книги из ГПНТБ / Зайцев Ю.В. Переменные резисторы

творения дистиллированную воду предварительно подо­ гревают. Процесс осаждения никеля проводится при тем­ пературе 90—97 °С в течение 10—12 мин. При химиче­ ском никелировании восстановление ионов никеля про­ исходит не за счет электрического тока (как в случае никелирования гальваническим способом), а с помощью специально вводимого в раствор вещества — гипофосфи­ та натрия. Одновременно происходит выделение газооб­ разного водорода; по интенсивности выделения водорода можно судить о ходе процесса. В раствор никелирования обычно добавляют соли органических кислот: лимонной, уксусной, гликолевой, способствующих ускорению про­ цесса. Если эти добавки не вводить, то повышается кис­ лотность раствора и восстановление никеля прекращает­ ся. Характерная особенность процесса состоит в том, что получаемое покрытие всегда содержит фосфор, количе­ ство которого составляет 3—6% и может достигать 10—12°/о- Включение фосфора в осадок значительно из­ меняет свойства никеля — увеличивается твердость по­ крытия, изменяется его проводимость.

Поскольку для ПЭ переменного резистора исключи­ тельно важна износоустойчивость покрытия, необходимо проводить термообработку пластин при температуре 730—770 °С в течение 8—10 мин в атмосфере инертного газа. Фосфор, входящий в состав покрытия, диффунди­ рует в кремний и, являясь донорной примесью, создает слои с высокой проводимостью. Вторичное никелирова­ ние производится в той же последовательности, как опи­ сано ранее. Для подстроечных ПЭ целесообразно выби­ рать в качестве исходного материала кремний п-типа, в этом случае химическое никелирование обеспечивает низ­ коомный механически прочный контакт с ПЭ.

Резка пластин кремния на отдельные элементы осу­ ществляется с помощью алмазных дисков. Резку пластин алмазным диском производят так же, как и резку слит­ ков. Пластины кремния приклеивают к стеклу, устанав­ ливаемому на столик станка, величина перемещения сто­ лика с пластиной после каждого реза соответствует ширине ПЭ. После того как пластина разрезана на поло­ сы в одном направлении, стекло поворачивают на 90° и снова производят резку полос на прямоугольники. За­ тем элементы снимают со стекла, обезжиривают и про­

334

мывают. Эта операция резки не очень технологична, так как возможны загрязнения пластин при наклейке, кото­ рые не всегда могут быть удалены при обезжиривании.

Далее ПЭ поступают на установку, где с помощью ультразвука в ПЭ создается необходимое количество про­ резей в зависимости от заданной разрешающей способ­ ности элемента. Одновременно контролируется сопротив­ ление ПЭ; когда сопротивление ПЭ становится равным

Рис. 6-6. Переменные резисторы с прямоугольным (а) и под­ ковообразным (б) монокристаллическим ПЭ.

номинальному, создание прорезей прекращается. Далее элементы промывают в дистиллированной воде и сушат.

Следующая технологическая операция — установка ПЭ в конструкцию. Рекомендуется устанавливать ПЭ в конструкцию, приклеивая его к изоляционной крышке, выполняя отводы от ПЭ гибкими проводниками или устанавливая ПЭ под упругие контактные шайбы, меха­ нически связанные с выводами резистора. Шайбы реко­ мендуется покрывать металлом, который используется для создания проводящих полос ПЭ для снижения пере­ ходного сопротивления и термо-э. д. с. в контактных уз­ лах. Конструкция контактного узла полупроводникового резистора должна обеспечивать без потери контакта ме­ ханические деформации ПЭ при колебаниях температуры окружающей среды в широком интервале (от —60 до + 200 °С). Отводы от ПЭ выполняют пайкой или термо­ компрессией.

335

Полупроводниковые ПЭ целесообразно использовать в многооборотных миниатюрных резисторах, а также в низкоомных переменных резисторах с повышенной мощ­ ностью рассеяния ( Р > 1 Вт), конструкции которых пре­ дусматривают прямолинейное перемещение скользящего контакта.

Конструкция миниатюрного многооборотного резисто­ ра с полупроводниковым монокристаллическим ПЭ при­ ведена на рис. 6-6, а. Полное изменение сопротивления обеспечивается 45 поворотами регулировочной оси.

6-4. Расчет и исследование параметров

Рассчитаны и исследованы основные электрические параметры переменных резисторов с монокристалличе­ ским ПЭ. Сопротивление ПЭ определяется удельным со­ противлением исходного полупроводникового материала, числом металлизированных полос на поверхности ПЭ. При расчете сопротивления ПЭ целесообразно учитывать переходное сопротивление Rn (между контактом и ПЭ). Расчет переходного сопротивления в месте контакта к полупроводниковому ПЭ проводится с учетом падения напряжения на металлизированном слое в зависимости от поверхностных сопротивлений металла pSMи слоя по­ лупроводника psn, переходного сопротивления контактов рк, размеров контакта и места присоединения источника тока (истока). Решение задачи проводилось для плос­ кого прямоугольного контакта шириной b и длиной а, в направлении протекания тока. Считаем, что постоян­ ный ток подводится к контакту по всей его ширине. Тогда для токов и потенциалов в слоях металла и полупровод­ ника должны выполняться соотношения

dU1(x) = — / i ( x ) p SM dx/b-

где / i(x) и 12{х) — ток, протекающий в слоях металла и

336

дифференциальное уравнение для тока в слое металла

где

= P s m / P k “ Ь P s n / Р к -

Решение уравнения (6-55) с соответствующими гра­ ничными условиями дает выражение для токов в слоях металла и полупроводника и общего сопротивления та­

Для геометрии ПЭ, используемого в полупроводнико­ вом резисторе, сопротивление каждого контактного узла

(6-57)

* n = T T cth(sa)-

Таким образом, кроме геометрических размеров кон­ такта величина Rn определяется удельным переходным сопротивлением рк, которое является одной из основных характеристик барьера металл — полупроводник. Для получения омического контакта необходимо иметь низ­ кое значение рк, чтобы вольт-амперная характеристика резистора была в основном обусловлена сопротивлением полупроводникового материала. Температурная зависи­ мость рк может оказывать существенное влияние на тем­ пературную зависимость сопротивления резистора. Исхо­ дя из обобщенной теории переноса основных носителей, можно получить значения рк барьеров металл — полупро­ водник для различных полупроводниковых материалов.

Исследования показали, что переходное сопротивле­ ние Rn вносит незначительный вклад в общее сопротив­ ление ПЭ, составляя 0,5—2% от RH. В значительной мере сопротивление ПЭ переменного полупроводникового ре­ зистора определяется числом и размерами металлизи­ рованных полос, создаваемых на его поверхности. Для полупроводникового переменного резистора важным па­ раметром является контактное сопротивление ДкНа рис. 6-7 показано изменение RK в зависимости от давле­ ния F и тока / в контактной паре; ПЭ резисторов выпол-

337

йены из кремния n-типа с удельным сопротивлением 10~4 Ом-м. Наименьшее сопротивление получено, когда скользящий контакт выполнен из нейзильбера.

Важным параметром ПЭ является также максималь­ но допустимая рабочая температура, расчет которой вы­ полнялся из уравнения

+ J_ \ = о Ш, (6-58)

2кТ 2к )

где N — концентрация легирующей примеси, АЕ0— ши-

Рис. 6-7. Зависимость RK от давления (а) и тока (б) в контактной паре. Скользящий контакт выполнен на основе композиции из са­ жи и графита (/), сажи и мелкодисперсного серебра (2) и нейзиль­ бера (3).

рина запрещенной зоны при О К; £ — температурный ко­ эффициент ширины запрещенной зоны.

Результаты расчета приведены на рис. 6-8. При рас­ чете Тмакс не учитывалось уменьшение ширины запре­ щенной зоны, поскольку оно не превышает для Si и Ge 0,03 эВ.

Для увеличения максимально допустимой рабочей температуры, как показывает расчет, необходимо исполь­ зовать для ПЭ материалы с большой шириной запрещен­ ной зоны и высокой концентрацией легирующей примеси.

Рассчитан и экспериментально исследован ТКС полу­ проводниковых резисторов, величина которого в основ­ ном определяется зависимостью подвижности носителей заряда от температуры. Величина подвижности и ее за­ висимость от температуры,, как уже отмечалось, опреде­ ляются механизмом рассеяния носителей заряда в кри­ сталле. Преобладающее влияние оказывает рассеяние

338

на тепловых колебаниях кристаллической решетки и на ионизированных примесях. В соответствии с этим резуль­ тирующую подвижность представим состоящей из под­ вижности, обусловленной рассеянием на фононах и на примесях.

В интервале рабочих температур ПЭ концентрация носителей заряда постоянна и поэтому можно считать,

Расчет подвижности носителей заряда производился на ЦВМ «Минск-22». Расчетные зависимости подвижно­ сти в ПЭ, изготовленных на основе кремния н-типа с раз­ личной концентрацией примеси, приведены на рис. 6-9.

Рис. 6-9. Температурные зависимости подвижности носителей за­ ряда в кремнии и-типа с концентрациями примесей 1023, 1024

и 1025 м -3.

Изменения сопротивления кремниевых резисторов с изменением температуры приведены на рис. 6-10. В осно­ ву расчета температурных зависимостей полупроводни­ ковых резисторов (в интервале рабочих температур) был положен расчет подвижности носителей заряда, выпол­

339

няемый по формулам (1-42), (1-43). Блок-схема програм­ мы расчета подвижности носителей заряда, а также ТКС приведены на рис. 1-17, 1-18.

Уровень собственных шумов переменных резисторов с монокристаллическим ПЭ не превышает 0,1—0,2 мкВ/В.

Рис. 6-10. Зависимость сопротивления от температуры для ПЭ, выполненных из кремния n-типа с концентрацией донорной примеси 5-1023, 1024 и 2• 1024 м-3.

1,0

0,8

0,6

W

0,2

Рис. 6-11. Функциональные характеристики кремниевых перемен­ ных резисторов с различной разрешающей способностью.

На специально сконструированной установке иссле­ довались функциональные характеристики кремниевых переменных резисторов (рис. 6-11). Резисторы имеют ли­ нейную функциональную характеристику типа А, разре­ шающая способность их определяется числом и размера­ ми металлизированных полос на поверхности ПЭ. Ис­ следования показали, что функциональные характери­ стики полупроводниковых резисторов с монокристалли­

340

ческим ПЭ имеют удовлетворительную плавность. При

RH=0,1-M0 О м ТКС составляет (1-ь5)-10~4 1/К. Изме­ нение сопротивления ПЭ, находившихся под номиналь­ ной нагрузкой при 155°С, в течение 1 000 ч, не превыша­ ет ±4,5%- Номинальная мощность рассеяния резисторов определяется размерами ПЭ и допустимой рабочей тем­ пературой. Значение номинальной мощности рассеяния резисторов указывают при температуре 155°С.

Проведенные исследования показали, что перемен­ ные резисторы с монокристаллическим ПЭ являются ре­ зисторами с повышенной термостойкостью и соответст­ венно стабильностью при повышенных температурах. Важной особенностью полупроводниковых резисторов с монокристаллическим Г1Э является то, что они могут быть выполнены с низкими номинальными сопротивле­ ниями (до десятых долей ома) и на большие рабочие токи. Это делает их исключительно перспективными для подстройки и регулировки режимов электронных схем, а также различных электротехнических устройств.

Заключение

В настоящей монографии обобщены результаты ис­ следований в области переменных резисторов со сколь­ зящим контактом.

Важнейшую часть этой общей темы составляет про­ блема, связанная с разработкой унифицированных (ба­ зовых) конструкций переменных резисторов, внедрение которых в массовое производство является актуальной современной технической задачей. В нашей стране серий­ но выпускаются десятки типов переменных резисторов.

Существование столь большого числа типов резисто­ ров в различных конструктивных вариантах вызвано стремлением полнее удовлетворить многообразные тре­ бования конструкторов электронной аппаратуры. С дру­ гой стороны, широкая номенклатура изделий (с близки­ ми параметрами) затрудняет их выбор для конкретных электронных устройств, в ряде случаев ограничивает возможности замены изделий при эксплуатации и модер­ низации аппаратуры. В связи с этим в последние годы развернут широкий фронт работ по унификации конст­ рукций переменных резисторов, созданию базовых кон­ струкций и типовых технологических процессов. Завер­ шение этих работ даст народному хозяйству экономи­

зм

ческий эффект, исчисляемый сотнями миллионов рублей. Создание базовых конструкций переменных резисто­ ров отнюдь не снимает проблемы разработки новых ти­ пов переменных резисторов в соответствии с перспек­ тивными требованиями отечественной промышленности. В ближайшие годы в серийном производстве будут занимать большое место композиционные полупроводни­ ковые переменные резисторы с прямоугольным и цилин­ дрическим ПЭ, пленочные и объемные резисторы с по­ вышенной мощностью рассеяния, а также специальные виды резисторов (с осевым выключателем, с высокоча­ стотным ПЭ и т. п.). Будут интенсивно продолжены ра­ боты по синтезу новых материалов для ПЭ переменных резисторов; в конструкциях резисторов будут широко использоваться полупроводниковые материалы различ­ ных классов — от многофазных материалов сложного состава до монокристаллических. Более широкое исполь­ зование полупроводниковых материалов для ПЭ пере­ менных резисторов позволит значительно улучшить их эксплуатационные характеристики, обеспечить изделиям повышенную термостойкость, надежность и стабильность

параметров.

Проблематика настоящего исследования соприкасает­ ся с проблемой конструирования термоуправляемых и магнитоуправляемых резисторов, носящих характер бесконтактных регулируемых сопротивлений. В этих смежных областях также в последние годы активизиро­ вались научно-исследовательские работы. Нашим кол­ лективом проведен цикл работ и в этом направлении: разработаны и внедрены в производство миниатюрные переменные термоуправляемые резисторы с монокристаллическим ПЭ, разработаны и исследованы мощ­ ные термоуправляемые сопротивления с моНокристаллическим ПЭ (/?н=1э-22 Ом; 1и—10ч-200 А) для автомати­ ческих пусковых систем двигателей малой и средней мощности. Разработана технология производства и ис­ следованы параметры мощных магнитоуправляемых со­ противлений на основе арсенида индия. Основные ре­ зультаты исследований по бесконтактным сопротивлени­ ям опубликованы автором в ряде работ [Л. 42—46]. Однако свойства и принцип действия бесконтактных со­ противлений затрагивают уже новый, совершенно отлич­ ный круг проблем, которым будут посвящены специаль­ ные издания.

342

ПРИЛОЖЕНИЯ

1.Некоторые значения функций Якоби

К1

2.Полные эллиптические интегралы первого рода

343