Лабораторная работа № 2 исследование полупроводниковых терморезисторов

Цель работы:

1. Изучение основных параметров, характеристик и конструкции терморезисторов.

2. Экспериментальное исследование основных характеристик терморезисторов.

Пояснения к работе Общие сведения

Терморезисторами (термисторами) называют полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых изменяется при изменении температуры.

Терморезисторы используются в качестве датчиков температуры в измерительных приборах и устройствах автоматики, в электронных схемах для термокомпенсации элементов электрических цепей, измерения мощности СВЧ-излучений и других целей.

Как правило, в полупроводниковых терморезисторах используют материалы, электропроводность которых значительно увеличивается с ростом температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления ТКС). Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–10⁶ Ом. Изготавливаются также и терморезисторы с положительным температурным коэффициентом – позисторы.

Технология производства терморезисторов

При создании терморезисторов важное значение имеет выбор исходных материалов, которые должны удовлетворять ряду требований: чисто электронная проводимость материала, регулирование проводимости материала и его температурного коэффициента в широких пределах, стабильность характеристик материала в рабочем диапазоне температур, возможно более простая схема технологического процесса получения изделий.

Поликристаллические терморезисторы отечественного производства с отрицательным ТКС изготавливают в основном из синтетических материалов, состоящих из смеси окислов переходных металлов, которые обладают способностью изменять в соединениях свою валентность. Соединения переходных металлов с кислородом имеют обычно резко выраженные полупроводниковые свойства. Среди материалов, используемых для изготовления терморезисторов, наибольшее распространение получили сложные системы, в которых исходными компонентами являются такие оксидные полупроводники, как Mn₃О₄; Со₃О₄; СuО; ViO.

Наибольшее распространение имеют терморезисторы типов ММТ, КМТ и СТ. Эти терморезисторы изготавливают на основе медно-марган­це­вых (ММТ и СТ-2), кобальто-марганцевых (КМТ и СТ-1) и медно-кобаль­то-марганцевых (CT-З) оксидных полупроводников. Позисторы, как правило, изготавливаются на основе титанобариевой керамики, сопротивление которой значительно уменьшено (от 10¹⁰–10¹² Омсм до 10–100 Омсм) за счет добавления таких примесей редкоземельных металлов, как лантан или церий.

При изготовлении терморезисторов исходные компоненты (гидратные соединения меди, марганца, никеля и кобальта) тщательно перемешивают и из полученного порошка путей протяжки через мундштук или прессовки в пресс-формах формируют элементы с необходимыми геометрическими размерами. Обжиг полученных терморезистивных элементов проводят при температуре 1000–1400 ºС (в зависимости от используемого состава) в окислительной среде. В материале при этом образуются твердые растворы со структурой типа кубической шпинели. Для создания омических контактов термочувствительных элементов, выполняемых в ви­де стержней, дисков, бусинок или шайб, на их торцевых поверхностях создают серебряные контакты с помощью специальных паст, широко используемых в керамическом производстве.

Процесс изготовления позисторов на основе титаната бария (ВаТiO₃) аналогичен получению керамики обычного типа и состоит из взвешивания исходных компонентов, их перемешивания в шаровой мельнице с последующими фильтрацией, сушкой и обжигом при температуре 1100–1200 ºС. Полученный хрупкий материал подвергается помолу в шаровой мельнице с последующим прессованием в виде пластин, дисков или брусков и их обжигом при температуре 1400 ºС в течение 0,5–2 ч. Хорошие омические контакты с малым переходным сопротивлением и механически прочные получают химическим осаждением никеля. Поверхность, на которую осаждают никель, предварительно активируют раствором хлористого палладия. После присоединения контактных выводов на терморезистивный эле­мент наносится защитное изоляционное покрытие на основе эпоксидных смол.

В настоящее время терморезистивные элементы как с положительным, так и с отрицательным ТКС изготавливаются также из монокристаллических полупроводников, таких, например, как кремний, германий, карбид кремния, фосфид галлия. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5–0,7 %/К), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется вместе с температурой примерно по линейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах.

Терморезисторы из монокристаллических полупроводниковых материалов представляют собой пластинки электронного или дырочного типа электропроводности с концентрацией примеси, например, для германия от 10¹⁷ до 10¹⁵, а для кремния – от 3∙10¹⁸ до 5∙10¹⁵ атомов на 1 см³. Омические контакты с кристаллом создают путем двукратного химического осаждения никеля. Для защиты от влаги и других внешних воздействий терморезистивный элемент покрывают термостойким лаком.

При исследовании температурных свойств монокристалли­ческих структур на основе германия и кремния было обнаружено, что эти структуры обладают линейной в рабочем диапазоне тем­ператур до 400 К температурной характеристикой, хорошей ста­бильностью во времени и воспроизводимостью.

Следует отметить, прежде всего, что их температурная чувствительность не уступа­ет температурной чувствительности поликристаллических терморезисторов и составляет от 0,6 до 3 % (и выше) на каждый градус; они вполне взаимозаменяемы, в особенности по коэффициенту температурной чувствительности, что позволяет получать технологическим путем идентичные по этому параметру партии в размере 50 штук и более; обладают луч­шей воспроизводимостью и стабильностью, чем датчики темпера­туры других типов; малоинерционны благодаря тому, что нити монокристаллов могут достигать в диаметре доли микрона; до­пустимая температура составляет от 300 до 1000 °С; обеспечива­ют большой диапазон получения требуемых значений номиналь­ного сопротивления (от десятков ом до десятков килоом); имеют линейную температурную характеристику в широком диапазоне температур; допускают получение при необходимости положительного, равного нулю, или отрицательного температурного коэф­фициента сопротивления.

Несомненный интерес представляют полупроводниковые пленочные термочувствительные элементы, одним из возможных вариан­тов которых является конструкция в виде монокристаллического основания с нанесенным по интегральной технологии термочувст­вительным элементом.