8.1. Терморезисторы

Терморезистор представляет собой резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры. Среди терморезисторов выделяют термисторы прямого подогрева, термисторы косвенного подогрева, болометры и позисторы.

Термисторы

Термистор - это полупроводниковый резистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется либо под влиянием теплоты, которая выделяется при протекании электрического тока, либо в результате изменения температуры из-за изменения теплового облучения.

Отрицательный температурный коэффициент сопротивления может быть обусловлен различными причинами: увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью, фазовыми превращениями полупроводникового материала.

Первая причина характерна для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, соединения типа АIIIВV и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности с неполной ионизацией примесей и собственной электропроводности, так как в обоих случаях температурные изменения подвижности пренебрежимо малы.

В указанных диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры достаточно точно определяется выражением:

 R=R∞exp⁡(BT),(8.1)

где B - коэффициент температурной чувствительности; R∞ - коэффициент, который зависит от материала и размеров термистора.

При неполной ионизации примесей для нескомпенсированного полупроводника

 B≈ΔEпk,(8.2)

а для скомпенсированного полупроводника

 B≈ΔEп2k,(8.3)

где ΔEп - энергия ионизации примесей.

При собственной электропроводности

 B≈ΔEg2k,(8.4)

где ΔEg - ширина запрещенной зоны.

Значительная часть термисторов изготовлена из оксидных полупроводников (оксидов металлов переходной группы от титана до цинка).

Для металлов переходной группы характерно наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность.

В результате при образовании оксида в определенных условиях в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. С увеличением температуры энергия обмена экспоненциально уменьшается, что приводит к увеличению интенсивности обменов и уменьшению сопротивления. Температурная зависимость сопротивления термисторов из оксидных полупроводников имеет такой же характер, как и ковалентных полупроводников (рис. 8.1), однако коэффициент температурной чувствительности в данном случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.

Температурная характеристика термистора - это зависимость его сопротивления от температуры, которая выражается соотношением (8.1). Коэффициенты R∞ и B могут быть найдены экспериментально путем измерения сопротивлений термистора при температурах T1 и T0:

 R∞=R0exp⁡(−BT0),(8.5)
 B=T1T0T1−T0ln⁡(R0R1).(8.6)

Рис. 8.1. Температурная характеристика термистора

Таким образом, температурная характеристика считается заданной, если известны сопротивления R0 и R1. В качестве сопротивления R0 используют сопротивление при температуре T0=293 К, которое называют номинальным сопротивлением. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких Ом до нескольких сотен килоом.

Сопротивление R1 удобно измерять при сопротивлении кипения воды. Зависимость сопротивления термистора от температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления термистора - это величина, определяемая отношением относительного сопротивления термистора к изменению температуры:

 TKR=1RdRdT.(8.7)

Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры. Используя (8.1) и (8.7), получим

 TKR=−BT2.(8.8)

При комнатной температуре значение температурного коэффициента сопротивления составляет (0,8...0,6)⋅10−2 К-1.

Статическая вольт-амперная характеристика термистора представляет собой зависимость падения напряжения от протекающего тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Вольт-амперные характеристики термисторов прямого подогрева

Характеристики линейны при малых токах и напряжениях, поскольку выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного увеличения его температуры. Увеличение тока вызывает рост выделяемой мощности, что повышает температуру термистора, вызывая уменьшение сопротивления и нарушение линейности характеристики. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности термистора на вольт-амперной характеристики может наблюдаться участок отрицательного дифференциального сопротивления: падение напряжения на термисторе уменьшается с увеличением тока.

Для каждой точки статической вольт-амперной характеристики термистора справедливо уравнение теплового баланса между мощностью, которая выделяется в термисторе, и мощностью, которую термистор рассеивает в окружающую среду:

 U2R=I2R=H(T−Tокр),(8.9)

где H - коэффициент рассеяния термистора; T - температура термистора; Tокр - температура окружающей среды.

Коэффициент рассеяния термистора определяет мощность, которую необходимо выделить в термисторе, чтобы нагреть его на 1 К.

Из (8.1) и (8.9) можно получить уравнение статической ВАХ термистора в параметрическом виде:

 {U=HR∞(T−Tокр)exp⁡(BT),I=HR∞(T−Tокр)exp⁡(−BT).(8.10)

Как следует из (8.10), вид статической ВАХ термистора определяется коэффициентом рассеяния, коэффициентом температурной чувствительности, номинальным сопротивлением термистора и температурой окружающей среды.

При уменьшении коэффициента рассеяния происходит более интенсивный разогрев термистора, следовательно, те же температуры достигаются при меньших мощностях и характеристики смещаются в область меньших напряжений.

Увеличение коэффициента температурной чувствительности приводит к смещению максимума характеристики в сторону меньших мощностей, а крутизна падающего участка возрастает.

При увеличении температуры окружающей среды уменьшается сопротивление термистора, снижается максимум ВАХ и уменьшается ее крутизна.

Исследуя (8.10) на экстремум, можно определить температуру полупроводника, соответствующую точке максимума ВАХ:

 Tэкстр.=B±B(B−4Tокр)2.(8.11)

Из (8.11) следует, во-первых, что ВАХ будет иметь экстремальные значения только при условии B>4Tокр. Во-вторых, выражение (8.11) определяет температуры максимума и минимума ВАХ, однако температура минимума лижет вне рабочего диапазона температур. Наконец, температура, а значит, и сопротивление термистора при максимуме напряжения не зависят от коэффициента рассеяния, поэтому максимумы статических ВАХ термистора, помещенного в различные среды, наблюдаются при одних и тех же сопротивлениях термистора.

Коэффициент энергетической чувствительности термистора определяется как мощность, которую нужно подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициент энергетической чувствительности связан с коэффициентом рассеяния и температурным коэффициентом сопротивления

 G=HTKR(8.12)

и зависит от режима работы, то есть различно в каждой точке статической ВАХ.

Быстродействие термистора характеризуется постоянной времени, которая определяется как интервал времени, в течение которого температура термистора при его свободном охлаждении уменьшается в е раз по отношению к первоначальной разности температур термистора и окружающей среды. Для различных термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140с.

Термистор косвенного подогрева - это термистор, имеющий дополнительный источник теплоты - подогреватель.

Конструкции термисторов косвенного подогрева различны, однако имеют общую особенность - наличие двух электрически изолированных друг от друга цепей: управляющей и управляемой.

Помимо характеристик и параметров, общих для всех термисторов, термисторы косвенного подогрева обладают специфическими характеристиками и параметрами.

Статические ВАХ термисторов косвенного подогрева приводят для различных значений тока через подогреватель (рис. 8.3,а).

Подогревная характеристика представляет собой зависимость сопротивления от мощности, выделяемой в спирали подогревной обмотки (рис. 8.3,б).

аб

Рис. 8.3. Статические вольт-амперные (а) и подогревная (б) характеристики термистора косвенного подогрева

Коэффициент тепловой связи - отношение мощности, необходимой для разогрева термочувствительного элемента до некоторой температуры при прямом нагреве к мощности, необходимой для разогрева до той же температуры при косвенном подогреве. Коэффициент тепловой связи обычно составляет 0,5…0,97, из-за потерь теплоты, выделяемой подогревателем.

Тепловая инерционность термисторов косвенного подогрева характеризуется двумя постоянными времени. Одна постоянная времени определяет время, в течение которого температура термочувствительного элемента изменяется в е раз по отношению к установившемуся значению при мгновенном изменении мощности в цепи подогревателя. Вторая постоянная времени характеризует задержку в изменении температуры термочувствительного элемента по отношению к изменению температуры подогревателя.

Болометры

Полупроводниковый болометр - это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения.

Обычно болометр состоит из двух пленочных термисторов, один из которых является активным, а второй - компенсационным. Активный термистор непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения, что приводит к изменению его сопротивления. Компенсационный термистор служит для компенсации возможных изменений температуры окружающей среды и экранирован от измеряемого излучения. Оба термистора помещают в один герметичный корпус.

Болометры, как правило, имеют три внешних вывода: от активного и компенсационного термисторов и от средней точки.

Для характеристики болометров используют следующие параметры:

· сопротивление активного термистора при комнатной температуре;

· рабочее напряжение;

· чувствительность, равная отношению полезного сигнала, снимаемого с болометра, к мощности падающего на болометр излучения;

· порог чувствительности - мощность излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов;

· постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного термистора.

Позисторы

Позистор - это полупроводниковый терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Массовое производство позисторов основано на использовании керамики из титаната бария. Титанат бария BaTiO3 - диэлектрикс удельным сопротивлением при комнатной температуре 1010…1012 Ом·см.

Если в состав керамики из титаната бария ввести примеси редкоземельных элементов (лантана, церия и др.) либо других элементов (ниобия, тантала, сурьмы, висмута и др.), имеющих валентность, большую чем у титана, то это приведет к уменьшению удельного сопротивления до 10…102 Ом·см, что соответствует удельному сопротивлению полупроводников (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Зависимость удельного сопротивления титаната бария от концентрации примесей: 1 - неодима; 2 - церия, лантана, ниобия; 3 - иттрия

Механизм электропроводности полупроводникового титаната бария обусловлена замещением в узлах кристаллической решетки бария примесью. При этом часть атомов титана, поддерживая электрическую нейтральность всего кристалла, захватывает лишние валентные электроны примеси, имеющей большую валентность, чем барий. Захватываемые электроны находятся в квазиустойчивом состоянии и легко перемещаются под действием электрического поля.

Резистивный слой позистора состоит из большого числа контактирующих зерен или кристаллитов полупроводникового титаната бария. Сопротивление позистора определяется сопротивленим обедненных поверхностных слоев на зернах. При температурах ниже точки Кюри, когда в зернах существует спонтанная поляризация и материал обладает очень большой диэлектрической проницаемостью, высота поверхностных потенциальных барьеров на зернах оказывается малой. При температурах, превышающих точку Кюри, титанат бария претерпевает фазовое превращение из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. При этом пропадает спонтанная поляризация, резко уменьшается диэлектрическая проницаемость, растет высота поверхностных потенциальных барьеров на зернах и увеличивается сопротивление позистора.

Таким образом, в узком диапазоне температур при нагреве выше точки Кюри удельное сопротивление полупроводникового титаната бария увеличивается на несколько порядков.

Рис.8.5. Температурные характеристики позисторов

Температурные характеристики позисторов (рис.8.5) связаны с точкой Кюри керамики. Точка Кюри титаната бария может быть смещена в сторону низких температур путем частичного замещения бария стронцием, цирконием, оловом или самарием, а также в сторону высоких температур - частичной заменой бария свинцом. Такое регулирование позволяет создавать позисторы, у которых положительный температурный коэффициент сопротивления наблюдается в разных диапазонах температур.

Титанат бария, хотя и наиболее распространенный, но не единственный материал, пригодный для изготовления позисторов. Положительный температурный коэффициент можно получит при использовании материалов SrTiO3 с добавкой ниобия, PbTiO3 с добавкой лантана, PbNbO6 с добавкой вольфрама и ряда других.

Иногда для создания позисторов используют монокристаллические полупроводниковые материалы (кремния, германий и др.). Принцип действия таких позисторов основан на уменьшении подвижности носителей заряда при увеличении температуры. Преимуществом монокристаллических позисторов перед поликристаллическими является возможность их изготовления с относительно малым разбросом параметров и характеристик. Так, при использовании планарной технологии можно создавать монокристаллические позисторы с разбросом номинальных сопротивлений 1…2%. Однако из-за меньшей стоимости и из-за больших температурных коэффициентов сопротивления поликристаллические позисторы нашли более широкое применение.

Свойства позисторов оцениваются характеристиками и параметрами, аналогичными характеристикам и параметрам термисторов.

При относительно малых и больших температурах температурные характеристики позисторов являются падающими, то есть позисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Существенным недостатком поликристаллических розисторов является неоднозначность температурных характеристик при различных приложенных напряжениях.

Температурный коэффициент сопротивления для позисторов оказывается не очень удобным параметром, так как его значение сильно зависит от температуры.

Статическая вольт-амперная характеристика позистора (рис.8.6) представляет собой зависимость напряжения на позисторе от проходящего через него тока при условии теплового равновесия между теплотой, выделяемой в позисторе, и теплотой, отводимой от него.

Рис.8.6. Вольт-амперная характеристика позистора