Теоретические положения

Терморезисторы − это полупроводниковые резисторы, значительно изменяющие свое сопротивление при изменении температуры. Они имеют большую величину температурного коэффициента сопротивления и нелинейную вольт-амперную характеристику.

К основным характеристикам терморезисторов относятся: номинальное сопротивление R, его температурная зависимость, подчиняющаяся экспоненциальному закону, и температурный коэффициент сопротивления (ТК_R). Важное требование − стабильность этих характеристик при эксплуатации. В небольшом объеме терморезистора можно сосредоточить большое сопротивление (R изменяется в пределах от Ом до МОм), благодаря чему сопротивление электрической цепи, в которую включен терморезистор, будет в основном определяться сопротивлением терморезистора. Изменяя температуру терморезистора, можно регулировать ток в цепи.

Температурный коэффициент сопротивления (ТК_R) терморезистора представляет собой относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1°C и выражается уравнением

TK_R = ∙  ∙ ,

где TK_R – температурный коэффициент сопротивления, 1/ ; R₂ – сопротивление катушки при температуре t₂; R₁ – сопротивление катушки при температуре t₁ (t₂ > t₁).

Для производства терморезисторов наибольший интерес представляют полупроводниковые материалы, обеспечивающие широкий диапазон номинального сопротивления R, различный температурный коэффициент удельного сопротивления, малый разброс параметров и т.д. Кроме того, желательно, чтобы характеристики этих материалов были малочувствительны к присутствию посторонней примеси и небольшим отклонениям от режима термообработки. Путем подбора определенного соотношения образующих компонентов получают заданные значения номинального сопротивления R и ТК_R.

Важной характеристикой терморезисторов является также постоянная времени τ − время, в течение которого температура терморезистора изменяется в «е» раз (на 63 %) при переносе его из воздушной среды с температурой 120 °С в воздушную среду с температурой 20 °С. Постоянная времени τ у разных терморезисторов изменяется от 0,5 до 140 с.

В зависимости от строения полупроводникового материала ТК_R может быть не только отрицательным, но и положительным в определенном интервале температур. При этом причины, приводящие к изменению сопротивления вследствие изменения температуры, будут различными у терморезисторов с положительным и отрицательным ТК_R.

Полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТК_R называют термисторами (рис. 5.1а). Их изготавливают из различных полупроводниковых материалов. У термисторов, полученных из монокристаллического ковалентного полупроводника (Si, Gе, SiС, GаР и др.), в интервале температур, соответствующем примесной или собственной электропроводности, ТК_R имеет отрицательное значение. В данном случае с увеличением температуры электропроводность возрастает, а сопротивление снижается (в результате увеличения концентрации носителей заряда).

Зависимость сопротивления термисторов от температуры в диапазоне нескольких десятков градусов удовлетворительно описывается экспоненциальной функцией

где А – сопротивление при бесконечно большой температуре, В – коэффициент температурной чувствительности (его значения обычно лежат в диапазоне 1200–16000).

Коэффициент температурной чувствительности B можно определить по формуле

где T₀ – начальное значение температуры термистора (градусы Кельвина) и R₀ – сопротивление при этой температуре; T_m – максимальное значение температуры термистора и R_m – сопротивление при этой температуре.

Коэффициент А можно определить по формуле

а) б)

Рис. 5.1. Температурные зависимости термистора (а) и позистора (б)

В настоящее время в производстве термисторов наибольшее применение получили оксиды металлов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева: Тi, V, Cr, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn. Полупроводниковая керамика на их основе имеет более низкую стоимость, чем монокристаллические полупроводники, что в значительной мере обусловливает ее широкое применение.

Величина ТК_R термисторов зависит от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого они изготовлены; она не постоянна и с повышением температуры уменьшается.

В производстве термисторов обычно используют смеси полупроводниковых оксидов металлов переходной группы периодической системы Д.И. Менделеева: СuО+Мn₃О₄; Мn₃О₄+NiO; Мn₃О₄+NiO+Со₃О₄, а также смеси оксидов железа с полупроводниками сложного состава: МnСо₂О₄, СuМn₂О₄, МgСr₂О₄ и др. Наиболее распространенными типами термисторов являются медномарганцевые (ММТ), кобальтомарганцевые (КМТ и СТ1) и меднокобальтомарганцевые (СТЗ).

Термисторы используют для температурной стабилизации электрических цепей и контуров, стабилизации режимов транзисторных каскадов, температурной компенсации электроизмерительных приборов, в устройствах измерения и регулирования температуры и устройствах автоматики и контроля.

Терморезисторы с положительным ТК_R называют позисторами (рис. 5.1б). В основном позисторы производят из полупроводниковой керамики, обладающей точкой Кюри и большим положительным ТК_R в узком интервале температур.

Описать зависимость сопротивления позисторов от температуры экспоненциальной функцией, к сожалению, не удается.

Наиболее распространенные − позисторы типов СТ5 и СТ6 − изготавливают из керамики на основе титаната бария ВаТiO₃. Сопротивление такой керамики снижают путем добавления редкоземельных элементов. При нагревании ее сопротивление изменяется в 10³−10⁵ раз. Сопротивление керамики на основе ВаТiO₃ определяется сопротивлением поверхностных слоев контактирующих между собой кристаллических зерен (кристаллитов).

В производстве позисторов иногда используют монокристаллический Si, Gе или другой ковалентный полупроводник. Положительный ТК_R у этих материалов объясняется тем, что в области насыщения, в которой находится рабочий температурный интервал полупроводникового прибора, с увеличением температуры уменьшается подвижность носителей заряда, а их концентрация n не изменяется. Поэтому γ уменьшается и ТК_R становится положительным. Позисторы, изготовленные из монокристаллического кремния с небольшой концентрацией примесей (10²¹–10²³ м^-3), имеют ТК_R = (0,7–1,0)∙10^-2 К^-1 с положительным знаком в интервале от 20 до 100 °С. Эти позисторы в сравнении с поликристаллическими имеют меньший разброс характеристик.

Поликристаллические полупроводниковые материалы, имеющие более низкую стоимость и больший ТК_R, чем монокристаллические, нашли широкое применение в производстве позисторов. Положительный ТК_R у позисторов всех типов наблюдается в определенном интервале температур. При температурах выше или ниже этого интервала ТК_R становится отрицательным.

Позисторы используют для бесконтактных термопереключателей, защиты элементов радиоаппаратуры от перегрузки по току, для зашиты электродвигателей в аппаратах записи и воспроизведения звука.

Некоторые характеристики термисторов и позисторов приведены в таблицах 5.1 и 5.2.

Таблица 5.1

Некоторые характеристики термисторов

Характеристика	Тип термистора
	ММТ-4	КМТ-1	СТЗ-26
Пределы номинального сопротивления при 20 °С, кОм	1–200	22–1000	0,1–0,68
ТКR при 20 °С, %/°С	2,4–5,0	4,2–8,4	2,4–5,0
Интервал рабочих температур, °С	–60–(+125)	–60–(+180)	–60–(+125)
Постоянная времени, с, не более	115	85	–

Таблица 5.2

Некоторые характеристики позисторов

Характеристика	Тип позистора
	СТ5-1	СТ6-1А	СТб-ЗБ
Пределы номинального сопротивления при 20°С, кОм	20–150	40–400	1000–10 000
Максимальный ТКR при 20°С, %/°С	15	10	15
Интервал рабочих температур, °С	–60–(+200)	–60–(+125)	10–125
Постоянная времени, с, не более	10–15	10–15	5
Кратность изменения сопротивления в области положительного ТКR	103	103

Рис. 5.2. Фотография экспериментальной установки