3.6. Классификация резисторов

ПО ИСПОЛЬЗУЕМЫМ МАТЕРИЛАМ. ОБОЗНАЧЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ

В отечественной и зарубежной практике в технологии производства используются разнообразные резистивные материалы, что отвечает спектру требований к свойствам резисторов.

В зависимости от используемого материала резистивного элемента в классе постоянных непроволочных резисторов различают:

- углеродистые и бороуглеродистые резисторы – в которых используются слои так называемого пиролитического углерода, полученного термическим разложением паров углеводородов. По структуре пиролитический углерод близок к графиту, добавки бора способствуют снижению ТКρ.

- металлодиэлектрические резисторы – токонесущей частью в которых являются гетерогенные металлодиэлектрические пленки (керметы);

- металлооксидные резисторы – это главным образом пленки на основе оксида олова SnO_2;

- металлопленочные резисторы – проводящий элемент представляет собой тонкий слой из сплава или металла (тантала, нихрома и др.);

- композиционные резисторы, токопроводящий слой которых представляет собой композицию проводящего углерода (сажа или графит) и органического или неорганического связующего.

В проволочных резисторах в качестве резистивных материалов используют сплавы металлов.

Наиболее распространенными резистивными материалами переменных резисторов являются композиционные, металлодиэлектрические и металлооксидные.

Существует несколько систем условных обозначений резисторов. До 70-х годов царила буквенная система, в которой буквы обозначали различные при признаки изделия. Например, МЛТ - металлопленочные лакированные теплостойкие, УЛИ - углеродистые лакированные измерительные, МОН - металлоокисные низкоомные, КЛМ - композиционные лакированные малогабаритные. Этой системе, очевидно, не доставало строгости.

В 70-х годах ГОСТ 13453-68 были введены обозначения резисторов, состоящие из букв и цифр. Буквы обозначают группу резисторов: С - резисторы постоянные; СП - резисторы переменные (буква С осталась от старого названия резисторов – «сопротивление»). Цифра, стоящая после букв, обозначает одну из указанных выше разновидностей резистора: 1 - непроволочные углеродистые и бороуглеродистые; 2 - непроволочные металлодиэлектрические и металлооксидные; 3 - непроволочные композиционные пленочные; 4 - непроволочные композиционные объемные; 5 - проволочные; 6 - непроволочные металлопленочные. После цифры через дефис ставится число, обозначающее номер конкретного типа резистора.

С 1980 года введена новая система сокращенных условных обозначений резисторов. Здесь первый элемент - буква или сочетание букв - обозначает подкласс резисторов: Р - постоянные, РП - переменные, НР - наборы резисторов. Второй элемент - цифра - обозначает вид материала резистивного элемента: 1 - непроволочные, 2 - проволочные. Третий элемент - число - обозначает регистрационный номер конкретного типа резисторов. Например, Р1-26 - постоянный непроволочный с номером разработки 26.

Использование новой системы обозначений, в которой отсутствует указание типа резистивного материала, предполагает необходимость уточнения свойств изделия при выборе резистора для выполнения определенных функций.

3.7. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

3.7.1. ВАРИСТОРЫ

Варисторами называются полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.

Р анее в качестве варисторов использовали полупроводниковые диоды, вольт-амперная характеристика которых, как известно, нелинейна.

В настоящее время в варисторным элементам относят только приборы с симметричной ВАХ (рис.3.12).

Рис. 3.12. Вольт-амперная характеристика варистора

Важнейшей характеристикой варистора является коэффициент нелинейности. При заданном напряжении в рабочей точке К может быть определено статическое сопротивление и дифференциальное сопротивление . Коэффициент нелинейности .

Обычно при использовании резисторов желательно, чтобы коэффициент нелинейности был как можно больше. Если α не зависит от рабочей точки, то интегрируя последнее уравнение, получим

или .

Отсюда , где I₀ – некоторый базовый ток;

U₀ – напряжение, соответствующее этому току.

В качестве рабочего материала варисторов используют:

• карбид кремния SiC, коэффициент нелинейности варистора на его основе не превышает 7;

• оксид цинка ZnO, для которого коэффициент нелинейности составляет несколько десятков.

В еличина α у реальных варисторов на основе ZnO не постоянна. Область, в которой варисторы на основе ZnO превосходят варисторы на основе SiC, перекрывает практически 10 порядков плотности тока j (рис.3.13).

Рис. 3.13. Характеристики плотность тока –напряженность поля варисторов на основе ZnO и SiC и некоторого омического сопротивления (α= 1)

Основу варистора составляет поликристаллический полупроводниковый материал, отдельные зерна которого находятся в электрическом контакте друг с другом.

Нелинейность проводимости варисторов, в общем случае, обусловлена наличием межкристаллитных потенциальных барьеров. Ниже некоторой критической напряженности проводимость, ограниченная этими барьерами, остается незначительной, однако, при превышении критической напряженности – резко возрастает.

Поликристаллические полупроводники обладают существенно большей электрической прочностью по сравнению с монокристаллическими. Так, если полупроводниковый р-п переход (диод) на основе монокристалла легко пробивается при повышении напряжения, то в поликристаллическом полупроводнике это напряжение разделено между многочисленными поглотителями энергии. Это позволяет использовать варисторы для защиты от перегрузок и регулирования напряжения на нагрузке.

Защита от перегрузок особенно важна для элементов чувствительных интегральных схем, что повышает значение варисторов на основе ZnO, которые при площади порядка 1 см² выдерживают кратковременные всплески тока величиной до нескольких кА и в достаточной мере снижают напряжение.

В устройствах с высоким напряжением используют варисторы на основе SiC. Рассмотрим схему (рис. 3.14, а) сначала без варистора.

Напряжение на зажимах (нагрузке) составляет:

На зависимости U(I) (рис.3.14, б) приведена соответствующая нагрузочная кривая и нагрузочная кривая, соответствующая изменению нагрузочного сопротивления от бесконечности (режим холостого хода) до нуля (режим короткого замыкания). Ток короткого замыкания (при U=0) равен 0,2 А; напряжение холостого хода равно 200 В.

а б

Рис. 3.14. Защитное действие варистора в высоковольтной схеме. Электрическая схема источника напряжения с внутренним сопротивлением и варистором (а); ВАХ с SiC- или ZnO-варисторами (б)

Допустим, что рабочее напряжение нагрузочной схемы соответствует 200В. Если теперь в режиме холостого хода возникает перегрузка U_ПЕР = 800 В, то обе величины складывают вместе: .

При такой перегрузке в схеме с варистором на основе SiC, имеющим α =5, напряжение возрастет до величины, соответствующей точке пересечения с ВАХ SiC-варистора, то есть около 600 В (так называемое остаточное напряжение), так что перегрузка при этом составляет около 50 % от всплеска напряжения (рабочее напряжение = 200 В).

Если использовать варистор на основе ZnO с α =40, то точка пересечения вольт-амперной характеристики с нагрузочной прямой дает остаточное напряжение около 320 В, так что перегрузка при этом составляет всего 15 %.

Рассмотрим механизмы электропроводности поликристаллических полупроводников, ответственных за варисторный эффект.

Нелинейность ВАХ варисторов на основе SiC объясняется процессами переноса, протекающими на контактах между кристаллитами. Существуют различные модели переноса. Одна из них – модель Буша – основана на предположении о наличии на поверхности кристаллитов диэлектрических оксидных пленок SiО_х, которые при небольших напряженностях поля ведут себя как высокоомный потенциальный барьер, а в сильных полях преодолеваются за счет туннельного эффекта. Контраргументы этой теории – химическая инертность SiC и наличие варисторного эффекта в условиях измельчения в вакууме, при которых пленки SiО_х не образуются.

Другая модель варисторного эффекта – модель Хейванга – в качестве фактора первого порядка рассматривает ионизированные поверхностные состояния на границах зерен, обусловленные адсорбцией инородных атомов.

В варисторах находит применение преимущественно SiC р-типа электропроводности. Допустим, что на границе кристаллитов имеются ионизированные поверхностные состояния донорного типа, то есть положительно заряженные. Это приводит к обеднению приповерхностной области кристаллитов основными носителями заряда – дырками и возникновению поверхностного потенциала (разности потенциалов между поверхностью и объемом кристаллита). Возникший при этом потенциальный барьер называется межкристаллитным потенциальным барьером Ф₀ (МПБ) (рис.3.15).

Электрическая проводимость поликристаллического полупроводника, обусловленная надбарьерными переходами электронов:

,

где σ_КР- проводимость кристаллита;

N – количество межкристаллитных барьеров на пути протекания тока.

Рис. 3.15. Схема формирования межкристаллитного потенциального барьера Ф₀ на контакте SiC-SiC (контакт в равновесии), ПС – поверхностные состояния

При приложении к контакту SiC-SiC напряжения (рис.3.16) высота МПБ для дырок, находящихся в валентной зоне положительно заряженного кристаллита понижается; изменение формы краев энергетических зон и увеличение энергии дырок сопровождается снижением потенциального барьера. При достаточно высоком, критическом значении напряжения потенциальный барьер становится туннельно-прозрачным, что приводит к резкому росту тока.

Рис. 3.16. Изменение высоты МПБ контакта кристаллитов SiC-SiC при воздействии внешнего напряжения

Характерным проявлением туннелирования является отсутствие температурной зависимости тока.

Наконец, нелинейность ВАХ варистора может быть обусловлена увеличением проводимости контактов из-за разогрева в связи с выделяющейся на контакте мощностью.

Модели варисторного эффекта в поликристаллическом оксиде цинка должны объяснять большие значения коэффициента нелинейности, что представляет собой проблему. К настоящему времени существует ряд подходов к ее решению, в том числе

• модель Мацуока, основанная на механизме ограничения тока пространственным зарядом (ТОПЗ) в слое посторонних оксидов, располагающемся между зернами ZnO . Это позволяет объяснить довольно высокие значения коэффициента нелинейности; однако, само образование слоя посторонних оксидов остается под вопросом;

• аналогичный рассмотренному выше механизму туннелирования через МПБ, обусловленному отрицательно заряженными (акцепторными) поверхностными состояниями. Необходимо отметить, что ZnO обладает проводимостью п-типа из-за дефицита кислорода в кристаллической решетке (рис.3.17).

Рис.3.17. Схема формирования межкристаллитного потенциального барьера Ф₀ на контакте ZnO- ZnO (контакт в равновесии)

При достаточно сильных полях (порядка 10⁶ В/см) электроны туннелируют из валентной зоны в зону проводимости (рис.3.18). С этим механизмом согласуется наблюдаемая слабая температурная чувствительность тока и напряжения в сильных электрических полях. Однако, с помощью этой модели не удается объяснить высокое значение коэффициента нелинейности α.

• образование запирающих слоев внутри зерен ZnO при встраивании примесей;

• образование поверхностных фаз.

У помянутые модели позволяют определить пути управления ВАХ варисторов.

Рис. 3.18. Изменение высоты МПБ при контакте кристаллитов ZnO-ZnO при воздействии внешнего напряжения

Так, модели, основанные на предположении о формировании МПБ, вследствие наличия ионизированных поверхностных состояний указывают на возможность управления нелинейной ВАХ посредством легирования поверхностно-активными примесями, например, Bi, Co, Mn, взаимодействующими с хемосорбированным кислородом и создающими спектр поверхностных состояний.

Управлять ВАХ оксидного поликристаллического полупроводника можно, изменяя его микроструктуру, а именно количество МПБ на пути протекания тока. Для этого в состав оксидного полупроводника вводят примесные добавки, влияющие на размер кристаллитов (например, Sb₂O₃, Al₂O₃).