Главная Промышленные терморезисторы



дь1 СО структурой корунда (Т120з, V2O3, СгОз и РегОз) и структурой рутила (Ti02, VO2, СгОг и МпОг), так как их октаэдры имеют общую грань (корунд) или общее ребро (рутил). Были обнаружены аномалии температурной характеристики удельного сопротивления у ИгОз при температуре примерно 200° С [16, 17], у V2O3 при температуре -123° С [17, 18] и у VO2 при температуре 67° С [17]. Аномалии поведения удельного сопротивления V2O3 и Т120з вызывали чисто академический интерес, так как первый оксид имеет слишком низкую температуру изменения проводимости (-123°С), а у второго слишком мало само изменение удельного сопротивления (на два порядка величины), чтобы его можно было использовать практически. Только оксид VO2 привлек внимание разработчиков, так как его удельное сопротивление изменяется на чегыре порядка при 67° С. Проводились обширные исследования химических, структурных и других свойств VO2, а также технологии изготовления приборов из этого материала, причем в период между 1965 и 1971 гг. было опубликовано более 80 статей по этим проблемам.

В одной из самых ранних работ по диоксиду ванадия [19] описываются бусинковые терморезисторы на основе этого материала, которые получили название «резисторов с критической температурой», или «критических терморезисторов». Эти приборы изготавливают спеканием смеси пятиокиси ванадия с кислотными оксидами (оксиды В, Р или Si) или с основными оксидами (оксиды Mg, Са, Sr, Ва, La или РЬ) или с обоими оксидами в восстановительной атмосфере. В процессе экспериментов обнаружились большие разбросы значений сопротивления и скачки сопротивления при одной


Jff 40 50 60 70 80 9.0 Температура, "С

Рис. 8.2


Рис. 8 3

Рис. 8.2. Типовая температурная характеристика терморезистора из VO2 со скачкообразным изменением сопротивления, иллюстрирующая температурный гистерезис:

охлаждение; 2 - нагревание

"с. 8.3. Статическая вольт-ампериая характеристика терморезистора из VO2, иллюстрирующая скачок сопротивления



фиксированной температуре (67°С). На рис. 8.2 и 8.3 приведен! типовые температурные характеристики сопротивления и воль. амперные характеристики бусинковых терморезисторов прямого подогрева. Промышленные типы критических терморезисторов и. готовляют в виде незащищенных бусинок на платиновых или пал-ладиевых проволоках или бусинок, приваренных к более прочны проволочным выводам, и герметизируют в узкой стеклянной трубке или металлическом корпусе; выпускают также терморезисторы косвенного подогрева в больших стеклянных баллонах. Все эти бусинковые приборы имеют гистерезис на температурной характеристике сопротивления при нагревании и охлаждении. У большинства промышленных приборов ширина петли гистерезиса приблизительно равна 3° С, хотя варьированием технологии изготовления эту петлю можно сделать шире.

Первые сведения о тонкопленочном терморезисторе из диоксц, да ванадия относятся к 1967 г. [20]. Эти пленки осаждали реактивным распылением ванадия в кислороде при давлении примерно 10-2 стеклянные пластинки. Далее их подвергали термообра

ботке в кислороде при температуре 500° С для превращения оксида ванадия в диоксид, имеющий скачок удельного сопротивление на температурной характеристике. Удельное сопротивление этих критических терморезисторов менялось скачком на три порядка величины, и ширина петли гистерезиса составляла от 5 до 15° С. Серийные тонкопленочные критические терморезисторы с прямым подогревом выпускаются с двумя выводами, а с косвенным подогревом- с четырьмя выводами; обычно их монтируют в транзисторном корпусе или в корпусе из литьевого пластика.

Одним из основных недостатков терморезисторов из диоксида ванадия является то, что температура скачкообразного изменения удельного сопротивления всегда равна 67° С, что связано со свойствами самого материала. Предпринимались попытки как-то изме нить эту температуру введением различных примесей, образующих оксидные соединения или твердые растворы. В монокристад. лических материалах i[21] добавление алюминия, хрома, «обальта и железа вызывало сдвиг температуры перехода лишь до 72° С, а добавление ниобия снижало ее примерно до 50° С. Аналогичные результаты получены для поликристаллических бусинковых терморезисторов, но добавление кобальта и железа понижало, а не повышало температуру перехода [22]. Оказалось, что сдвиг температуры зависит от концентрации вводимых примесей и может составлять приблизительно 20° С по обе стороны от температуры 67° С. К сожалению, большой сдвиг температуры перехода сопровождается одновременным уменьшением «скачка» сопротивления. Увеличивая концентрацию легирующей примеси, можно в принципе сгладить скачок сопротивления и получить почти нормальную характеристику прибора с отрицательным ТКС. Температуру перехода диоксида ванадия можно достаточно эффективно изменить путем частичного восстановления VO2 до его низшего оксида УзС [23]. Восстановтение осуществляют отжигом пленки VO2 при те-*



пературе выше 600° С (обычно 1000° С) в восстановительной атмосфере (СО2-Нг или СО-СО2). Получающаяся пленка V3O5 изменяет свое сопротивление примерно на 1,5 порядка при температуре 140° С. Легирование исходной пленжи диоксида ванадия германием (2%) (понижает температуру перехода в пленке V3O5 примерно до 120° С.

Применение терморезисторов с отрицательным ТКС из диоксида ванадия по существу аналогично применению терморезисторов с отрицательным и положительным ТКС. Их можно использовать в системах тепловой сигнализации и переключателях, приемниках инфракрасного излучения, устройствах временной задержки, генераторах низкой частоты и т. д. Особенности характеристик терморезисторов с отрицательным ТКС из диоксида ванадия и их пре-. имущества нагляднее всего проявляются в датчиках температуры и генераторах низкой частоты.

Глава 9

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТКС ИЗ ПРОСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

у всех полупроводниковых материалов, предназначенных для изготовления терморезисторов, удельное сопротивление должно обязательно зависеть от температуры. Для подавляющего большинства терморезисторов разработаны специальные композиции, которые увеличивают их чувствительность и максимизируют отклик на изменение температуры. В некоторых ситуациях, например при термокомпенсации электронных схем, температурная чувствительность этих композиций оказывается слишком высокой, и ее приходится снижать во избежание чрезмерной коррекции. Следовательно, здесь нужны материалы с меньшей чувствительностью к изменению температуры, и этому требованию идеально отвечают такие простые полупроводники, как кремний и германий.

Типовая зависимость удельного сопротивления монокристаллического кремния и германия от температуры приведена на рис. 9.1. Эту кривую можно разделить на три области, две из которых имеют большой отрицательный ТКС, а третья, средняя, - небольшой положительный ТКС. Обе области с отрицательным ТКС обусловлены собственной и примесной проводимостью полупроводникового материала. В промежуточной обедненной области с положительным ТКС изменение удельного сопротивления зависит от изменения подвижности носителей заряда с температурой при постоянстве числа этих носителей. В германии переход от области с положительным ТКС к области собственной проводимости с отрицательным ТКС происходит в диапазоне температур О-80°С, так что полезный интервал с положительным ТКС оказывается слишком узким для большинства практических применений терморезисторов. Однако в кремнии область с положительным ТКС простира-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [40] 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67


0.012