Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковый резистор — это прибор с двумя выводами, электрическое сопротивление которого зависит от управляющих воздействий: напряжения, температуры, освещения и т.д. В полупроводниковых резисторах применяется полупроводниковый материал, равномерно легированный примесями. Тип примеси и конструкция резистора определяют функциональные свойства резистора. Существует следующая классификация полупроводниковых резисторов: линейные резисторы, варисторы, тензорезисторы, фоторезисторы и терморезисторы, в свою очередь разделяющиеся на термисторы и позисторы.

Линейный резистор имеет постоянное сопротивление в широком диапазоне токов и напряжений. Изготавливается из слаболегированного кремния или арсенида галлия. Линейные резисторы обладают более высокой термостойкостью чем обычные, работают на частотах до 100 МГц. Наиболее широко используемые типы полупроводниковых резисторов: МОН, МОУ, С2‑1. Главная область применения линейных полупроводниковых резисторов — интегральные микросхемы.

Варистор — это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Имеет нелинейную вольтамперную характеристику. Изготавливается из карбида кремния. Основной параметр варистора — коэффициент нелинейности:

где — статическое сопротивление,

— динамическое сопротивление.

Практические значения K_нел, находятся в пределах 2–6. Кроме того, варисторы характеризуются следующими параметрами: классификационным напряжением U_кл, классификационным током I_кл, мощностью рассеивания P_max, температурным коэффициентом тока.

На высоких частотах наблюдается гистерезис вольтамперной характеристики, причем с ростом частоты ширина петли гистерезиса увеличивается (рис. 1.6). Промышленность выпускает несколько типов варисторов (СН-1-1, СН-1-2, СН-2-1, СНI-2-2, СН1-3), отличающихся параметрами и конструкцией. Для примера приведем параметры варистора СН1-1: Uкл =560–1500 В; Iкл =10 мА; K_нел = 3,5–4,5; P_max = l Вт; a =7·10^-3 1/°C.

Варисторы используют для регулирования электрических и механических величин, в стабилизаторах напряжения и тока, в преобразователях частоты, для защиты от перенапряжений и т.п.

Тензорезистор - это полупроводнико­вый резистор, в котором используется связь электрического сопротивления с механической деформацией. Иногда кроме термина "тензорезистор" (тензо - растягивать) самостоятельно применяют термин "пьезорезистор" (пьезо - сжимать). Изготавливается из легиро­ванного кремния p- и n-типа. Основная характеристика - деформационная, представляющая собой зависимость относительного изменения сопротивления DR/R от относительной деформации Dl/l (рис. 1.7). Кроме того, тензорезисторы характеризуются номинальным значением сопротивления R_ном = (100-500) Ом и коэффициентом тензочувствительности , значения которого для различных тензорезисторов лежат в пределах от –150 до +150. Конструктивно представляют собой пластинки и пленки. Используются как датчики деформаций, в микрофонах. Следует отметить, что гораздо более высокой чувствительностью к деформациям обладают тензодиоды, у которых коэффициент тензочувствительности достигает нескольких тысяч.

Фоторезистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности. Полупроводник, поглощая лучистую энергию, образует дополнительные носители зарядов (фототок). Основная схема включения фоторезистора предполагает наличие источника питания Е и приведена на рис. 1.8. Без освещенности сопротивление фоторезистора велико и через него течет слабый теневой ток, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда. При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации зарядов. Ток, вызванный освещением, называется световым током или фототоком.

Энергетическая характеристика фоторезистора показывает зависимость фототока I_ф от светового потока Ф. Рис 1.9 показывает, что эта характеристика нелинейна в области больших световых потоков. Вольтамперные характеристики фоторезисторов линейные, однако, при повышенных напряжениях линейность может нарушаться (рис. 1.10). Фототок зависит также от спектрального состава светового потока. Зависимость относительного значения фототока от длины волны излучения при световом потоке определяет спектральную характеристику прибора. Для различных полупроводниковых материалов максимум чувствительности приходится на различные участки спектра. Спектральные свойства фоторезисторов принято характеризовать длиной волны l_max, соответствующей максимуму чувствительности, и порогом фотоэффекта, равным длине волны l₀, при которой чувствительность составляет 1% от максимальной. На рис. 1.11 показана спектральная характеристика фоторезистора из сульфида кадмия.

Фоторезисторы обладают значитель­ной инерционностью, обусловленной вре­менем генерации и рекомбинации электро­нов и дырок, происходящих при изменении освещенности. Время установления стацио­нарного значения фототока называют вре­менем фотоответа. Оно определяет макси­мально допустимую частоту модуляции светового потока. Для большинства фото­резисторов на частоте модуляции света 1 кГц наблюдается существенное уменьшение чувствительности. Фоторезисторы из селени­стого свинца могут работать при частотах по­рядка 10 кГц без заметного снижения чувст­вительности.

Фоторезисторы характеризуются сле­дующими основными параметрами: темновым сопротивлением R (10²–10⁹ Ом), рабочим напряжением U_p (10–100 В), чувст­вительностью к свету S (до 20 А/лм). Все эти параметры существенно зависят от температуры.

Достоинства фоторезисторов: высокая чувствительность, малые габа­риты, возможность включения в цепь постоянного и переменного тока, при­менимость как в видимой, так и в инфракрасной области спектра.

Используются в различных преобразователях в качестве датчиков све­товых потоков.

Терморезистор меняет свое сопротивление в зависимости от темпера­туры. Замеряя его сопротивление можно определить его температуру.

Используется как термометр. У термисторов сопротивление с ростом температуры падает, а у позисторов в рабочем диапазоне — растет. Темпера­турная характеристика для различных терморезисторов различна (рис. 1.12). Для большинства термисторов зависимость сопротивления от температуры выражается аналитически экспонентой:

где K — коэффициент, определяемый конструкцией резистора, b — ко­эффициент, определяемой концентрацией примеси в полупроводнике, Т — температура по Кельвину.

Основным параметром терморезистора является температурный коэф­фициент сопротивления

который выражает процентное изменение сопротивления терморезистора при изменении температуры на 1°С.

Источником температуры может служить как внешняя среда, так и те­пло, выделяемое в самом терморезисторе при прохождении тока. Терморези­сторы в зависимости от способа управления температурой изготавливаются с прямым или косвенным подогревом.

В терморезисторе с прямым подогревом нагрев происходит под влия­нием проходящего через резистор тока. В терморезисторах с косвенным по­догревом используется дополнительная нагревательная обмотка.

Серийно выпускаемые термисторы имеют температурный коэффици­ент сопротивления в пределах от –0,3 до –0,66. Позисторы могут иметь зна­чения температурного коэффициента на крутом участке температурной ха­рактеристики, доходящие до 50.

В электрической цепи терморезистор ведет себя как обыкновенный ре­зистор, но его сопротивление зависит от температуры среды и от величины проходящего тока. Обладает большой тепловой инерционностью. Тепловая инерционность характеризуется постоянной времени t — временем, в тече­ние которого температура изменится на 63% от начальной.

Конструктивно терморезисторы выполняются в виде дисков, шайб, бу­син и стержней.

Терморезисторы характеризуются следующими паспортными парамет­рами: номинальным сопротивлением, температурным коэффициентом сопротивления a, рассеиваемой мощностью P_max, постоянной времени t, допустимым диапазоном температур и теплоемкостью С — количеством тепла, которое нужно сообщить резистору, чтобы нагреть его на 1°С.

Терморезисторы изготавливаются из оксидов металлов (меди, марганца, кобальта) и их смеси. Позисторы изготавливаются из титанат-бариевой керамики с примесью редкоземельных элементов. Область применения терморезисторов: измерение и регулирование температуры, термокомпенсация различных элементов электрических цепей, измерение мощности высокочастотных колебаний и лучистой энергии, в качестве регулируемых бесконтактно резисторов.

Полупроводниковые болометры состоят из двух терморезисторов и служат для дистанционного контроля и измерения оптического (инфракрасного) и электромагнитного излучения. Один терморезистор облучается контролируемым излучением и измеряет его мощность, а второй компенсирует влияние температуры окружающей среды.

Датчики Холла, строго говоря, не являются резисторами, но, как и полупроводниковые резисторы используют однородный полупроводниковый материал. Принцип их действия основан на использовании эффекта Холла. Он заключается в том, что если через некоторые полупроводниковые материалы n-типа пропустить ток при воздействии на образец поперечного магнитного поля, то электроны смещаются к боковым граням образца, на которых возникает Э.Д.С. Холла:

где U_н — Э.Д.С Холла;

R_н — постоянная Холла;

I — ток через образец полупроводника;

B — индукция магнитного поля;

d — толщина образца.

Для изготовления датчиков Холла применяют селенид и телурид ртути, сурьмянистый индий. Конструктивно выполняется в виде пластин и пленок. Имеет большое внутреннее электрическое сопротивление, обладает высокой чувствительностью к магнитному полю в большом диапазоне частот.

Используется в качестве датчиков магнитных полей, особенно в тонких зазорах магнитопроводов электрических аппаратов и машин.