ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ. Терморезистор (термистор) – это полупроводниковый резистор, для которого характерна зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Терморезистор (термистор) – это полупроводниковый резистор, для которого характерна зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Различают два типа терморезисторов:

- терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС<0);

- терморезисторы с положительным ТКС (ТКС>0).

У терморезисторов с отрицательным ТКС происходит уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры, что может быть обусловлено следующими причинами:

1. увеличением концентрации носителей заряда.

Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике состоит из трех участков (рис.3.19). Ясно, что за счет зависимости n(Т) примесные полупроводники обладают отрицательным ТКС в диапазонах температур примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы (рис.3.19, уч.1), и собственной электропроводности, когда концентрация носителей заряда изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника (рис.3.19, уч.3).

Рис.3.19. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике в координатах ln n = f ( )

В обоих диапазонах температурная зависимость сопротивления описывается формулой: ,

где В - коэффициент температурной чувствительности, равный

- для участка 1

и - для участка 3.

Зная В, можно определить ТКС: .

Такие терморезисторы могут изготавливаться из монокристаллов ковалентных полупроводников: Si, Ge, GaAs, SiC и других. Однако, ТКС участка 1 недостаточно велико, а область 3 начинается со слишком высоких температур.

2. Увеличение подвижности носителей заряда

Как известно, этот эффект присущ полупроводникам с прыжковой электропроводностью, где с повышением температуры увеличивается вероятность перескоков носителей заряда между локализованными состояниями.

Основная часть терморезисторов изготавливается из поликристаллических (керамических) полупроводников на основе оксидов переходных металлов (от Тi до Zn). Они отличаются сравнительно большими значениями ТКС порядка сотых долей К^-1.

Электропроводность оксидных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами качественно отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерно наличие незаполненной 3d-оболочки и способность принимать разную валентность.

При синтезе материала в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разной валентностью (зарядами). Электропроводность в этом случае обусловлена обменом электронами между соседними ионами, например, в случае оксида Fe, возможен переход электрона от Fe⁺² к иону Fe⁺³:

Fe⁺² + Fe⁺³ → Fe⁺³ + Fe⁺²

Энергия, необходимая для такого обмена, сравнительно мала, так что все локализованные на d-орбиталях электроны можно считать носителями заряда, а их концентрацию – постоянной в рабочем диапазоне температур.

Концентрацией катионов в непредельной степени окисления и, соответственно, проводимостью материала можно управлять посредством легирования разновалентными примесями и изменения степени отклонения состава от стехиометрического.

Носителями заряда в указанных системах являются поляроны малого радиуса – квазичастицы, существование которых обусловлено сильным взаимодействием электронов с ионами кристаллической решетки.

Подвижность носителей заряда при прыжковом механизме поляронов малого радиуса и соответственно проводимость материала экспоненциально возрастает с температурой, так что как и в предыдущем случае: .

Малая подвижность носителей заряда, присущая материалам с прыжковой электропроводностью определяет сравнительно высокое удельное сопротивление металлоксидной керамики, что является важным достоинством, например, в прецизионных термометрах. Сопротивление термисторов варьируют в широких пределах и при 25 ˚С номинальные значения составляют от нескольких Ом до нескольких сотен кОм.

3. Фазовый переход «металл-диэлектрик»

Явление, характерное для некоторых оксидов металлов (например, оксид ванадия VO₂) и заключающееся в пороговом уменьшении удельного сопротивления на несколько порядков величины при достижении определенной температуры (для VO₂ порядка 67 ˚С) (рис.3.20). Это используется для создания так называемых критических терморезисторов, обладающих большим отрицательным ТКС вблизи фазового перехода.

Рис.3.20. Зависимость удельного сопротивления критического терморезистора от температуры

Терморезисторы могут быть отнесены к нелинейным резисторам, что связано с разогревом прибора протекающим током. Характерная нелинейная ВАХ показана на рис.3.21. Линейность начального участка ВАХ объясняется тем, что при малых токах и напряжениях выделяемая в терморезисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры.

При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нем мощность повышает его температуру, так что сопротивление термистора падает и линейность ВАХ нарушается.

Рис.3.21. Вольт-амперная характеристика терморезистора

При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности ВАХ (то есть при большом значении В) может наблюдаться падающий участок, то есть уменьшение напряжения на термисторе с увеличением тока (участок отрицательного дифференциального сопротивления).

Вольт-амперную характеристику термистора в параметрической форме можно получить из уравнения теплового баланса:

,

где Н- коэффициент рассеяния;

Т_ОКР – температура окружающей среды.

Зная, что , получим:

Максимуму ВАХ (U_ЭКСТР) отвечает

В результате получим:

,

отсюда .

Таким образом, ВАХ термистора будет иметь экстремальное значение напряжения только при условии .

В противном случае ВАХ монотонна ( рис.3.21).

Существует как максимум, так и минимум U на термисторе, однако температура, при которой достигается минимум U термистора, выше допустимой для прибора, то есть наблюдается только максимум U.