температура (температурный коэффициент вольтовой чувствительности изменяется с изменением температуры от 2 10^–3 до 10^–2 град^–1 и определяется сильной зависимостью концентрации и подвижности носителей).

Приборы магнитосопротивления и датчики на эффекте Холла является в последние годы объектом пристального внимания, т.к. на основе этих эффектов при исследовании полупроводников с высокой подвижностью носителей тока создаются всевозможные приборы и устройства, которые все шире внедряются в различные области техники и народного хозяйства.

Основа таких приборов – датчики ЭДС Холла и магниторезисторы, первые используются для:

- измерения и исследования магнитных полей;

- исследования свойств магнитных материалов;

- измерения электрических и неэлектрических величин;

- исследования характеристик электрогенераторов и других электрических агрегатов;

- выполнение арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня) и работа в качестве др. активных приборов ВТ;

- выполнение функций отдельных элементов радиоэлектрических цепей (линейное и квадратичное детектирование, модуляторы, смесители, удвоители частоты, генераторы, усилители), а также для создания различных реле, компенсаторов, компараторов и др. систем регулирования.

Магниторезисторы – используют для измерения магнитной индукции и мощности;

- удвоения частоты и анализа гармоник;

- преобразование постоянного тока в переменный;

- усиление и генерация сигналов;

- создание элементов счетных устройств и др.

Подробные принципы использования и схемы см. в работе А.Кобуса и Я.Тушинского. Датчики Холла и магниторезисторы. М.:Энергия.- 1971.