Нелинейные полупроводниковые резисторы

Среди многочисленных полупроводниковых приборов, используемых в настоящее время, видное место принадлежит нелинейным полупроводниковым резисторам (НПР), отличительной особенностью которых является значительная зависимость величины их электрического сопротивления от температуры окружающей среды и величины приложенного напряжения.

НПР находят широкое применение в разнообразных современных электронных и электротехнических схемах и оборудовании. В ряде случаев такой прибор может заменить достаточно сложную электронную схему или существенно ее упростить. НПР завоевали широкое признание в связи с их преимуществами перед другими приборами, используемыми для аналогичных целей, такими как высокий уровень температурной чувствительности и уникально высокий уровень импульсной устойчивости (в широком диапазоне напряжений); малые габариты; предельная простота устройства (обычно – керамический диск); стабильность характеристик во времени, высокая надёжность; отсутствие необходимости специального ухода за НПР во время эксплуатации, а также экономичность. Керамическая технология, используемая для их изготовления, позволяет варьировать характеристики в широких пределах и изготавливать изделия различных конструктивных исполнений.

В настоящее время АО "НИИ "Гириконд" занимается  разработкой и изготовлением НПР по следующим направлениям:

I. Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

II. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы).  

III. Резисторы с симметричной высоконелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) – варисторы. 

Характеристики НПР обеспечиваются в первую очередь свойствами полупроводниковых материалов, на основе которых они изготовлены.

Материалы для терморезисторов с отрицательным ТКС изготавливаются, в основном, из смесей окислов марганца, кобальта, никеля, меди и хрома.

Позисторные материалы изготавливаются на основе титаната бария, являющегося при комнатной температуре сегнетоэлектриком и переходящего в параэлектрическое состояние при температуре Кюри ~123°С, что и обеспечивает позисторный эффект (увеличение электрического сопротивления на несколько порядков в узком температурном интервале). Изменение температуры переключения обеспечивается введением добавок, смещающих температуру Кюри.

Варисторы изготавливаются на основе оксида цинка. Проблемы достижения требуемой микроструктуры, высокой объемной проводимости решаются при спекании варисторной керамики путем выбора температурных режимов спекания и введением соответствующих малых добавок  оксидов Сo, Mn и др. Изменением режимов спекания и состава легирующих добавок можно изменять рабочий градиент электрического поля в керамике в пределах от 20 до 250 В/мм.

I. Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления – это терморезисторы, электрическое сопротивление которых на определенном участке диапазона рабочих температур уменьшается с увеличением его температуры.

 Они имеют экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры. Значения их номинального сопротивления могут изменяться в очень широких пределах (от единиц Ом до нескольких МОм), при этом температурный коэффициент сопротивления составляет, примерно, (-1,5 … - 6) % /К при 25°С. Это достигается за счет изменения соотношения исходных окислов в полупроводниковом материале.

Терморезисторы с отрицательным ТКС применяются для измерения и регулирования температуры (в частности, в качестве высокостабильных датчиков температуры) и температурной компенсации, а также для ограничения пусковых токов систем, (например, в источниках вторичного электропитания) на рабочий ток 0,2 … 15 А.

Далее приводятся сведения об основных параметрах терморезисторов.

• Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой ТР. Естественно, что она совпадает с температурной зависимостью удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен ТР. Эта зависимость в значительной степени определяет остальные характеристики ТР и может быть представлена следующей формулой

R=Ae^B/T     (1)

Для практического расчета величины сопротивления ТР при различных температурах окружающей среды можно пользоваться следующей формулой

R_Т2     = R_Т1 e^В(Т1^-Т2^) /(Т1^×Т2⁾   (2),

где R_Т1 и R _Т2 – значения сопротивления ТР при температурах Т₁ и Т₂, соответственно (в К);

В – постоянная величина, характеризующая температурную чувствительность полупроводникового материала, а следовательно и температурную чувствительность ТР во всем или в части интервала его рабочих температур(в К);

А – постоянная величина, зависящая от физических свойств материала и габаритов ТР (А=А_уд·ℓ/S, где ℓ – расстояние между электродами, S – площадь поперечного сечения п/п элемента ТР).

Зная значение постоянной В и сопротивление ТР при температуре Т₁ можно рассчитать величину сопротивления ТР при любой рабочей температуре.

• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α – это изменение сопротивления ТР при изменении температуры на 1 К (1°С) в %.

ТКС вычисляется по формуле:

α = –В/Т² ·100%   (3),

где В – постоянная в К;  Т – температура, при которой задан ТКС в К. Обычно она соответствует температуре, при которой указано номинальное сопротивление ТР.

Как видно из формулы (3), ТКС ТР изменяется в зависимости от температуры, т.е. при повышении температуры абсолютная величина ТКС уменьшается.

• Номинальное сопротивление (R_Н) – электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной документации и которое является исходным для отсчета отклонений от этого значения (Ом, кОм, МОм). Обычно температура окружающей среды, при которой указывается R_Н – 25°С (20°С).

• Допускаемое отклонение сопротивления ТР (ΔR) – максимально допускаемая разность между измеренным и номинальным сопротивлением, выраженная обычно в % по отношению к номинальному сопротивлению.

• Максимальная мощность рассеяния (Р_макс) – это максимально допускаемая мощность рассеяния при заданной температуре в неподвижном воздухе, при которой в течение заданного времени параметры ТР остаются в допустимых пределах. Естественно, что при нагрузке ТР мощностью Р_макс его температура не должна превышать максимальной рабочей температуры. Как правило, максимальная мощность указывается при той же температуре окружающей среды, что и номинальное сопротивление. При увеличении температуры окружающей среды мощность рассеяния должна быть снижена по линейному закону до допускаемой мощности рассеяния при повышенной температуре среды, указанной в нормативно-технической документации (НТД).

• Коэффициент рассеяния мощности (Н) – численно равен мощности, рассеиваемой на ТР при разности температур ТР и окружающей среды в 1°С, мВт/ °С.

• Коэффициент энергетической чувствительности (G) – численно равен мощности, которую необходимо рассеять на ТР для уменьшения величины его сопротивления на 1%, в мВт.