Терморезисторы

Терморезисторы — это полупроводниковые резисторы, значи­тельно изменяющие свое сопротивление при изменении температу­ры. Они имеют большую величину температурного коэффициента сопротивления и нелинейную вольт-амперную характеристику.

К основным характеристикам терморезисторов относят: номинальное со­противление R, его температурную зависимость, подчиняющуюся экспонен­циальному закону (см. формулу (8.1)), и температурный коэффициент сопро­тивления (ТКС). Важное требование — стабильность этих характеристик при эксплуатации. В небольшом объеме терморезистора можно сосредоточить большое сопротивление (R изменяется в пределах от Ом до МОм), благодаря чему сопротивление электрической цепи, в которую включен терморези­стор, будет в основном определяться сопротивлением терморезистора. Из­меняя температуру терморезистора, можно регулировать ток в цепи.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) терморезистора представляет собой относительное изменение сопротивления при измене­нии температуры на 1 К и выражается уравнением:

1 АТ>

ТКС=-—100%.

RdT

Используя выражение (8.8), можно определить ТКС терморезистора для лю­бого интервала температуры кривой рис. 8.5.

а

Пользуясь графическим методом, можно определить ТКС в любой точке кривой рис. 8.5. Например, необходимо определить ТКС в точке 0 на кри­вой R = ф(7). Для этого в точке 0 проводят касательную к кривой R = <р(7) и строят на ней, как на гипотенузе, прямоугольный треугольник с катетами OA и АБ. Тогда

dR _ OA М_с dT~ АБ М_Т'

(8.9)

где М_с — масштаб оси ординат, Ом/мм; М_Т — масштаб оси абсцисс, °С/мм.

Для производства терморезисторов наибольший интерес представляют полупроводниковые материалы, обеспечивающие широкий диапазон номи­нального сопротивления R, различный температурный коэффициент удель­ного сопротивления, малый разброс параметров и т.д. Кроме того, жела­тельно, чтобы характеристики этих материалов были мало чувствительны к присутствию посторонней примеси и небольшим отклонениям от режима термообработки. Путем подбора определенного соотношения образующих компонентов получают заданные значения номинального сопротивления R и ТКС.

Важной характеристикой терморезисторов является также постоянная времени т — время, в течение которого сопротивление терморезистора уменьшится на 63 % при переносе его из воздушной среды с температурой 120 °С в воздушную среду с температурой 100 °С.

(8.8)

R, кОм 6

40- 20-

-20 0 20 60 100 Т₉ °С

Рис. 8.5. Температурная зависимость сопро­тивления Rтерморезистора (на примере тер- мистора MMT-4)

В зависимости от строения полупроводникового материала ТКС может быть не только отрицательным, но и положительным в опре­деленном интервале температур. При этом причины, приводящие к изменению сопротивления вследствие изменения температуры, бу­дут различными у терморезисторов с положительным и отрицатель­ным ТКС.

Полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТКС на­зывают термисторами. Их изготавливают из различных полупровод­никовых материалов. У термисторов, полученных из монокристалли­ческого ковалентного полупроводника (Si, Ge, SiC, GaP и др.), в интервале температур, соответствующем примесной или собствен­ной электропроводности, ТКС имеет отрицательное значение (см. рис. 8.4). В данном случае с увеличением температуры электропро­водность возрастает, а сопротивление снижается в результате увели­чения концентрации свободных носителей заряда.

В настоящее время в производстве термисторов наибольшее при­менение получили оксиды металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева: Ti, V, Сг, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn. Полупроводни­ковая керамика на их основе имеет более низкую стоимость, чем монокристаллические полупроводники, что в значительной мере обусловливает ее широкое применение. Для металлов переходной группы характерными являются незаполненные 3d электронные уровни и переменная валентность. Электропроводность их связана с обменом электронами между ионами, имеющими переменную ва­лентность (см. гл. 9.3.3). С увеличением температуры энергия, необ­ходимая для такого обмена, экспоненциально уменьшается. В ре­зультате возрастает интенсивность обмена электронами и, как следствие этого, сопротивление снижается.

Величина ТКС термисторов зависит от ширины 33 полупровод­никового материала, из которых они изготовлены; она не постоянна и с повышением температуры уменьшается.

Терморезисторы с положительным ТКС называют позисторами. В основном позисторы производят из полупроводниковой керамики, обладающей точкой Кюри и большим положительным ТКС в узком интервале температур. Наиболее распространенные — позисторы ти­пов СТ5 и СТ6 — изготавливают из керамики на основе титаната ба­рия ВаТЮ₃ (см. гл. 7.15.1). Сопротивление такой керамики снижают путем добавления редкоземельных элементов. При нагревании ее со­противление изменяется в 10³—10⁵ раз. Сопротивление керамики на основе ВаТЮ₃ определяется сопротивлением поверхностных слоев контактирующих между собой (кристаллических зерен) кристалли­тов. При температурах ниже точки Кюри Т_к высота потенциальных барьеров поверхностных слоев мала для носителей заряда, но суще­ственно возрастает при температурах, выше Г_к, когда ВаТЮ₃ перехо­дит из сегнетоэлектрического состояния в параэлекгрическое. В ре­зультате сопротивление керамики возрастает. При дальнейшем повышении температуры высота потенциальных барьеров поверхно­стных слоев кристаллитов BaTi0₃ увеличивается; соответственно уве­личивается и сопротивление позистора. Температурный интервал ТКС керамики на основе ВаТЮ₃ можно повысить или понизить пу­тем изменения величины Т_к. Если часть атомов бария в ВаТЮ₃ за­местить атомами свинца, то Т_к повысится. И наоборот, Т_к понизится, если часть атомов бария заместить атомами стронция или часть ато­мов титана заместить атомами циркония, олова или самария.

В производстве позисторов иногда используют монокристалли­ческий Si, Ge или другой ковалентный полупроводник. Положитель­ный ТКС у этих материалов объясняется тем, что в области насы­щения (см. рис. 8.4, участок БВ), в котором находится рабочий тем­пературный интервал полупроводникового прибора, с увеличением температуры уменьшается подвижность а носителей заряда, а их концентрация п не изменяется (см. гл. 8.3). Поэтому у уменьшается, и ТКС становится положительным. Позисторы, изготовленные из монокристаллического кремния с небольшой концентрацией приме­сей (10²¹-10²³ м-³), имеют ТКС = (0,7-1,0)-10"² К^-1 с положитель­ным знаком в интервале от 20 до -100 °С. Эти позисторы в сравне­нии с поликристаллическими имеют меньший разброс характе­ристик.

Поликристаллические полупроводниковые материалы имеют бо­лее низкую стоимость и больший ТКС, чем монокристаллические, поэтому они нашли широкое применение в производстве позисто­ров. Положительный ТКС у позисторов всех типов наблюдается в определенном интервале температур. При температурах выше или ниже этого интервала ТКС становится отрицательным.

Все терморезисторы изготавливают методом керамической тех­нологии в виде стерженьков, трубок, шайб, дисков, бусинок, пред­ставляющих собой смесь исходных компонентов в мелкодисперсном состоянии с органической связкой и подвергнутых обжигу. Исход­ный полупроводниковый материал должен обладать чисто электрон­ной проводимостью. Свойства терморезисторов зависят не только от химического состава, но и от величины образующихся при обжиге кристаллитов и ряда других факторов. Заключительной операцией технологического процесса является искусственное старение, заклю­чающееся в длительном (в течение нескольких суток) нагреве гото­вых изделий при температуре, которая в дальнейшем будет опреде­лять их максимальную допустимую температуру Г_макс.

В производстве термисторов обычно используют смеси полупро­водниковых оксидов металлов переходной группы периодической системы Д.И. Менделеева: Cu0+Mn₃0₄; Mn₃0₄+Ni0; Mn₃0₄+Ni0+ +С03О4 (см. гл. 9.3.3), а также смеси оксидов железа с полупроводни­ками сложного состава: MnCo₂0₄, CuMn₂0₄, MgCr₂0₄ и др. Наиболее распространенными типами термисторов являются медномарганце- вые (ММТ), кобальтомарганцевые (КМТ и СТ1) и меднокобальто- марганцевые (СТЗ).

Термисторы используют для температурной стабилизации электриче­ских цепей и контуров, в частности для стабилизации режимов транзистор­ных каскадов, температурной компенсации электроизмерительных прибо­ров, в устройствах измерения и регулирования температуры и устройствах автоматики и контроля.

Позисторы используют для бесконтактных термопереключателей, защи­ты элементов радиоаппаратуры от перегрузки по току, для защиты электро­двигателей в аппаратах записи и воспроизведения звука.

Некоторые характеристики термисторов и позисторов приведены в табл. 8.5 и 8.6.

Таблица 8.5 Некоторые характеристики термисторов

Характеристика	Тип термистора
MMT-4	KMT-1	CT3-26
— Пределы номинального сопротивления при 20 °С, кОм ТКС при 20 °С, %/°С Интервал рабочих температур, °С Постоянная времени, с, не более Максимальная мощность рассеяния при: Гном, мВт, не более ^макс» Вт, не более	1-200 2,4-5,0 —60—[phone] 0,5	22-1000 4,2-8,4 -60-[phone] 0,4	0,1-0,68 2,4-5,0 -60-+125

Таблица 8.6 Некоторые характеристики позисторов

Характеристика	Тип позистора
	CT5-1	CT6-1A	СТ6-ЗБ
Пределы номинального сопротивле­ния при 20 °С, кОм	20-150	40-400	1000-10 000
Максимальный ТКС при 20 °С, %/°С
Интервал рабочих температур, °С	—60—+200	—60—+125	10-125
Постоянная времени, с, не более	10-15	10-15
Кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС	10^3	10^3	10^3
Максимальная мощность рассеяния при 20 °С, Вт, не более	0,8	1,1	0,2

---

Дата добавления: 2015-08-09