ТР3 Рудова А (Подборка образцов ТР)

I. ОСОБЕННОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ

Резистивным элементом в КР являются полупроводящие мате­риалы, получаемые путем механического смешивания порошкооб­разных полупроводников и металлов с диэлектриками. Особенностью композиционных резистивных материалов является большое удельное объемное сопротивление, которое может достигать 10¹⁰ ом*см и более, т. е. значений, свойственных диэлектрикам.

Однако, в отличие от диэлектриков, полупроводящие композиции при известных условиях могут быть получены с малой зависимостью сопротивления от температуры и напряжения. Это дает возможность получения высокоомных резисторов при большом сечении резистивного элемента, что обеспечивает их надежность и устойчивость к перегрузкам, в особенности при объемной конструкции.

Наряду с этим следует отметить ряд технологических и принци­пиальных преимуществ композиционных материалов, а именно:

а) возможность получения резистивного элемента любой формы в виде массивного тела или в виде однородной пленки на любой по форме и величине поверхности, что не всегда достижимо методом осаждения;

б) сравнительно простая технология производства, не требующая в большинстве случаев сложного оборудования, дорогостоящих материалов, высокотемпературных или вакуумных процессов;

в) возможность управления (в определенных пределах) путем изменения состава композиций электрическими свойствами резисто­ров, в частности, варьирования величины и знака температурного коэффициента.

Общим недостатком композиционных резисторов является неко­торая зависимость сопротивления от напряжения и сравнительно большой уровень токовых шумов, в особенности для высокоомных резисторов. Одной из причин этого является сравнительно грубая дисперсность проводящих компонентов.

Резисторы, содержащие органические связующие материалы (смолы), сравнительно легко подвержены воздействию влаги и повы­шенной температуры. Предельные рабочие температуры не превы­шают 150° С. При использовании неорганических связующих (стекло, керамика), хотя и могут быть достигнуты высокая теплостойкость и влагостойкость резисторов, но пределы достижимых величин удельного сопротивления значительно снижаются, увеличиваются нелинейность и токовые шумы.

II. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПРОВОДЯЩИХ КОМПОЗИЦИЙ

Композиционный проводник представляет собой гетерогенную систему из двух или нескольких фаз, из которых одна является проводящей.

В качестве компонентов проводящей фазы используются порош­кообразные полупроводники с малой энергией активации в мелко­дисперсном состоянии, иногда в сочетании с металлами.

Непроводящими компонентами являются:

а) связующие диэлектрические материалы, назначением которых
является механическое скрепление композиции в твердое непо­ристое тело;

б) инертные, порошкообразные (большей частью минеральные)
наполнители, вводимые для придания композиции требуемой струк­туры и механических свойств.

Для того чтобы электрические свойства композиции приближа­лись к свойствам проводящей фазы, необходимо, чтобы непроводя­щие компоненты не участвовали в общей проводимости, что возможно при соблюдении двух условий:

1. проводящая фаза должна быть непрерывной;

1. проводимость непроводящей фазы должна быть значительно меньше общей проводимости композиции.

Последнее условие обеспечивается выбором связующих мате­риалов с достаточно хорошими изоляционными свойствами.

Непрерывность проводящей фазы осуществима в том случае, если ее объемная концентрация в композиции превышает некоторый минимум, при котором возникает вероятность образования непре­рывных (хотя и не прямых) цепей из контактирующих частиц про­водника, диспергированного в композиции.

Образование такой «цепной» структуры проводника облегчается при вытянутой форме его частиц, в частности при использовании в качестве проводника некоторых видов саж, частицы которых само­произвольно агрегируются в более или менее вытянутые цепочки (структурируются), как показано на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Электронная фотография структуро­образующей диффузион­ной газовой сажи.

Образование цепной проводящей структуры возможно также при введении в композицию сравнительно крупного непроводящего наполнителя, который, замещая некоторый объем связующего материала, как бы увеличивает отно­сительную концентрацию распреде­ленного в нем проводящего компо­нента и «принудительно» создает цепную структуру при невытянутой форме проводящих зерен (рис. 8-2).

Рис. 8-2. Структурная схема композиции с инерт­ным наполнителем.

Черные зерна — проводник, белые — наполнитель.

Т
ипичные кривые зависимости про­водимости композиций от объемной концентрации проводящих компонен­тов с различной степенью структури­рования К показаны на рис. 8-3.

Рис. 8-3. Типичные зависимо­сти проводимости композиций от объемной концентрации прово­дящих компонентов с различной степенью структурирования.

Здесь так же, как при осаждении пленок углерода или металлов, имеется кри­тическое количество проводника, при котором начинается резкий рост про­водимости. Разница заключается в том, что в данном случае образование проводящей структуры происходит не на поверхности, а во всем объеме композиции. Критическая концентрация проводника тем меньше, чем больше фактор структурообразования К, и составляет в некото­рых случаях всего единицы процентов от общего объема композиции. При этом только часть проводника из данного количе­ства включена в проводящую струк­туру. Другая, иногда значительная часть, может располагаться в связую­щей среде в виде отдельных изолиро­ванных частиц или их агрегатов, как показано на рис. 8-4.

Рис. 8-4. Электронная фото­графия неструктурирующейся сажи.

Однако, если такие частицы или агрегаты разделены тонкими прослойками воздушной или связующей среды, то они не могут считаться полностью изолированными, так как проводимость тонких прослоек может быть значительной.

Электрические свойства прерывных цепей, включающих в себя толстые диэлектрические прослойки, приближаются к свойствам диэлектриков, неприемлемым в свете существующих требований к резисторам. Поэтому практическое значение могут иметь лишь композиции с преобладающей (не по числу цепей, а по величине суммарной проводимости) цепной струк­турой.

Величина сопротивления. Со­противление композиции может рассматриваться как совокуп­ность сопротивлений контактов между проводящими зернами. Удельное объемное сопротивле­ние композиции  = АП^-m, где величина т всегда больше 1 и увеличивается с уменьшением объемной концентрации провод­ника П.

Р
ис.8-5. Зависимость величины сопротивления пленок от объемной концентрации различных саж (1-ацетиленовая, 2-канальная).

Для показанных на рис. 8-5 экспериментальных кривых изменение величины сопротивления на несколько порядков происходит при сравнительно малом изменении количества проводящего компо­нента.

Величина показателя степени т определяет крутизну кривых  = f(П). Как видно из рис. 8-5, величины сопротивлений, полу­ченные в одинаковых условиях из различных по структуре прово­дящих материалов с одинаковым удельным сопротивлением (в данном случае различные виды саж, очищенные от примесей, имеющие одинаковые значения удельного сопротивления), мало различаются при большом значении П.

При уменьшении П, когда специфические структурные свойства проводящих компонентов могут проявляться в большей мере, вели­чина т резко увеличивается, причем с различной скоростью для разных проводящих компонентов. В связи с этим получение задан­ной величины сопротивления затрудняется по мере его увеличения.

С уменьшением количества проводящих цепей N увеличи­вается флуктуация их количества и ухудшается воспроизводимость величин сопротивления. Для обеспечения удовлетворительной воспроизводимости величин сопротивления необходимо наличие некоторого минимального количества проводящих цепей в общем сечении композиции N_мин. Для данного значения N_мин можно определить предельную величину сопротивления, которая может быть получена на единицу длины композиционного проводника (независимо от площади его поперечного сечения):

Rmax=r_kn/N_мин=r_k/N_минD,

где r_к — сопротивление единичного контакта, п — их количество на 1 см, D — размер зерен проводника.

Решающее значение (при прочих равных условиях) имеет степень дисперсности проводника и давление в ком­позиции, определяющее величину r_к. Последнее зависит от условий формирования композиции, объемной усадки связующей основы при спекании и ее твердости. Этим могут быть объяснены трудности получения высокоомных прессованных ком­позиций, в особенности содержащих связующее, дающие большую усадку при спекании.

Температурная зависимость. Зависимость сопротивления ком­позиций от температуры обусловлена в основном тремя факторами:

1) температурным коэффициентом сопротивления проводящих компонентов ТКр₀;

2) изменением контактных поверхностей между проводящими зернами в результате их упругой деформации;

3) изменением величины зазоров (если таковые существуют) между проводящими зернами.

В общем случае суммарный температурный коэффициент сопро­тивления композиции

ТКС = ТКр_о + ТКС_р + ТКС_,

где  — относительная доля проводимости островковой части сис­темы.

Величины ТКС_р и ТКС_ и их знак определяются соотношением коэффициентов теплового расширения  проводящих компонентов и связующей основы. Эти величины положительны, если преобладает эффект расширения связующей основы, что специфично для органических связующих материалов. При неорганических свя­зующих имеет место обратное положение.

Величина ТКС_р уменьшается с увеличением давления в ком­позиции, а величина ТКС_— с уменьшением размера проводящих зерен. Для плотных контактов (зазоры отсутствуют, TKС_= 0) при большом давлении в композиции величина ТКС_р может быть так мала, что

TKC=ТКр₀.

В общем случае величина TKC может иметь любой знак, причем в композициях с органическим связующим величина ТКС всегда более положительна, чем ТКр₀, а при неорганическом связую­щем — более отрицательна. Ве­личина и знак ТКС могут из­меняться также в зависимости от интервала температур, поскольку величины  и ТКр₀, (а иногда и знак ТКр₀) могут зависеть от температуры.

На рис. 8-6 показаны зависимости температурного коэффициента лакопленочных композиций от ТКр₀ сажи и давления в компози­ции, изменяемого варьированием режима спека­ния пленки.

Рис. 8-6. Зависимость ТКС лакосажевых композиций от ТКС сажи

1- композиции с 12% газовой сажи; 2 —то же, после дополнительного спекания пленки.

Возможности компенсации ТКр₀ ограничены опре­деленным интервалом температур, в котором ТКр₀ и  практи­чески постоянны. В действительности же ТКр₀ саж (как и других полупроводниковых материалов) с понижением температуры растет, а коэффициент расширения некоторых органических материалов  уменьшается.

В связи с этим ТКС композиционных резисторов с углеродом и органическим связующим при низких температурах имеет отрицательный знак, независимо от знака ТКС в области положительных температур.

Типичные кривые температурной зависимости сопротивления лакосажевых пленочных композиций показаны на рис. 8-7.

Рис. 8-7. Температурная зависимость лакосажевых композиций с сажами, различающимися величиной ТКС