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 относятся: номинальное сопротивлениеR,его температурная зависимость, подчиняющаяся экспоненциальному закону, и температурный коэффициент сопротивления(ТКR). Важное требование − стабильность этих характеристик при эксплуатации. В небольшом объеме терморезистора можно сосредоточить большое сопротивление (Rизменяется 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(ТКR) терморезистора представляет собой относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1°C и выражается уравнением
|
|
TKR = ∙ » ∙ ,
где TKR – температурный коэффициент сопротивления, 1/ ; R2 – сопротивление катушки при температуре t2; R1 – сопротивление катушки при температуре t1 (t2 > t1).
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 малочувствительны к присутствию посторонней примеси и небольшим отклонениям от режима термообработки. Путем подбора определенного соотношения образующих компонентов получают заданные значения номинального сопротивления Rи ТКR.
Важной характеристикой терморезисторов является также постоянная времениτ − время, в течение которого температура терморезистора изменяется в «е» раз (на 63 %) при переносе его из воздушной среды с температурой 120 °С в воздушную среду с температурой 20 °С. Постоянная времени τ у разных терморезисторов изменяется от 0,5 до 140 с.
В зависимости от строения полупроводникового материала ТКR 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 ТКR.
Полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТКR называют термисторами (рис. 5.1а). Их изготавливают из различных полупроводниковых материалов. У термисторов, полученных из монокристаллического ковалентного полупроводника (Si, Gе, SiС, GаР и др.), в интервале температур, соответствующем примесной или собственной электропроводности, ТКR имеет отрицательное значение. В данном случае с увеличением температуры электропроводность возрастает, а сопротивление снижается (в результате увеличения концентрации носителей заряда).
|
|
Зависимость сопротивления термисторов от температуры в диапазоне нескольких десятков градусов удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией
где А – сопротивление при бесконечно большой температуре, В – коэффициент температурной чувствительности (его значения обычно лежат в диапазоне
1200–16000).
Коэффициент температурной чувствительности B можно определить по формуле
где T0 – начальное значение температуры термистора (градусы Кельвина) и
R0 – сопротивление при этой температуре; Tm – максимальное значение температуры термистора и Rm – сопротивление при этой температуре.
Коэффициент А можно определить по формуле
а) б)
Рис. 5.1. Температурные зависимости термистора (а) и позистора (б)
В настоящее время в производстве термисторов наибольшее применение получили оксиды металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева: Тi, V, Cr, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn. Полупроводниковая керамика на их основе имеет более низкую стоимость, чем монокристаллические полупроводники, что в значительной мере обусловливает ее широкое применение.
Величина ТКR термисторов зависит от ширины запрещенной зоныполупроводникового материала, из которого они изготовлены; она не постоянна и с повышением температуры уменьшается.
В производстве термисторов обычно используют смеси полупроводниковых оксидов металлов переходной группы периодической системы Д.И. Менделеева: СuО+Мn3О4; Мn3О4+NiO; Мn3О4+NiO+Со3О4, а также смеси оксидов железа с полупроводниками сложного состава: МnСо2О4, СuМn2О4, МgСr2О4 и др. Наиболее распространенными типами термисторов являются медномарганцевые (ММТ), кобальтомарганцевые (КМТ и СТ1) и меднокобальтомарганцевые (СТЗ).
Термисторы используют для температурной стабилизации электрических цепей и контуров, стабилизации режимов транзисторных каскадов, температурной компенсации электроизмерительных приборов, в устройствах измерения и регулирования температуры и устройствах автоматики и контроля.
Терморезисторы с положительным ТКR называют позисторами
(рис. 5.1б). В основном позисторы производят из полупроводниковой керамики, обладающей точкой Кюри и большим положительным ТКR в узком интервале температур.
Описать зависимость сопротивления позисторов от температуры экспоненциальной функцией, к сожалению, не удается.
Наиболее распространенные − позисторы типов СТ5 и СТ6 − изготавливают из керамики на основе титаната бария ВаТiO3. Сопротивление такой керамики снижают путем добавления редкоземельных элементов. При нагревании ее сопротивление изменяется в 103−105 раз. Сопротивление керамики на основе ВаТiO3 определяется сопротивлением поверхностных слоев контактирующих между собой кристаллических зерен (кристаллитов).
В производстве позисторов иногда используют монокристаллический Si, Gе или другой ковалентный полупроводник. Положительный ТКR у этих материалов объясняется тем, что в области насыщения, в которой находится рабочий температурный интервал полупроводникового прибора, с увеличением температуры уменьшается подвижность носителей заряда, а их концентрация nне изменяется. Поэтому γ уменьшается и ТКR становится положительным. Позисторы, изготовленные из монокристаллического кремния с небольшой концентрацией примесей (1021–1023 м-3), имеют ТКR = (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, имеющие более низкую стоимость и больший ТКR, чем монокристаллические, нашли широкое применение в производстве позисторов. Положительный ТКR у позисторов всех типов наблюдается в определенном интервале температур. При температурах выше или ниже этого интервала ТКR становится отрицательным.
Позисторы используют для бесконтактных термопереключателей, защиты элементов радиоаппаратуры от перегрузки по току, для зашиты электродвигателей в аппаратах записи и воспроизведения звука.
Некоторые характеристики термисторов и позисторов приведены в таблицах 5.1 и 5.2.
Таблица 5.1
Некоторые характеристики термисторов
Характеристика | Тип термистора | ||
ММТ-4 | КМТ-1 | СТЗ-26 | |
Пределы номинального сопротивления при 20 °С, кОм | 1–200 | 22–1000 | 0,1–0,68 |
ТКR при 20 °С, %/°С | 2,4–5,0 | 4,2–8,4 | 2,4–5,0 |
Интервал рабочих температур, °С | –60–(+125) | –60–(+180) | –60–(+125) |
Постоянная времени, с, не более | – |
Таблица 5.2
Некоторые характеристики позисторов
Характеристика | Тип позистора | ||
СТ5-1 | СТ6-1А | СТб-ЗБ | |
Пределы номинального сопротивления при 20°С, кОм | 20–150 | 40–400 | 1000–10 000 |
Максимальный ТКR 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 ТКR | 103 | 103 |
Рис. 5.2. Фотография экспериментальной установки