Принцип действия позисторов

Принцип действия болометров

Полупроводниковый болометр – это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения (оптического или инфракрасного диапазона частот электромагнитного излучения).

Обычно болометр состоит из двух пленочных термисторов (толщиной до 10 мкм). Один из термисторов болометра является активным, т.е. непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения. Сопротивление этого термистора изменяется в результате нагрева при облучении электромагнитным излучением оптического или инфракрасного диапазона частот. Второй термистор – компенсационный – служит для компенсации возможных изменений температуры окружающей среды. Компенсационный термистор должен быть экранирован от измеряемого излучения. Активный и компенсационный термисторы помещают в один герметичный корпус.

Болометры обычно имеют три внешних вывода: от активного и компенсационного термисторов и от средней точки.

Полупроводниковые болометры применяют в различных системах ориентации, для бесконтактного и дистанционного измерения температур и т.д.

Позистор – это полупроводниковый терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

В массовом производстве позисторы делают на основе керамики из титаната бария. Титанат бария ВаTiO з – диэлектрик, известный с начала 40-х годов нашего столетия, с удельным сопротивлением при комнатной температуре
10¹⁰... 10¹² Ом·см, что значительно превышает удельное сопротивление полупроводников. Если же в состав керамики из титаната бария ввести примеси редкоземельных элементов (лантана, церия или др.) либо других элементов (ниобия, тантала, сурьмы, висмута и т. п.), имеющих валентность большую, чем у бария, и ионный радиус, близкий к радиусу иона бария, то это приведет к уменьшению удельного сопротивления до 10... 10² Ом·см, что соответствует удельному сопротивлению полупроводниковых материалов (рис. 9). Полупроводниковый титанат бария обладает аномальной температурной зависимостью удельного сопротивления: в узком диапазоне температур при нагреве выше точки Кюри удельное сопротивление полупроводникового титаната бария увеличивается на несколько порядков.

Рис. 9. Температурные характеристики некоторых позисторов: 1 – СТБ-1; 2 – СТ6-2Б; 3 – СТ6-3Б; штриховая кривая для СТ6-2Б получена при нагреве его проходящим током

Механизм электропроводности полупроводникового титаната бария при наличии примесей можно представить следующим образом. Примесь редкоземельного элемента (например, лантана) замещает в узле кристаллической решетки барий. Часть атомов титана, поддерживая электрическую нейтральность всего кристалла, захватывает лишние валентные электроны лантана, имеющего большую валентность, чем валентность бария. Захватываемые электроны, находясь в квазиустойчивом состоянии, легко перемещаются под действием электрического поля и обуславливают электропроводность материала. Сказанное можно проиллюстрировать следующей формулой:

Ba²⁺Ti⁴⁺O^2-₃ + xLa³⁺ à (Ba²⁺_1-xLa³⁺_x)(Ti⁴⁺_1-xTi³⁺_x)O^2-₃

При замещении титана в титанате бария примесями другого элемента (например, атомами тантала) аналогичный процесс электропроводности можно представить так:

Ba2+Ti4+O2-3+ хТа3+ à Ba2+(Ti4+1-2xTi3+xTa5+x)O2-3

Полупроводниковые свойства керамики на основе титаната бария можно получить также методом частичного восстановления:

Ba²⁺Ti⁴⁺O²_-3 - хО^2- à Ba2+(Ti4+1-2xTi3+2x)O2-3

Во всех перечисленных случаях в полупроводниковом титанате бария существуют четырехвалентные и трехвалентные ионы титана. Между разновалентными ионами титана может происходить обмен электронами. При этом каждый ион титана становится то трех-, то четырехвалентным (рис. 10). Этот процесс является причиной электропроводности полупроводникового титаната бария.

Рис. 10. Схема, поясняющая электропроводность титаната бария

Появление полупроводниковых свойств в ионных кристаллах под влиянием примесей наблюдается также и для оксида никеля. Полупроводники, изготовляемые подобным методом, иногда называют полупроводниками с управляемой валентностью.

Технология изготовления позисторов аналогична технологии изготовления изделий из других керамических материалов. После смешивания исходных компонентов и веществ, содержащих примесные элементы, проводят первичный обжиг при температуре около 1000°С. Полученную твердую массу измельчают, а затем формуют заготовки (обычно в виде дисков различных размеров). Вторичный обжиг производят при температуре 1300...1400°С.

Таким образом, резистивный слой позистора состоит из большого числа контактирующих между собой зерен или кристаллов полупроводникового титаната бария. Сопротивление позистора определяется сопротивлением обедненных поверхностных слоев на зернах титаната бария. Высота поверхностных потенциальных барьеров оказывается малой при температурах ниже точки Кюри, когда в зернах титаната бария существует спонтанная поляризация, и материал обладает очень большой диэлектрической проницаемостью. При температурах, больших точки Кюри, титанат бария претерпевает фазовое превращение из сегнетоэлектрического в параэлектричское состояние. При этом пропадает спонтанная поляризация, резко уменьшается диэлектрическая проницаемость, растет высота поверхностных потенциальных барьеров на зернах титаната бария и увеличивается сопротивление позистора.

Температурные характеристики позисторов связаны с точкой Кюри керамики. Точка Кюри титаната бария может быть смещена в сторону низких температур путем частичного замещения бария стронцием. И наоборот, точка Кюри может быть смещена в сторону больших температур частичной заменой бария свинцом. Уменьшает точку Кюри и частичная замена титана цирконием, оловом и самарием. Такое регулирование позволяет создавать позисторы, у которых положительный температурный коэффициент сопротивления наблюдается в разных диапазонах температур.

Титанат бария, конечно, не единственный сегнетоэлектрический материал, пригодный для изготовления позисторов. Положительный температурный коэффициент сопротивления можно получить также при использованию материалов системы SrTiO₃ с добавкой ниобия, системы PbTiO₃ с добавление лантана, системы PbNbO₆ с добавкой вольфрама и др. Для совершенствования позисторов необходимы исследования материалов с точки зрения повторяемости свойств, надежности и увеличения срока службы, т.е. качеств, необходимых для внедрения в массовое производство.

Иногда для создания позисторов используют монокристаллические кремний, германий и другие полупроводниковые материалы. Принцип действия таких позисторов основан на уменьшении подвижности носителей заряда с увеличением температуры в результате увеличения их рассеяния на тепловых колебаниях атомов кристаллической решетки. Так, позисторы, изготовленные из монокристаллического кремния с малой концентрацией примесей
(1015...1017 см-3), могут иметь температурный коэффициент сопротивления
(0,7... 1) 10^-2 К^-1 с положительным знаком в диапазоне температур от 20 до ~100°С.

Одним из преимуществ монокристаллических позисторов перед поликристаллическими является возможность изготовления их с относительно малым разбросом параметров и характеристик. При использовании для изготовления монокристаллических позисторов широко распространенной планарной технологии можно создавать монокристаллические позисторы с разбросом номинальных сопротивлений 1...2%. Однако из-за меньшей стоимости и из-за больших температурных коэффициентов сопротивления поликристаллические позисторы нашли более широкое применение.

Дата добавления: 2014-01-20