Застосування однорідних напівпровідників

Властивості напівпровідників змінювати свою електропровідність під впливом зовнішніх збуджень використовується при побудові низки найпростіших напівпровідникових приладів (безперехідних), про напівпровідникових резисторів.

Напівпровідникові резистори – це безліч видів резисторів, виготовлених з різних напівпровідникових матеріалів та використовують залежність їх електричного опору від різноманітних факторів, що впливають на резистор. Відповідно виділяють:

варистори (залежність R від напруги U);

терморезистори (від температури Т);

фоторезистори (від світлового потоку Ф);

магніторезистори (від магнітного поля);

тензорезистори (від механічного тиску Р).

Умовні позначення напівпровідникових резисторів наведено на рис. 1.

Наявність напівпровідникових резисторів з таким широким спектром залежностей дозволяє використовувати їх у радіоелектронній апаратурі, що розробляється, для вирішення безлічі різноманітних завдань:

як датчики для вимірювання відповідного параметра (U, Т, Ф, В, Р);

у пристроях стабілізації параметрів об'єктів;

у системах сигналізації та захисту від перевантажень;

у системах регулювання фізичних величин;

у системах перетворення сигналів.

Варистор - це напівпровідниковий резистор, опір якого нелінійно залежить від прикладеної як позитивної, так і негативної напруги. Варістор має два висновки.

В даний час варистори досить широко використовуються, перш за все як елементи захисту від перенапруг, більш того, в силу симетричності високонелінійної вольт-амперної характеристики при унікально високій імпульсній стійкості, оксидно-напівпровідникові варистори вНині є практично єдиним реальним та масовим швидкодіючим засобом захисту складних та дорогих напівпровідникових систем різного призначення.

Вольтамперна характеристика (ВАХ) варистора нелінійна та симетрична (рис. 2).

Мал. 2. Вольт-амперна характеристика варистора

Основними матеріалами, що використовуються для виготовлення варисторів, є карбід кремнію та оксид цинку.

Принцип дії варисторів на основі карбіду кремнію

Щоб отримати таку залежністьI(U) варистори виготовляють в основному з карбіду кремнію SiC, порошкоподібні зерна якого розміром 20 ... 180 мкм перемішують з 10 ... 40% сполучного діелектричного матеріалу - глини, кераміки пресують і обпалюють при високій температурі. В результаті варистор являє собою всередині конгломерат зерен з різною величиною зазорів і площ зіткнення.

Нелінійність ВАХ цього типу варистора обумовлена ​​збільшенням сильних електричних полях провідності поверхневих потенційних бар'єрів або окисних плівок на кристалах. А також збільшенням провідності точкових контактів між кристалами через розігрів у зв'язку з потужністю, що виділяється на них.

Оскільки товщина поверхневих потенційних бар'єрів та окисних плівок на кристалах карбіду кремнію мала, там можуть виникати сильні електричні поля навіть при малих напругах на варисторі, що призводить до тунелювання носіїв заряду крізь потенційні бар'єри або крізь тонкі оксидні плівки. Таким чином, при малих напругах на варисторі нелінійність ВАХ пов'язана із залежністю провідності поверхневих потенційних бар'єрів та окисних плівок від величини напруги.

При великих напругах на варисторі тавідповідно, при великих струмах, що проходять через варистор, щільність струму в точкових контактах виявляється дуже великою. Вся напруга, прикладена до варистора, падає на точкових контактах. Тому питома потужність, що виділяється в точкових контактах, досягає таких значень, які не можна не враховувати. Розігрів точкових контактів призводить до зменшення їх опору та нелінійності ВАХ.

При дрібнозернистій структурі ці механізми практично не залежать від полярності прикладеної напруги – відповідно ВАХ варистора виходить симетричною.

Опір точкових контактів визначається опором розтікання, тобто. опором малих активних областей напівпровідника під точковими контактами Через трохи активних областей їх розігрів практично не призводить до підвищення температури всього варистора. Крім того, малі обсяги активних областей забезпечують малу інерційність теплових процесів. Теоретичні розрахунки показують, що постійна теплова часу активних областей може становити 10,6…1,7 с. Вважаючи розігрів активних областей одним з основних процесів, що призводять до нелінійності ВАХ в робочому діапазоні напруги та струмів для варистора, можна отримати ряд важливих залежностей і характеристик варистора.

Температурна залежність питомої провідності напівпровідників відповідає рівнянню:

.

Опір розтікання двох контактуючих кристалів:

,

деd- діаметр точкового контакту,B- коефіцієнт температурної чутливості поверхневих шарів кристала.

Тоді статичний опір варистора, що складається зNпаралельно включених ланцюжків, що мають свою чергуN' послідовно включених контактуючих кристалів:

.

Рівняння теплового балансу дляактивних областей варистора:

,

деН- коефіцієнт розсіювання активних областей,Т- температура активних областей,Т

- температура середовища, що оточує активні області.

ВАХ приблизно може бути представлена ​​рівняннями:

,,

деU,I- напруга і струм варистора,C,B,

,- деякі коефіцієнти, причому,.

Параметри та характеристики варисторів на основі карбіду кремнію

Коефіцієнт нелінійності характеризує нелінійність ВАХ варистора. Для лінійних резисторів він дорівнює одиниці, для нелінійних - значно більше одиниці, причому зі збільшенням нелінійність ВАХ зростає. Вираз для обчислення коефіцієнта нелінійності можна отримати із співвідношення між статичним та динамічними опорами варистора у певній точці ВАХ:

.

ВАХ варистора у подвійному логарифмічному масштабі (рис. 3):

lgU=

lgI+lgC

EMBED Word.Picture.8

Мал. 3. ВАХ варистора у подвійному логарифмічному масштабі

Коефіцієнт нелінійності в цьому випадку буде чисельно дорівнює котангенсу кута нахилу характеристики до осі струмів: β = ctg

= (lgI2 - lgI1)/(lgU2-lgU1).

Для обчислення залежності опору варистора від струму, що протікає по ньому, або прикладеної напруги користуються співвідношенням:

Іноді у практичних розрахунках незручно користуватися аналітичними виразами ВАХ. В цьому випадку в широкому діапазоні напруг можна користуватися емпіричним рівнянням:

,

де

- електрична провідність робочого тіла варистора в слабких полях,a- постійна. ВАХ варистора представлена ​​на рис. 2.

Тоді коефіцієнт нелінійності β тапостійна Приймуть наступний вигляд:

,.

Розрахункові залежності від зовнішньої напруги представлені на рис. 4.

Мал. 4. Розрахункова залежність коефіцієнта нелінійності від напруги за різних температур (В = 600 К)

---