Краткая теория

ВАРИСТОРЫ

Цель работы: Ознакомиться с принципом действия, характеристиками и параметрами нелинейных полупроводниковых сопротивлений (симметричных варисторов), изучить зависимость их работы от температуры. Снять ВАХ варистора. Определить температурный коэффициент сопротивления варистора.

Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Варисторы изготовляют методом керамической технологии, т. е. путем высокотемпературного обжига заготовок из порошкообразного карбида кремния со связкой, в качестве которой обычно используют глину. Чаще всего варисторы имеют форму стержней или дисков с электродами, на противоположных концах или поверхностях к которым припаяны выводы для присоединения к схеме.

Нелинейность ВАХ варисторов (рис. 5.1.1) обусловлена явлениями на точечных контактах между кристаллами карбида кремния. При малых напряжениях на варисторе может происходить туннелирование электронов сквозь тонкие потенциальные барьеры, существующие на поверхности кристаллов карбида кремния.

При больших напряжениях на варисторе и соответственно при больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Все напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и нелинейности ВАХ.

Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т.е. сопротивлением малых активных областей полупроводника под точечными контактами. Из-за малости активных областей их разогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме того, малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов – разогрев и охлаждение этих областей. Теоретические расчеты показывают, что тепловая постоянная времени активных областей может составлять 10^{-6 _} 10^-8 с.

Считая разогрев активных областей под точечными контактами одним из основных процессов, приводящих к нелинейности ВАХ, можно получить ряд важнейших зависимостей и характеристик варисторов.

Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников γ соответствует уравнение

. (5.1.1)

Сопротивление растекания двух контактирующих кристаллов

, (5.1.2)

где d – диаметр точечного контакта, В – коэффициент температурной чувствительности поверхностных слоев кристаллов карбида кремния.

Тогда статическое сопротивление варистора, состоящего из а параллельно включенных цепочек, имеющих b последовательно включенных контактирующих кристаллов,

. (5.1.3)

Уравнение теплового баланса для активных областей варистора имеет вид

U²/R = I²R = H(T – T₀). (5.1.4)

где H – коэффициент рассеяния активных областей, Т – температура активных областей, Т₀ – температура среды, окружающей активные области.

Из (5.1.3) и (5.1.4) можно получить уравнения ВАХ варисторов в параметрической форме:

, (5.1.5)

. (5.1.6)

Используя уравнения (5.1.5) и (5.1.6), можно выяснить некоторые требования, предъявляемые к исходному материалу для изготовления варисторов с заданными свойствами, и установить связь между различными параметрами варисторов.