21. Высокоомные сплавы и их свойства. Удельное сопротивление металлических сплавов.

Мате­риалы высокого сопротивления должны быть высокостабильными, иметь удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм•м, очень низкий ТКρ и малую термо-ЭДС относительно меди. Металлические сплавы, образующие твердые растворы, по на­значению разделяют на сплавы резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы широко используют в производстве прово­лочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар и т.д. Самые рас­пространенные среди них — медно-никелевые сплавы: манганин, константан и др.

1. Манганин — это сплав, состоящий из меди Си 85—89%, никеля Ni 2,5—3,5% и марганца Мп 11,5—13,5%. Примеси не должно быть более 0,9%. Удельное сопротивление манга­нина составляет 0,42—0,48 мкОм-м, предельно допустимая температу­ра 200°С. Хо­рошо протягивается в тонкую проволоку диаметром от 0,02 до 6,0 мм, а микро­провод в стеклянной изоляции производят диаметром в несколько мкм. Хорошо прокатывается в ленту толщиной 0,01—1 мм (ширина ленты 10—300 мм). Манганин применяют для изготовления образцовых (проволочных) резисторов, шунтов и некоторых измерительных приборов.

2. Константин — сплав, содержащий 56—59% меди Си, 39—41% никеля Ni и 1—2% марганца Мп, примеси — не более 0,9%. Удельное сопротивление р = 0,48—0,52 мкОм•м, значение ТКр близ­ко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. Может использоваться в реостатах и нагревательных элементах при температурах до 450—500°С. При быстром (3 с) нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900°С на ее поверхности обра­зуется тонкая пленка оксида, обладающая электроизоляционными свойствами.

Нагревостойкие сплавы используют для изготовления нагрева­тельных элементов. К ним относятся сплавы на основе железа, нике­ля, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов обусловле­на образованием на их поверхностях сплошной плотной оксидной пленки.

1. Нихромы — это сплавы системы Fe—Ni—Cr, со­держащие Ni 55—78%, Cr 15—25%, Mn 1,5 и остальное Fe; удельное сопротивление равно 1,0—1,2 мкОм-м. При повышенном содержа­нии железа эти сплавы называют ферронихромами. Нихромы облада­ют высокой технологичностью, легко протягиваются в тонкую про­волоку и легко прокатываются в тонкую ленту. Это жаростойкие сплавы. Вы­сокая нагревостойкость нихромов объясняется близкими значения­ми ТКЛР сплавов и их оксидных пленок.

2. Фехрали и хромали — это жаростойкие сплавы системы Fe—Cr—A1, содержащие с своем составе хрома Сг 12—15%, алюминия А1 3,5—5,5%, марганца Мп 0,7%, никеля Ni 0,6% и ос­тальное железо Fe; удельное сопротивление равно 1,2—1,4 мкОм•м. Эти сплавы менее технологичны, более твердые и хрупкие, чем ни­хромы. Поэтому из них получают проволоку и ленты с поперечным сечением большим, чем из нихромов. Отличаются высокой стойкостью к химиче­скому разрушению под действием различных газообразных сред при высоких температурах.

22. Влияние примеси на удельное сопротивление. Влияние размеров проводника на удельное сопротивление. (Пленочные проводники в микросхемах).

Влияние примеси на удельное сопротивление

Чистые отожженные металлы имеют менее деформированнуюкристаллическую решетку, поэтому для них характерны большие значения λ, и, следовательно, у (малая величина ρ). Примеси, раство­ренные в металлах, деформируют кристаллическую решетку и вызы­вают большие изменения удельного сопротивления. Отсюда ρ метал­лов, содержащих растворенную примесь, всегда выше, чем ρ чистых металлов. У металлических сплавов удельное сопротивление зависит не только от концентрации компонентов, образующих данный сплав, но и от типа образовавшегося сплава. Гетерогенные структуры (механические смеси), твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, химические (интерметаллические) соединения. Максимальное значение р проявляется у сплавов, кристаллическая решетка которых макси­мально деформирована.

Влияние размеров проводника на удельное сопротивления

Вметаллических проводниках в виде тонких пленок, фольги или проволоки образуется мелкозернистая структура. Чем мельче зерно, тем больше суммарная удельная поверхность зерен. Наиболее де­фектной частью зерна является его поверхность. Увеличе­ние удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллиза­ции металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой пленке появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ, пор и др. В результате умень­шается средняя длина свободного пробега электрона λ, и р возраста­ет. Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких ме­таллических пленок принято сопротивление квадрата R_D, через про­тивоположные грани которого ток протекает параллельно поверх­ности R_D = ρ_δ /δ.

Термо­резисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС — (-6,5...+70)%. Материал для создания терморезисторов должен удовле­творять следующим требованиям:

1.электронная проводимость материала и возможность регулирования ее,

2.стабильность харак­теристик материала в диапазоне рабочих температур,

3.простота технологии изготовления изделий,

4.материалы должны быть не­чувствительными к загрязнениям в процессе технологического изготовления изделий.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронным. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носите­лей заряда.

и уровнями. Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно изготавливают из следующих оксидных систем: ни­кель-марганец-медь, никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан, никель-литий, кобальт-литий, медь-марганец.

Тенденции развития современных материалов с отрица­тельным ТКС

1.получение более стабильных терморезисторов

2.расширение верхней границы ра­бочих температур.

3.создание переключающих термо­резисторов с отрицательным ТКС.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы

1.Терморезисторы из полупроводникового материала, легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и р-типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до150°С и выше

2.Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1^oС), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводнико­вый титанат бария с большим изменением ТКС при температу­ре 120°С.

Терморезистивные элементы с положительным ТКС выпускают на основе титанато-бариевой керамики.

Основные электрические параметры

1. Габаритные размеры.

2. Величина сопротивления образцов

3. Величина ТКС а в процентах на 1°С

4. Постоянная времени τ (в секундах), характеризующая те­пловую инерционность терморезистора.

5. Максимально допустимая температура tmax

6. Максимально допустимая мощность рассеивания

7. Коэффициент рассеяния Н в Вт на 1°С. Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности темпе­ратур образца и окружающей среды в 1°С

8. Коэффициент температурной чувствительности

В =[ (T1*T2)/(T2-T1) *Ln(R1/R2)

9. Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1 %

10. Теплоемкость С в Дж на 1°С.

Основные характеристики терморезисторов

1.ВАХ

график (А)соответствует терморезистору с отрицательным ТКС,

(Б) — с положительным.

2.Температурная характеристика

3.Подогревная характеристика — характеристика, свойст­венная терморезисторам косвенного подогрева — зависимость сопротивления резистора от подводимой мощности.

Собственный нагрев термисторов

1.Схемы с термисторами, сопротивление которых определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает дополнительного разо­грева термистора.

2. Во вторую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет собственного нагре­ва.