Терморезисторы.

Терморезистор — это устройство, сопротивление которого значительно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторатии.

Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС — (-6,5...+70)%/С. Терморезисторный эффект заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убывания или возрастания его температуры. Однако сам механизм изменения сопротивления с температурой отличен от подобного явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротивления при увеличении температуры), а особенности этого физического эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.

Известно, что в 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х годах двадцатого века у оксидов Fe3O4 и UO2 ученые-химики обнаружили высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления. В начале 40-х этот ряд пополнился NiO, CoO, соединениями NiO-Co2O3-Mn2O3. Интервал удельных сопротивлений расширился благодаря добавлению оксида меди Мn3О4 в соединение NiO-Mn2O3.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при низких температурах обмен электронами соседних ионов затрудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда.

Другие терморезисторы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы на жаргоне радиотехников называют позисторами.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:

1.) Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и р-типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150°С и выше, причем ТКС при комнатной температуре примерно равен 0,8% на 1 °С.

2.) Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1°С), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120°С, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например, титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250сС. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большее изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например 0...100°С.

Материал, из которого изготавливаются терморезисторы, изменяет свое сопротивление исходя из зависимости R = f(T). В терморезисторах с отрицательным ТКС полупроводниковый материал — спеченная керамика, которой придают различные форму и размеры. Ее изготавливают из смеси оксидов металлов, таких как Mn, Ni, Со, Си, Fe. Изменяя состав материала и размеры терморезистора, можно получить сопротивления от 1 до 10 Ом при комнатной температуре и ТКС от -2 до +6,5% на 1°С. Терморезисторы изготавливаются разных размеров: от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром 3...25 мм до стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. «Бусинковые» терморезисторы можно заливать стеклом, помещать в стеклянные или пластмассовые оболочки или в корпуса, предназначенные для транзисторов. Дисковые защищают чаще изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол. Важная технологическая операция в производстве терморезисторов — создание омических контактов к термочувствительным элементам. Для этого на торцевых поверхностях термочувствительных элементов, выполненных в виде стержней, дисков или шайб, создают серебряные контакты с помощью специальных паст. Для повышения стабильности параметров эти элементы подвергают термообработке при 200...300°С. Окончательная стабилизация происходит путем прогрева элементов в течение сотен часов при максимальной рабочей температуре.

Когда терморезистивный элемент получен, его защищают специальными лаками, а в ряде случаев помещают в стеклянный или металлический корпус. При измерении сопротивления надо поддерживать температуру терморезистора с высокой точностью (0,05...0,1°С), так как сопротивление является функцией температуры. Материал для создания терморезисторов должен удовлетворять следующим требованиям: электронная проводимость материала и возможность регулирования ее, стабильность характеристик материала в диапазоне рабочих температур, простота технологии изготовления изделий. Материалы должны быть нечувствительными к загрязнениям в процессе технологического изготовления изделий. Распространение получили СuО, Мn3О4, Со3О4, NiO и их смеси. На основе смесей оксидов меди и марганца получены полупроводниковые материалы с электропроводностью от 10^-8 до 10^-1 (Ом-см)^-1. Электропроводность кобальто-марганцевых окисных полупроводников лежит в пределах от 10^-8 до 10^-1 (Ом-см)^-1. Получение необходимой электропроводности и ТКС достигается выбором процентного соотношения оксидов металлов в композиции при использовании метода совместного охлаждения щелочью азотнокислых соединений марганца, кобальта, меди и последующего прокаливания гидратов окислов. Используют также окислы титана, ванадия, железа. При изменении соотношения компонентов соответствующих материалов можно получить заданные значения удельного сопротивления и ТКС. Использованием указанных компонентов и несколько видоизмененных способов смешения и термического обжига удалось создать терморезисторы с косвенным подогревом (ТКП). Современное промышленное производство терморезисторов основывается на тройных марганцевых системах окислов, т.к. электропроводность таких материалов слабо зависит от примесей, следовательно, можно получать на их основе терморезисторы с малым разбросом по сопротивлению и ТКС, а значит, массовый выпуск терморезисторов с заданными электрическими параметрами. Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно изготавливают из следующих оксидных систем: никель-марганец-медь, никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан, никель-литий, кобальт-литий, медь-марганец. Кроме того, практикуется добавление таких элементов, как железо, алюминий, цинк, магний, которые позволяют модифицировать свойства перечисленных систем.

Тенденции развития современных материалов с отрицательным ТКС выявили три основных направления в производстве терморезисторов. Главное — получение более стабильных терморезисторов. В результате, появились взаимозаменяемые высокостабильные приборы с отрицательным ТКС. Это было достигнуто за счет использования более чистых исходных материалов, подбора соответствующих композиций и тщательного контроля на всех стадиях изготовления терморезисторов.

Второе направление — расширение верхней границы рабочих температур. Было создано несколько типов терморезисторов, у которых эта граница приблизительно равна 1000°С. Это было достигнуто за счет применения высокотемпературных материалов.

Третье направление — создание переключающих терморезисторов с отрицательным ТКС. Они имеют очень большое изменение сопротивления в узком интервале температур и называются терморезисторами с критической температурой или терморезисторами на основе металл-оксидных соединений, в которых используется резкое изменение проводимости от полупроводниковой к металлической, например; VO с температурой перехода 68°С.

Перспективными представляются терморезисторы с положительным ТКС. Терморезистивные элементы с положительным ТКС выпускают на основе титанато-бариевой керамики, сопротивление этих элементов значительно снижено добавлением редкоземельных элементов. Титанат бария ВаТiO3 — диэлектрик, поэтому его удельное сопротивление при комнатной температуре велико (1010...1012) Ом-см. При введении туда примесей, таких как лантан или церий, в ничтожно малых количествах (0,1...0,3 атомного процента) его удельное сопротивление уменьшается до 10...100 Ом-см.

Классификация и маркировка терморезисторов.

Наиболее распространенные терморезисторы изготавливают на основе медно-марганцевых (ММТ и СТЗ), кобальто-марганцевых (КМТ и СТ1) и медно-кобальто-марганцевых (СТЗ) оксидных полупроводников. По конструктивному оформлению терморезисторы можно разделить на следующие типы:

- в виде цилиндрических стержней (КМТ-1, ММТ-1, КМТ-4,
ММТ-4);

- в виде дисков (СТ1 -17, СТЗ-17, СТ5-1);

- в виде миниатюрных бусинок (СТ1 -18, СТ1 -19 и др.);

- в виде плоских прямоугольников (СТЗ-23).

Особенностью бусинковых терморезисторов типов СТ1-18, СТЗ-18 и СТЗ-25 является то, что термочувствительный элемент для защиты от внешних воздействий покрыт тонким слоем стекла, а тонкие платиновые контакты приварены или припаяны (СТЗ-25) к траверсам из толстой проволоки.

Терморезисторы типов СТ1-18 и СТЗ-18 имеют бусинку диаметром 0,5 мм (выводы диаметром до 0,05 мм), терморезисторы типа СТЗ-25 — 0,3 и 0,03 мм соответственно. Терморезисторы типов КМТ-14, СТ1-19 и СТЗ-19 имеют герметичную конструкцию. Термочувствительный элемент резистора КМТ-14 — бусинка диаметром не более 0,5 мм, нанесенная на две параллельные платиновые проволоки, приваренные к платиновым выводам диаметром 0,4 мм. Бусинка герметизирована в коническом конце стеклянной трубки, которая является корпусом терморезистора. Термочувствительные элементы терморезисторов СТ1-19 и СТЗ-19 помещены в конец миниатюрной капсулы, которая защищает термочувствительный элемент и места соединения контактов с выводами. СТ1-19 и СТЗ-19 имеют меньшие размеры и более стойки к механическим нагрузкам, чем КМТ-14.

Терморезисторы ММТ-1 и КМТ-1 предназначены для работы в закрытых сухих помещениях, ММТ-4 и КМТ-4 герметизированы, работоспособны в условиях с повышенной влажностью и даже в жидкой среде.

Существуют измерительные терморезисторы, предназначенные для измерений в маломощных цепях сверхвысокочастотных колебаний. Терморезисторы типа ТП (ТП2/0.5, ТП2/2, ТП6/2, здесь цифра в числителе — номинальное значение напряжения в В, знаменатель — рабочий ток в мА) предназначены для стабилизации напряжения в цепях постоянного или переменного тока с частотой до 150 кГц. По конструкции — это круглые опрессованные стержни, заключенные в стеклянный баллон, воздух из которого откачан до давления 10-5 мм рт. ст.

Терморезисторы ТКП, СТ1-21, СТЗ-21 и СТЗ-27 применяются в радиотехнических устройствах и схемах автоматики как регулируемые бесконтактные резисторы. Они имеют косвенный подогрев от специальной спирали, при изменении тока в которой происходит плавное изменение сопротивления терморезистора. Такие элементы используются в случаях, когда необходимо отделить управляемую цепь от управляющей. Рабочий элемент и подогреватель терморезисторов типа ТКП помещены в стеклянный баллон с нормальным октальным цоколем. Терморезисторы типов СТ1-21, СТЗ-21 и СТЗ-27 (более новые) имеют более совершенную конструкцию по сравнению с ТКП.