Напівпровідникові резистори: термістори, фоторезистори, варистори. Електричні конденсатори

Основна

Зміст лекції

Лекція № 6

Тема лекції: Електронні комплектовальні вироби

Мета: визначити загальні відомості про електронні комплектувальні вироби, сформувати знання про напівпровідникові резистори: термістори, фоторезистори, варистори, розкрити сутність процесу використання електричних конденсаторів.

Поняття про комплектувальні вироби. Призначення, основні параметри і класифікація електричних конденсаторів. Призначення, основні параметри і класифікація резисторів. Принципи їх маркування. Види постійних резисторів: дротяних, вуглецевих, металоплівкових, металооксидних, композиційних. Змінні резистори, потенціометри. Напівпровідникові резистори: термістори, фоторезистори, варистори.

План лекції:

1. Напівпровідникові резистори: термістори, фоторезистори, варистори.Електричні конденсатори.

2. Транзистори та їх технічне значення.

Література:

1.1. Технология металлов и материаловедение. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В. и др. М.: Металлургия, 1987. - 800 с.

1.2.И.И. Мархель Детали машин: программированное учебное пособие для средних спец. Учебных заведений. – 2-е узд. – М.: Машиностроение, 1986 – 448 с

1.3. В. Попович Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Підручник – Львів: Світ, 2006. – 624 с.

2. Додаткова:

2.1. Збіжна О.М. Основи технології: Навчальний посібник.- Вид-во 2-ге, Тернопіль: Карт-бланк – 486 с.

Розвиток радіоелектроніки, що привів до створення аппаратур і приладів для радіозв'язку, електронно-обчислювальної техніки, ядерної енергетики й медицини, зажадало розробки різних електронних виробів з високостійкими електричними й магнітними характеристиками й керованими властивостями. Використання таких електронних комплектуючих виробів, а також інтегральних схем мікроелектроніки прискорило технічний прогрес.

Резистор - структурний елемент електричного ланцюга (у вигляді закінченого виробу), основне функціональне призначення якого полягає в тім, щоб робити відоме (номінальне) опір електричному струму з метою регулювання струму й напруги. Серійно випускаються промисловістю. Б радіоелектронних пристроях резистори нерідко становлять більше половини (до 80%) всіх деталей. Деякі резистори застосовують для виміру температури (у резисторів такого типу яскраво виражена залежність опору від температури) або опору (як одну з мір електричних величин), а також у якості електричних нагрівальних елементів. Резистори, що випускають промисловістю, розрізняються по величині опору (від 1 Ом до 10 Тім), припустимим відхиленням від номінальних значень опору (від 0,25 до 20%) і розсіює потужності, що (від 0,01 до 150 Вт). Параметри резистора вказуються на його корпусі, іноді в закодованій формі (наприклад, у вигляді кольорових смужок).

Опір резисторів визначається фізичними властивостями й розмірами його струмопровідної частини (ТЧ). Залежно від матеріалу, з якого виготовлена ТЧ, резистори розділяють на металеві, вуглецеві, рідинні, керамічні й напівпровідникові. По конструктивному виконанню розрізняють резистори із ТЧ у вигляді плівки, обложеної на поверхні діелектрика, у вигляді дроту, стрічки або пластини.

Для захисту від пилу, вологи й механічних впливів ТЧ у резисторі невеликої потужності звичайно покривають стеклоэмалью, що у випадку дротових ТЧ служить також ізоляцією між окремими витками. Існують резистори як з постійним по величині опором, так і зі змінним; величина змінного опору може змінюватися в результаті механічного переміщення движка (реостат) або внаслідок нелінійної залежності меду струмом і напругою (варистор, терморезистор).

Термистор - це напівпровідниковий резистор, у якому використається залежність електричного опору напівпровідника від температури.

Категорія "термістори" поєднує два види напівпровідникових приладів - термістори прямого підігріву й термістори непрямого підігріву. Останні мають додаткове джерело тепла - підігрівник (конструктивно виконаний у вигляді нитки підігріву або обмотки на ізоляційній трубці). До термісторів прямого підігріву відносять також і напівпровідникові болометри. Ці пристрої складаються, як правило, із двох плівкових термісторів і призначені для безконтактного виміру температур.

Трохи окремо коштує ще одна група термісторів - позистори. Ці напівпровідникові прилади відрізняються позитивним температурним коефіцієнтом опору (про цю характеристику дивитеся нижче).

Температурна характеристика термістора - це залежність його опору від температури:-)

Виглядає в такий спосіб (справедливо для всіх типів термісторів):

R = Rcexp{B/T},

де

B - коефіцієнт температурної чутливості;

Rc - постійна, залежна від матеріалу й розмірів термістора.

Статична вольт-амперна характеристика термістора - це залежність спадання напруги на термісторі від минаючі через нього струму в умовах теплової рівноваги між термістором і навколишнім середовищем.

Наведені вище характеристики однозначно визначають температурні й електричні властивості термісторів. У довідниках їх навряд чи можна знайти, оскільки дані характеристики мало інформативні з технічної точки зору.

Номінальний опір термістора - його опір при певній температурі (у вітчизняній промисловості - 20°С). Природно, найважливіший параметр. Коефіцієнт температурної чутливості B - коефіцієнт у показнику експоненти температурної характеристики. Значення цього коефіцієнта, що залежить від властивостей матеріалу термістора, практично постійно для даного термістора в робочому діапазоні температур і для різних типів термісторів перебуває в межах від 700 до 15 000 ДО.

Температурний коефіцієнт опору термістора показує відносна зміна опору термістора при зміні температури на один градус:

ТКС = (1/R)*(d/d)

Залежність температурного коефіцієнта опору від температури можна одержати, використовуючи рівняння

ТКС = - В/Т2

Значення температурного коефіцієнта опору при кімнатній температурі різних термісторів перебувають у межах -(0,8-6,0)*10-2K-1.

Максимально припустима температура термістора - температура, при якій ще не відбувається необоротних змін параметрів і характеристик термістора. Максимально припустима температура визначається не тільки властивостями вихідних матеріалів термістора, але і його коструктивними особливостями.

Максимально припустима потужність розсіювання термістора - потужність, при якій термістор, що перебуває в спокійному повітрі при температурі 20°C, розігрівається при проходженні струму до максимально припустимої температури.

Постійна часу термістора - час, протягом якого температура термістора зменшиться в е раз стосовно різниці температур термістора й навколишнього середовища. Характеризує теплову інерційність термістора. Для різних типів термісторів постійна часу лежить у межах від 0,5 до 140 с.

У сучасній електронній техніці широко використаються напівпровідникові прилади, засновані на принципах фотоелектричного й електрооптичного перетворення сигналів. Перший із цих принципів обумовлений зміною електрофізичних властивостей речовини в результаті поглинання в ньому світлової енергії (квантів світла). При цьому змінюється провідність речовини або виникає э.д. с., що приводить до змін струму в ланцюзі, у яку включений фоточутливий елемент. Другий принцип пов'язаний з генерацією випромінювання в речовині, обумовленої прикладеним до нього напругою й струмом, що протікає через світлопроміневий елемент. Зазначені принципи становлять наукову основу оптоелектроніки - нового науково-технічного напрямку, у якому для передачі, обробки й зберігання інформації використаються як електричні, так і оптичні засоби й методи.

Все різноманіття оптичних і фотоелектричних явищ у напівпровідниках можна звести до наступної основного:

- поглинання світла й фотопровідність;

- фотоефект в p-n переході;

- електролюминесценция;

- стимульоване когерентне випромінювання.

Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, провідність яких міняється під дією світла.

Основним елементом фоторезистора є в першому випадку монокристал, а в другому - тонка плівка напівпровідникового матеріалу.

Основні параметри фоторезисторів:

- Робоча напруга Uр - постійна напруга, прикладена до фоторезистора, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.

- Максимально допустиме напруження фоторезистора Umax - максимальне значення постійної напруги, прикладеного до фоторезистора, при якому відхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує зазначених меж при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах.

- Темновий опір Rт - опір фоторезистора під час відсутності падаючі на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості.

- Світловий опір Rс - опір фоторезистора, обмірюване через певний інтервал часу після початку впливу випромінювання, що створює на ньому освітленість заданого значення.

- Кратність зміни опору KR - відношення темнового опору фоторезистора до опору при певному рівні освітленості (світловому опору).

- Припустима потужність розсіювання - потужність, при якій не наступає необоротних змін параметрів фоторезистора в процесі його експлуатації.

- Загальний струм фоторезистора - струм, що складається з темнового токи й фототоки.

- Фотострум - струм, що протікає через фоторезистор при зазначеній напрузі на ньому, обумовлений тільки впливом потоку випромінювання із заданим спектральним розподілом.

Варистор - напівпровідниковий резистор, електричний опір (провідність) якого змінюється нелінійно й однаково під дією як позитивного, так і негативної напруги. Для виготовлення варистора застосовують порошкоподібний карбід кремнію (напівпровідник) і зв'язувальна речовина (глину, рідке скло, лаки, смоли й ін.), які запресовують форму й спікають у ній при температурі близько 1700°С. Потім поверхня зразка металізують і припаюють до неї висновки. Вміння електропровідності варистора з наростанням напруги на його висновках зв'язано зі складними явищами на контактах або на поверхні кристалів (замикання контактних зазорів між зернами напівпровідника, збільшення провідності поверхневих оксидних плівок у сильних електричних полях і їхній пробій, зростання струму через електронно-дирочні переходи, що утворяться між зернами й ін.). Низьковольтні варистори виготовляють на робочу напругу від 3 до 200 У и струм від 0,1 ма до 1 А; високовольтні варистори - на робочу напругу до 20 кв. Варистори мають негативний температурний коефіцієнт опору. Варистори здатні витримувати значні електричні перевантаження, прості й дешеві, мають високу надійність, малої інерційністю (гранична робоча частота -до 500 кгц), але мають значний низькочастотний шум і міняють свої параметри згодом і при зміні температури. Застосовують для стабілізації й регулювання низькочастотних струмів і напруг; зведення в ступінь, витяги корінь і інших математичних дій над заданими величинами; для захисту від руйнування контактів внаслідок перенапруг в електричних ланцюгах (наприклад, високовольтні лінії передачі електроенергії, лінії зв'язку, електричні прилади) і ін.

Конденсатор електричний - система із двох або більше електродів (обкладок), розділених діелектриком, товщина якого мала в порівнянні з розмірами обкладок; така система електродів має взаємну електричну ємність. Електричний конденсатор у вигляді готового виробу застосовується в електричних ланцюгах там, де необхідна зосереджена ємність. Діелектриком у конденсаторах служать гази, рідини й тверді електроізоляційні речовини, а також напівпровідники. Обкладками конденсаторів з газоподібним і рідким діелектриком служить система металевих пластин з постійним зазором між ними. У конденсаторах із твердим діелектриком обкладки роблять із тонкої ме талличсской фольги або наносять шари металу безпосередньо на діелектрик. Для деяких типів електричних конденсаторів на поверхню металевої фольги (1-я обкладка) наноситься тонкий шар діелектрика; 2-й обкладкою є металева або напівпровідникова плівка, нанесена на шар діелектрика з іншого боку, або електроліт, у який поринає оксидована фольга. В інтегральних схемах застосовуються два принципово нових види конденсаторів: дифузійні й метал-окисел-напівпровідникові (МОП). У дифузійних конденсаторах використається ємність створеного методом дифузії р-п-перехода, що залежить від прикладеної напруги. У конденсаторах типу МОП як діелектрик використається шар двоокису кремнію, вирощений на поверхні кремнієвої пластини. Обкладками служать підкладка з малим питомим опором (кремній) і тонка плівка. Параметри, конструкція й область застосування електричних конденсаторів визначаються діелектриком, що розділяє його обкладки, тому основна класифікація конденсаторів проводиться по типі діелектрика.

Електричні конденсатори з газоподібним діелектриком (повітряні й вакуумні) мають досить малі значення і високу стабільність ємності. Повітряні конденсатори постійної ємності застосовують у вимірювальній техніці в основному як зразкові електричні конденсатори. Повітряні конденсатори рекомендується застосовувати при напрузі не вище 1000 У. В електричних ланцюгах високої напруги (понад 1000 У) застосовують газонаповнені (азот, фреон і ін.) і вакуумні електричні конденсатори. Вакуумні електричні конденсатори мають менші втрати, малий ТКЕ, вони більше стійкі до вібрацій у порівнянні з газонаповнені. Робоча напруга для вакуумних електричних конденсаторів постійної ємності - від 5 до 45 кв. Найбільше доцільно вакуумні електричні конденсатори використати при роботі в діапазоні частот від 1 до 10 Мгц. Значення пробивної напруги вакуумних електричних конденсаторів не залежить від атмосферного тиску, тому вони широко застосовуються в авіаційних апаратурах. Основний не статок електричних конденсаторів з газоподібним діелектриком - досить низька питома ємність.

Електричні конденсатори з рідким діелектриком мають при тих же розмірах, що й електричні конденсатори з газоподібним діелектриком, більшу ємність, тому що діелектрична проникність у рідин вище, ніж у газів; однак такі електричні конденсатори мають великий ТКЕ й більші діелектричні втрати, із цих причин вони безперспективні.

До електричних конденсаторів із твердим неорганічним діелектриком ставляться скляні, склооемалеві й склоке-рамічні, керамічні (низькочастотні й високочастотні) і слюдяні електричні конденсатори. Скляні, склооемалеві й склокерамічні й електричні конденсатори являють собою багатошаровий пакет, що складається із шарів, що чергуються, діелектрика й обкладок (зі срібла й інших металів). Як діелектрик використаються конденсаторне скло, низькочастотна або високочастотна склоемаль і склокераміка. Ці електричні конденсатори мають відносно малі втрати, малі ТКЕ, стійкі до впливу вологості й температури, мають великий опір ізоляції. Довговічність цих електричних конденсаторів при номінальній напрузі й максимальній робочій температурі - не менш 5000 ч. Керамічний електричний конденсатор являє собою полікристалічний керамічний діелектрик, на який вжиганием нанесені обкладки (зі срібла, платины, палладія). До обкладкам припаяні висновки й вся конструкція покрита влагозащитным шаром. Керамічні електричні конденсатори підрозділяють на низьковольтні високочастотні (малі втрати, висока резонансна частота, малі габарити й маса), низьковольтні низькочастотні (підвищена питома ємність, відносно більші втрати) і високовольтні електричні конденсатори (від 4 до 30 кв), у яких використається спеціальна кераміка, що має високу пробивну напругу.

Дата добавления: 2013-12-14