Отчетные материалы

В лабораторной тетради представляются:

– заполненные таблицы;

– выполненные расчеты и построенные экспериментальные зависимости: (t, ^oС) и (t, ^oС) для металла (на одном графике с разными осями);

– рассчитанные значения ₂₀ и  для металла;

– выполненные расчеты и построенные экспериментальные зависимости: R(t), (t, ^oС) и (t, ^oС) для полупроводника (на одном графике с разными осями);

– зависимость lnR(1/T, K^–1) для полупроводникового материала;

– рассчитанные значения Е_з и В для полупроводникового материала;

– выводы в письменном виде, сравнение полученных экспериментальных данных с табличными значениями.

К защите представляется РГЗ с задачами по теме ″Проводимость диэлектриков″, Проводимость металлов″, ″Проводимость полупроводников″.

Лабораторная работа № 2.2

″Исследование параметров варисторов″

Цели работы: исследование контактных явлений в полупроводниковых приборах, изучение принципа работы варистора.

Приборы и принадлежности: полупроводниковый варистор типа СН1, источник напряжения цепи постоянного тока, измеритель малых токов ИМТ, термостат.

2.2. Общие сведения

Варистор (переменный резистор) – полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.

Варисторы изготавливают, используя метод керамической технологии, который заключается в следующем. Основой для изготовления варисторов являются так называемые полупроводники группы A^IYB^IY, единственным представителем этой группы является соединение элементов IY группы – карбид кремния (SiC). Ширина запрещенной зоны E_з, определяющая собственную проводимость для различных кристаллических модификаций монокристаллического карбида кремния изменяется от 3 до 6 эВ. Однако, поскольку в материале может быть значительное количество как донорных, так и акцепторных примесей, энергия их активации E_пр изменятся в широких пределах до нескольких десятых эВ. Примесная проводимость осуществляется до температур 600 ^оС, после чего происходит собственная проводимость.

Кристаллический материал размельчают, смешивают со стеклообразующей основой (глина, жидкое стекло, органические лаки и другие), после чего порошкообразный карбид кремния запрессовывают вместе со связующим веществом в форму (цилиндра или таблетки) и спекают при температуре 1700 ^оС.

Композиционную структуру материала можно представить как совокупность микромонокристаллов карбида кремния (размером зерен от 40 до 300 мкм), поверхностно разделенных между собой, с одной стороны, тонкими слоями окисных пленок (рис. 2.2, а), с другой стороны, различные микрокристаллы многократно соприкасаются между собой посредством точечных микроконтактов, условно представленных на рис. 2.2, б.

Исследование вольтамперной характеристики варистора производится с помощью схемы, изображенной на рис. 2.3, а. Исследуемый элемент 1 помещается в термостат 2 для его нагрева. Напряжение подается от источника питания 3, ток и напряжение контролируется приборами 4, 5.

а) б)

Рис. 2.2. Строение поликристаллического варистора (а) и границы кристаллов (б)

По мере увеличения напряжения на варисторе ток растет нелинейно независимо от полярности напряжения (рис. 2.3, б, сплошная линия), при этом сопротивление материала резко уменьшается (пунктирная линия).

а) б)

Рис. 2.3. Схема измерения (а) и ВАХ (б) варистора

Процессы, протекающие в варисторе, описываются моделями:

а) туннелирования носителей заряда через диэлектрические пленки на границе "полупроводник – диэлектрик", т. е. протекания электрических зарядов через поверхностные потенциальные барьеры на границах между зернами;

б) прохождения носителей через точечные контакты между микрокристаллами.

Поскольку поверхностные диэлектрические пленки имеют малую проводимость и толщину, то в них возникают сильные электрические поля даже при малых напряжениях на варисторе. Высокие значения напряженности электрических полей связаны с тем, что фактически напряжение падает не в объеме карбида кремния, а на тонких изоляционных диэлектрических пленках.

Высокие электрические поля приводят к нелинейному возрастанию вероятности туннелирования носителей заряда сквозь потенциальные барьеры тонких оксидных пленок, вследствие чего происходит резкое увеличение проводимости кристаллов карбида кремния. Именно этим при малых напряжениях на варисторе обусловлен начальный линейный участок 1 вольтамперной характеристики (рис. 2.3, б), характеризуемый относительно малыми токами и большими значениями сопротивления постоянному току.

При увеличении напряжения (рис. 2.3, участок 2) на варисторе токи нелинейно возрастают; в этом диапазоне напряжений начинают играть роль точечные контакты. При относительно больших токах, проходящих через варистор, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Сопротивление контактов повышенное, поэтому на них падает практически все подведенное к прибору напряжение, и вследствие этого именно в области контактов происходит интенсивный разогрев за счет джоулевского тепла. Удельная мощность, выделяемая в точечных контактах, достигает больших значений. Из-за выделения джоулевской энергии на контактах их проводимость (как полупроводниковых структур) увеличивается, и сопротивление нелинейно уменьшается (на ВАХ участок 2).

Количественно процесс протекания тока через контакт может быть описан следующим образом. Точечный контакт к полупроводниковому материалу может быть интерпретирован как диод Шоттки [1]. Поэтому можно считать, что на границе раздела образуются структуры типа р-n-переходов [1] с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Схематически структура точечного перехода представлена на рис. 2.2, б. Можно считать, что имеется полупроводник n-типа, к которому "приставлено" тонкое острие; в результате взаимодействия образуется р-n-переход, аналогичный структуре диода Шоттки [1].

Сопротивление структуры варистора определяется соотношением

, (2.10)

где A – постоянная, E_з – ширина запрещенной зона материала, k - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, К.

а) б) в)

Рис. 2.4. Характеристики варистора

Логарифмируя соотношение (2.10) получим:

lnR(T) = lnA + (E_з/2k)(1/T). (2.11)

Экспериментально исследуется зависимость R(t, ^оС) (рис. 2.4, а). Затем, построив зависимость lnR(1/T) (б), можно вычислить ширину запрещенной зоны Е_з (или энергию активации примесей Е_пр) в кристаллах карбида по соотношению:

E_з = 2k·(lnR₂ – lnR₁)/(1/T₂ – 1/T₁). (2.12)

Варистор имеет следующие параметры и характеристики.

1. Вольтамперная характеристика (рис. 2.3, б).

2. Коэффициент нелинейности варистора (U)  отношение статического R и дифференциального r_d сопротивлений при заданном постоянном напряжении U на варисторе:

(U) R/r_d = (U/I)/(dU/dI)|_U = (U/I)dI/dU|_U. (2.13)

В форме конечных разностей имеем

U/I)I/U|_U. (2.14)

Величина (U) в области рабочих напряжений изменяется по кривой с максимумом (рис. 2.4, в), не превышая значения 6.

3. Коэффициент температурной чувствительности поверхностных слоев кристаллов карбида кремния:

В = Е_прТ. (2.15)

4. Температурные коэффициенты статического сопротивления при постоянном напряжении:

ТКR_{U = const} = (1/R)(dR/dT)_U=const, (2.16)

или при постоянном токе:

ТКR_{I = const} = (1/R)(dR/dT)_I=const . (2.17)

При малых напряжениях на варисторе, когда коэффициент нелинейности = 1, т. е. на линейном участке вольтамперной характеристики, можно получить

ТКR_{U  0} = (1/R)(dR/dT)_{U  0} = –B/T². (2.18)

Для варисторов в диапазоне температур от –40 до +100 ^оС величины: ТКR_{U = const} < 710^3 К^1, ТКR_I=const = (1/R)(dR/dT)_I=const < 1,410^3 К^1.

Варисторы, как нелинейные резисторы, используются в низковольтных и высоковольтных электрических цепях для регулирования силы тока в зависимости от напряжения, а также для защиты цепей, в частности, линий электропередач, от перенапряжений. В частности, варистор включается параллельно защищаемому прибору, например, резистору R_н, как показано на рис. 2.3, а. В случае резкого увеличения напряжения в сети, а, значит, и на варисторе, его сопротивление кратковременно падает, и сетевой ток протекает не по защищаемому резистору R_н, а через варистор. После уменьшения напряжения в сети до номинального, сопротивление варистора восстанавливается.

Описание и применение нелинейных резисторов (на основе вилитов или тиритов) в вентильных разрядниках высоковольтных линий электропередач, для защиты электрических цепей, силитовых стержнях и т. п. приведено в рекомендованной литературе [1].