Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано разными причинамн — увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между иоиамн с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала. !. Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из моиокристаллов ковалеитиых полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа Ап'В» и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствую- Я, Ом 1Ое 10 У 1О в =лэ„Тй.
(10.2) (10.3) Характеристики н параметры термнсторов прямого подогрева щих примесиой электропроводиости, когда ие все примеси иоиизированы, а также в диапазоне температур собственной электро. проводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизация собственных атомов полупроводника (см. рис. 1.9). И в том и в другом случае зависимость сопротивления цолупроводинка определяется в основном изменением концентрации иоснтелен заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы. В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению Я=Я ехр —, в г (10.1) где  — коэффициент температурной чувствительности; Я вЂ” ко.
эффициеит, зависящий от материала н размеров термистора. При неполной ионнзацни примесей и отсутствии компенсации В ж ЛЭ„/ (2й), где Ь݄— энергия нонизации примесей (доноров или акцепторов). Для скомпенснрованиого полупроводника прн неполной ионнзации примесей При собственной электропроводностн В ЛЭ/(2й), где ЛЭ вЂ” ширина запрещенной зоны полупроводника. 2. Основная часть термнсторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из оксидных полупроводников — оксидов металлов переходной группы таблицы Д.
И. Менделеева (от титана до цинка). Такие термнсторы в форме стержнен, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, т. е. путем обжига заготовок при высокой температуре. Электропроводиость оксндных полупроводников с преобладающей нонной связью отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографвческих положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводиость таких материалов связана с обменом электронамн между соседними ионами.
Энергия, необходимая для такого обмена, экспоиеициально уменьшается с увеличением температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронамн между ионами температурная зависимость сопротивления термистора из оксидного полупроводника имеет такой же характер, как н у термнсторов из ковалеитных полупроводников (рис. 10.1), но коэффи- 402 циеит температурной чувствительности в этом случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.
3. В оксндах ванадия ЧаОа и ЧеОв при температуре фазовых превращений (66 и — 11О'С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может гуО ОТО Ь7О т,х (О гу О уй „-г ,х Рнс. 1Ц1. Температурная характернстнна одного на термнсторов быть использовано для создания термнсторов с большим отрица- тельным температурным коэффициентом сопротивления в диапа- зоне температур, соответствующих фазовому цревращеиню. Температурная характеристика термистора — это зависимость его сопротивления от температуры.
Пример температурной характеристики одного нз термисторов приведен на рис. 10.1. Номинальное сопротивление гермисгора — это его сопротивление прн определенной температуре (обычно 20'С). Термисторы нзготовлвот с допустимым отклонением от номинального сопротивления ~ 20, 1О н 5У~г. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких ом до нескольких сотен кнлоом. Коэффициент температурной чувствительности  — это коэффициент в показателе экспоненты температурной характеристики термистора (!0.1). Значение этого коэффициента, зависящее от свойств материала термнстора, практически постоянно для данного термнстора в рабочем диапазоне температур и для различных типов термнсторов находится в пределах от 700 до 15000 К.
Коэффициент температурной чувствительности может быть найден экспериментально путем измерения сопротивлений термнстора при температурах То и Т по формуле в- — '"ЖЮЙ!7т,— !77 ' Температурный коэффициент сопротивления термистора— это величина, определяемая отношением относительного изменения сопротивления термистора к изменению его температуры: ТКр!!г= й оГ' (10.4) Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место данное значение. Зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры можно получить, использовав уравнения (!0.4) и (10.1): ТК)7= — В! Те, Значения температурного коэффициента сопротивления прн комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах — (0,8...6,0) 10 ' К Коэффициент рассеяния термисгора Н численно равен мощности, рассеиваемой термнстором при разности температур термистора и окружающей среды в ! К, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе, чтобы нагреть его иа 1 К.
Статическая вольг-амлерная характеристика гермисгора — это зависимость падения напряжения иа термисторе от проходящего через него тока в условиях теплового равновесна между термистором и окружающей средой. и На рис. 10.2 показаны статические ВАХ термисторов. Линейность характеРис. 102, Трн типа етат„. ристик при малых токах и напряжениях паХ тепмнетовов объясняется тем, что выделяемая в терпрямого попогрева мисторе мощность недостаточна для су- п гнпераолм равной мошноетн Шествеиного изменения его температуры.
(штриховые пинии) При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нем мощность повышает его температуру. Таким образом, сопротивление термистора определяется суммарной температурой — температурой окружающей среды и температурой перегрева термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока и температуры в соответствии с (10.! ), линейность статической ВАХ нарушается. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности термистора может наблю- 404 даться падающий участок статической ВАХ, т.
е. уменьшение напряжения на термисторе с увеличением проходящего через него тока. Мощность, выделяющаяся в термисторе, непрерывно возрастает с увеличением проходящего через термнстор тока, несмотря на уменьшение падающего на термисторе напряжения. В результате гиперболы равной мощности пересекают статическую ВАХ термнстора только в одной точке (рис. 10.2). Для каждой точки статической ВАХ термистора справедливо уравнение теплового баланса между мощностью, выделяющейся в термисторе из-за проходящего тока, и мощностью, которую он рассеивает в окружающую среду: Нп/й=) Н=Н(Т Т,), (10.6) где Т вЂ” температура термистора; Тмч — температура окружающей среды.
Из уравнения (10.6) с учетом (10.1) можно получить уравнения статической ВАХ термистора в параметрическом виде: В . г (! 0.6) и= (10.7) Вид статической ВАХ термистора определяется коэффициентом рассеяния Н, коэффициентом температурной чувствительности В, номинальным сопротивлением термистора н температурой окружающей среды. Так, при уменьшении коэффициента рассеяния Н (например, при уменьшении давления воздуха, окружающего термнстор) происходит более интенсивный разогрев термнстора и, следовательно, те же температуры достигаются при меньших мощностях, выделяемых в термисторе при прохождении тока, т. е.
статическая ВАХ смещается вниз (в область меньших напряжений). При увеличении температуры окружающей среды уменьшается сопротивление термистора, снижается максимум статической ВАХ и уменьшается ее крутизна. Такую зависимость используют в системах автоматического контроля и регулирования температуры. Увеличение коэффициента температурной чувствительности В приводит к смещению максимума статической ВАХ в сторону меньших мощностей, а крутизна падающего участка возрастает.
Исследуем уравнение (!0.6) на максимум функции, полагая коэффициент температурной чувствительности и коэффициент рассеяния постоянными. Для этого первую производную от напряжения по току приравняем нулю. В связи с параметрическим видом ВАХ в данном случае производную от напряжения по вспомогательной переменной, т.е. по параметру Т, умножим на 405 производную температуры по току и приравияем получеииое произведеиие пулю: ли еи ет — = — — =о. ш ет ш В результате получим П экстр ВТп экстр+ ВТ о О, (10.8) (10.9) отсюда вввсдв=тЬВ П экстр 2 Из уравнения (10.9) следует: !. Статическая ВАХ термистора будет иметь экстремальные зиачеиия иапряжеиия (кривая 3 иа рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
