Тема 1.3 Полупроводниковые резисторы.

1.3.1 Терморезисторы.

1.3.2 Фоторезисторы.

1. Варисторы.

1.3.1 Терморезисторы

Полупроводниковые резисторы – это обширный класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов.

Терморезисторы – полупроводниковые резисторы сопротивление которых сильно зависит от температуры. Они изготавливаются из смеси оксидов кобальта и марганца и выполняются в виде дисков, миниатюрных бусинок, плоских прямоугольников Терморезисторы делятся на два класса:

1. Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом (ТКС), сопротивление которых с ростом температуры уменьшается.

2. Терморезисторы с положительным ТКС, изготавливаемые на основе титана бария и называемые позисторами, сопротивление которых с ростом температуры увеличивается..

Условное графическое обозначение данных терморезисторов приведены соответственно на рис. 17.

В терморезисторах с отрицательным ТКС уменьшение сопротивления с ростом температуры обусловлено увеличением концентрации свободных носителей заряда или увеличением их подвижности. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры определяется уравнением (1) где А – коэффициент зависящий от удельного сопротивления полупроводника; В – коэффициент температурной чувствительности, определяемый свойствами полупроводника. Т – температура, К.

На рис. 18 изображена температурная характеристика терморезистора, соответствующая выражению (1).

ВАХ терморезистора представляет собой зависимость между напряжением на терморезисторе и проходящим через него током (рис. 19).

Она имеет три основных участка: ОА; АВ; ВС. На участке ОА характеристика линейна, т.к. при малых токах тепловая мощность, выделяющаяся в терморезисторе, мала и не влияет на его температуру. На участке АВ с ростом тока температура терморезистора повышается и его сопротивление падает. При дальнейшем увеличении тока на участке ВС уменьшение сопротивления столь значительно, что рост тока ведет к уменьшению напряжения на терморезисторе.

Основные параметры терморезистора:

R_{Т ном} – номинальное сопротивление терморезистора при t=20⁰.

Т – диапазон рабочих температур.

Р_max – допустимая мощность рассеивания.

Различают терморезисторы, реагирующие на внешний нагрев и нагрев током, проходящим через рабочее тело терморезистора. Первые используют в качестве датчиков температуры окружающей среды. Вторые применяют для регулирования процессов в электрических цепях.

На рис. 20 изображена схема для измерения температуры, в которой чувствительным элементом является терморезистор R_К.

Балансировка четырехплечего моста выполняется при определенной температуре окружающей среды. Когда терморезистор оказывается в среде с другой температурой его сопротивление изменяется, мост разбалансируется и в цепи измерительного прибора появляется электрический ток, пропорциональный температуре среды.

1.3.2 Фоторезисторы.

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, вследствие чего проводимость полупроводника возрастает. Т.к. следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию:

где h – постоянная Планка ( )

- ширина запрещенной зоны полупроводника.

- критическая частота э.м. излучения. Критической частоте соответствует граничная длина волны: где с – скорость света м/с. При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Фотопроводимость полупроводников обнаруживается в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра, в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая в свою очередь зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля. Поскольку при освещении полупроводника светом меняется его внутреннее сопротивление, то данное явление получило название фоторезистивного эффекта.

Фоторезисторы – это полупроводниковые приборы, сопротивление которых изменяется под воздействием светового потока. На рис. 21 изображено условное графическое изображение фоторезистора на принципиальной схеме.

Рис 21

На рис. 22 изображена схема включения фоторезистора.

Рис22

При отсутствии освещения ( ) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением R_тем и темновой ток, проходящий в цепи фоторезистора, мал и определяется выражением .

При наличии светового потока ( ) сопротивление фоторезистора уменьшается до значения R_св и ток, протекающий по цепи, будет равен:

.

Разность токов I_св – І_тем определяет фототок

.

На рис. 23 показаны ВАХ фоторезистора, соответствующие затемнению (1) и осветлению (2).

Рис 23

Параметры фоторезистора:

І_тем – темновой ток; I_св – световой ток; І_ф – фототок.

- интегральная чувствительность.

U_р – допустимое рабочее напряжение, при котором светочувствительный слой еще не поврежден.

Р_max – допустимая мощность рассеивания.

- кратность изменения сопротивлений.

1.3.3 Варисторы.

Варистор – это нелинейный полупроводниковый резистор из карбида кремния, сопротивление которого с увеличением приложенного напряжения уменьшается.

На рис. 24 изображено УГО варистора на принципиальной электрической схеме, а на рис. 25 изображена ВАХ варистора.

Рис 24

Рис 25

Основной особенностью варистора является нелинейность его ВАХ, объясняемая явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния.

Основные параметры варисторов:

R_ст – статическое сопротивление, или сопротивление варистора при постоянных величинах тока и напряжения. .

R_дин – динамическое сопротивление или сопротивление варистора переменному ток. для данной точки определяется как тангенс угла наклона характеристики.

= коэффициент нелинейности.; – показатель нелинейности.

Н а рис. 26 изображено включение варистора в схему, предназначенную для стабилизации выходного напряжения.

Рис. 26

Входное напряжение U_вх распределяется между ограничивающим резистором R_огр и параллельно включенным варистором и сопротивлением нагрузки. Напряжение на резисторе R_н не может увеличиваться пропорционально увеличению входного напряжения U_вх, т.к. с ростом выходного напряжения U_Rн уменьшается сопротивление варистора RU, увеличивается входной ток I_вх и падение напряжения на резисторе R_огр.