Терморезисторы с положительтным ткс получили название позисторы. Основой позисторов главным образом является полупроводниковая сегнетокерамика на основе титаната бария (ВаТiO3 ).

В температурном диапазоне 100-150 ˚С она обладает высоким положительным ТКС (до 0,3 К^-1) . Суммарное же изменение сопротивления ( ) (рис.3.22) в этой области температур может составлять более шести порядков.

Рис.3.22. Зависимость сопротивления позистора от температуры

Отметим, что вне указанного диапазона температур ТКС отрицательно, как это обычно бывает у полупроводников.

Позисторный эффект наблюдается вблизи точки Кюри при переходе титаната бария из сегнетоэлектрической в параэлектрическую фазу. Температурой, при которой наблюдается скачок сопротивления, можно управлять посредством изменения состава сегнетокерамики.

Полупроводниковый титанат бария получают путем легирования трехвалентными атомами (лантан, диспрозий, иттрий, сурьма), которые замещают в кристаллической решетке атомы двухвалентного бария (рис.3.23, а).

Рис.3.23. Переходы ионов титана из четырехвалентного состояния в трехвалентное при легировании сегнетокерамики лантаном (а), энергетическая схема межкриталлитного потенциального барьера в сегнетокерамике (б)

В соответствии с правилом контролируемой валентности (сохранением электронейтральности) это приводит к переходу такого же количества атомов титана, являющегося металлом переменной валентности, из четырехвалентного состояния в трехвалентное состояние. Это обусловливает прыжковую электропроводность и, соответственно, полупроводниковые свойства сегнетокерамики.

Титанат бария – диэлектрик с удельным сопротивлением при комнатной температуре 10¹⁰ – 10¹² Ом∙см. Введение в титанат бария малых количеств примесей лантана (0,1 – 0,3 ат.%) приводит к уменьшению удельного сопротивления до 10 – 10² Ом∙см.

Существуют различные модели позисторного эффекта, связывающие его как с объемными свойствами кристаллитов полупроводниковой сегнетокерамики, так и с переносом заряда на контактах отдельных кристаллитов.

Объемная модель учитывает влияние электрического поля на высоту потенциального барьера для переходов носителей заряда между разновалентными ионами. В сегнетоэлектрической фазе (ниже Т_КЮРИ) в кристалле действует внутренне поле, обусловленное спонтанной поляризацией. Это поле понижает потенциальный барьер для перескоков носителей заряда. При переходе в параэлектрическую фазу, при достижении Т_КЮРИ, это поле исчезает, что приводит к резкому возрастанию сопротивления материала.

В действительности, по-видимому, позисторный эффект определяется как процессами на границах кристаллитов, так и объемными свойствами полупроводниковой сегнетокерамики.

Считается, что позисторный эффект – аномальное явление для полупроводников. Однако не надо забывать, что у монокристаллических полупроводников в области истощения примесей сопротивление растет с повышением температуры из-за падения подвижности носителей заряда при рассеянии их на тепловых колебаниях кристаллической решетки.

Иногда для создания позисторов используют монокристаллические полупроводники – кремний, германий и другие. Так, позисторы, изготовленные из монокристаллического кремния с концентрацией примесей 10¹⁵ – 10¹⁷ см^-3 могут иметь ТКС = + (0,7 –1,0) 10^-2 К^-1 в диапазоне температур 20 –100 °С. Достоинство монокристаллических позисторов – хорошая воспроизводимость свойств, разброс номинальных сопротивлений на уровне 1-2%. Поликристаллические позисторы выигрывают за счет больших значений положительного ТКС и меньшей стоимости.

3.7.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Электронные переключатели – полупроводниковые нелинейные резисторы с симметричной ВАХ (варисторы), имеющие участок отрицательного дифференциального сопротивления (рис.3.24).

Рабочим материалом переключателей являются халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП), системы состава, содержащего серу, селен, теллур, для которых характерен эффект переключения: быстрый (порядка 10^-10 с) обратимый переход из высокоомного состояния в низкоомное под действием сильного электрического поля ( порядка 10⁵ В/см).

Рис. 3.24. Вольт-амперная характеристика переключателя на основе халькогенидного стеклоообразного полупроводника

Соответственно, различают два состояния переключателя: закрытое с большим сопротивлением и открытое состояние с малым сопротивлением . Переключение в открытое состояние происходит при определенном напряжении переключателя U_П. При переключении прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). В открытом состоянии переключатель находится до тех пор, пока через него течет ток, превышающий ток выключения.

Существуют различные модели эффекта переключения в ХСП. По механизму явления их можно объединить в две группы:

• электротермический механизм;

• электронные модели (электронной неустойчивости, электронного переключения).

Электротермический механизм предполагает, что переключение связано с разогревом некристаллического слоя полупроводника под действием выделяющейся мощности. Происходящие при этом явления аналогичны тем, которые мы рассматривали применительно к терморезисторам с отрицательным ТКС, так что ОДС наблюдается при условии, что удельная проводимость аморфного полупроводника растет с увеличением Т по экспоненциальному закону и коэффициент температурной чувствительности .

Различие в механизмах действия терморезисторов и переключателей состоит в значительно меньшем объеме нагреваемой области некристаллической пленки. Анализ показывает, что на падающем участке S-образной ВАХ ОДС состояние с однородным по сечению распределением тока неустойчиво. В этом интервале токов устойчивым является состояние с токовым шнуром. Несмотря на то, что сечение токового шнура обычно во много раз меньше площади образца, из-за большей его удельной проводимости, возникшей в силу разогрева, может оказаться, что практически весь ток протекает в шнуре. В этом случае говорят о шнуровании тока. При развитии неустойчивости вся джоулева энергия выделяется в очень узкой области. На заключительном быстром этапе самоускоряющейся неустойчивости ток через проводящий канал превышает ток через широкую область. Экспериментально это проявляется как резкий скачок тока – переключение (рис. 3.24).

В этой связи параметры уравнений, определяющих ВАХ в параметрической форме (см. терморезисторы) относятся к проводящему каналу (шнуру) в пленке некристаллического полупроводника.

Наряду с электротермическим механизмом предложен ряд электронных механизмов переключения. Остановимся на некоторых из них.

Электронный фазовый переход «полупроводник-металл», который происходит во многих твердых телах при определенной температуре, связан с радикальной перестройкой энергетического спектра электронов. В результате чего резко уменьшается или даже исчезает запрещенная зона.

Изменение ширины запрещенной зоны при электронном фазовом переходе можно описать следующим соотношением:

,

где - исходная энергетическая щель;

n- концентрация свободных носителей заряда;

β - характеристический коэффициент.

Видно, что рост концентрации свободных носителей заряда из-за усиления тепловой генерации носителей заряда приводит в конечном счете к резкому увеличению проводимости.

Модель двойной инжекции предполагает, что переход от закрытого к открытому состоянию происходит за счет туннельной инжекции в слой ХСП неравновесных (избыточных) носителей заряда – электронов из катода и дырок из анода.

3.8. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Наряду с электронными переключателями на основе ХСП создают запоминающие устройства. Они отличаются от переключателей тем, что открытое состояние запоминающего устройства может сохраняться даже в обесточенном состоянии, то есть после отключения прибора от источника питания.

Такой элемент обладает, по-существу, двумя вольт-амперными характеристиками, соответствующими закрытому и открытому состояниям (рис.3.25).

Принцип действия запоминающего устройства может быть объяснен на основе электротермического механизма – шнурования тока и образования проводящего канала.

Особенность принципа действия запоминающих устройств состоит в переходе всего или части материала проводящего канала из некристаллического в кристаллическое состояние при относительно медленном охлаждении проводящего канала после отключения прибора от источника питания. Это сопровождается резким изменением удельного сопротивления.

Для перевода запоминающего устройства из открытого в закрытое состояние необходим импульс тока сравнительно малой длительности (10^-7-10^-4 с), который за время своего действия успеет разогреть проводящий канал малого объема. Охлаждение этого малого объема происходит быстро, за время, в течении которого материал проводящего канала не успевает закристаллизоваться: материал в канале раньше затвердеет, чем закристаллизуется, так что проводящий канал представляет собой аморфный полупроводник, что соответствует закрытому состоянию запоминающего устройства.

Рис. 3.25. Вольт-амперная характеристика запоминающего устройства

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение основным электрическим параметрам линейных резисторов: номинальному сопротивлению, номинальной мощности, температурному коэффициенту сопротивления, допустимому значению приложенного к резистору напряжения, ЭДС тепловых шумов.

2. Сформулируйте основные требования, предъявляемые к резистивным материалам.

3. Чем, с точки зрения функциональных свойств резисторов, определяются требования к резистивным материалам?

4. Как соотносятся величины удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления чистых металлов и сплавов?

5. Охарактеризуйте классический размерный эффект в резистивных тонких слоях.

6. В чём состоит физическая природа отрицательного температурного коэффициента сопротивления тонких слоёв?

7. Какие факторы следует учитывать при создании металлодиэлектрических (керметных) резистивных плёнок?

8. Дайте определение варисторам как нелинейным резисторам.

9. Изобразите схематично вольт-амперную характеристику нелинейного резистора в сравнении с вольт-амперной характеристикой линейного резистора.

10. В чём состоит качественное отличие варисторов как нелинейных полупроводниковых резисторов от полупроводниковых диодов?

11. Определите основные характеристики варисторов (варисторного эффекта в поликристаллических полупроводниках).

12. Сформулируйте основные требования к варисторным материалам.

13. Какие поликристаллические полупроводники используют в качестве варисторных материалов? В чём состоят их достоинства и недостатки?

14. Каковы модельные представления о варисторном эффекте в поликристаллическом карбиде кремния?

15. Сформулируйте и проанализируйте модель Хейванга. Проверьте, понимаете ли Вы причины возникновения поверхностных состояний в полупроводниках.

16. Чем объясняется высокий коэффициент нелинейности поликристаллического полупроводника на основе оксида цинка?

17. Какие физико-технологические факторы влияют на нелинейную вольт-амперную характеристику варистора?

18. Сформулируйте рекомендации по управлению коэффициентом нелинейности и пороговым напряжением варисторов.

19. Для каких целей используются варисторы в электрических цепях?

20. Какие элементы называются терморезисторами?

21. Изобразите схематично линеаризованную температурную зависимость концентрации носителей заряда в монокристаллах легированных полупроводников.

22. Какими электронными процессами и факторами определяется температурная зависимость концентрации носителей заряда в монокристаллах легированных полупроводников?

23. Сравните величины температурного коэффициента сопротивления в различных областях температурной зависимости концентрации носителей заряда в легированном полупроводнике.

24. Как можно управлять температурной чувствительностью проводимости полупроводников?

25. Какова температурная зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках?

26. Какова природа носителей заряда в металлооксидных полупроводниках, используемых в качестве рабочего материала терморезисторов?

27. Как можно управлять проводимостью металлооксидных полупроводников?

28. Какова вольт-амперная характеристика терморезисторов? Объясните её характерные особенности.

29. Дайте определение позистора. Подумайте, можно ли принципиально создать позистор на основе полупроводникового материала.

30. Какой материал в основном используется для создания позисторов? В чём его особенность? Как достигается его сравнительно низкое сопротивление?

31. Изобразите схематично температурную зависимость сопротивления позистора. Во всём ли температурном диапазоне ТКС положителен?

32. Каковы основные характеристики позисторов?

33. Наблюдается ли у позисторов варисторный эффект?

34. Можно ли и как управлять температурой, при которой наблюдается скачок сопротивления позисторов?

35. Как может быть объяснён позисторный эффект на основе изменения условий переноса заряда на контактах между кристаллитами?

36. Как может быть объяснён позисторный эффект на основе изменения объёмных свойств кристаллитов?

37. Каков принцип действия позисторов на основе металл – диэлектрических композиционных материалов? Каковы преимущества таких позисторов?

38. Какие особенности вольт-амперной характеристики имеют электронные переключатели?

39. Какие полупроводниковые материалы используют для создания электронных переключателей?

40. Объясните механизмы возникновения эффекта переключения в халькогенидных стеклообразных полупроводниках.

41. Каков принцип действия запоминающего устройства на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников?