ИОНИСТОРЫ 2 страница

а

б

Рис. 3.4. Основные типы корпусов переменных непроволочных (а) и проволочных (б) резисторов

Для характеристики переменных резисторов, кроме указанных выше основных параметров, используют дополнительные:

- минимальное сопротивление;

- начальный скачок, возникающий при вращении подвижной шкалы от упора до начала плавного изменения сопротивления и обусловленный наличием удельных сопротивлений резистивного элемента и контактного узла;

- функциональная характеристика (кривая регулирования), отражающая зависимость сопротивления переменного резистора от положения подвижного контакта; по виду этой характеристики различают линейные (тип А) и нелинейные с логарифмической характеристикой (тип Б), обратнологарифмической характеристикой (тип В) и другие переменные резисторы;

- разрешающая способность, так как наименьшее изменение угла поворота (перемещение) подвижной системы, которое может быть различимо и отвечает минимально возможному изменению сопротивления;

- шумы вращения;

- износоустойчивость, оцениваемая количеством циклов перемещения подвижной системы в течение срока службы при сохранении параметров в пределах установленных допусков.

3.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗИСТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ.

Рассмотрим основные функции, которые выполняют линейные резисторы в радиоэлектронной, измерительной и другой аппаратуре.

Одной из главных функций резисторов является уменьшение имеющегося напряжения источника U_ИСТ до необходимого значения U_ПОТР. Это можно осуществить двумя способами.

Во-первых, с помощью так называемого «гасящего» резистора, который включается последовательно между источником питания и схемой-потребителем, сопротивлением

,

где I_ПОТР - установившееся значение потребляемого схемой постоянного тока.

Во-вторых, с помощью аттенюатора – устройства, которое позволяет производить деление напряжения в заданное число раз.

Схема простейшего аттенюатора, предназначенного для ослабления постоянного напряжения, состоит из ряда последовательно включенных резисторов и переключателя (рис.3.5, а)

Рис. 3.5. Электрическая схема делителя напряжения (аттенюатора) (а), эквивалентная схема замещения (б)

Роль аттенюатора может играть потенциометрический делитель (переменное сопротивление, которое можно рассматривать как два последовательно соединенных резистора. Принцип действия аттенюатора становится ясным, если воспользоваться эквивалентной схемой (рис.4.5, б), где R^'- суммарное сопротивление всех резисторов аттенюатора, находящихся выше точек подключения, а R" – ниже ее.

Потребляемое напряжение, снимаемое с R", определяется как

,

или U_ПОТР=n×U_ИСТ,

где - коэффициент, показывающий, во сколько раз делится напряжение источника.

Для нормальной работы аттенюатора необходимо, чтобы сумма сопротивлений R' и R" была велика по сравнению с внутренним сопротивлением источника (в противном случае падение напряжения на цепочке сопротивлений будет близким к нулю), а величина сопротивления рабочего плеча делителя R" была мала по сравнению с сопротивлением нагрузки (в противном случае U_потр резко уменьшается).

Применение делителей обеспечивает стабильность снимаемого напряжения при значительных изменениях уровня потребляемого тока (полярного сигнала), что одиночный гасящий резистор обеспечить не может.

Отметим, что при работе аттенюатора на переменном сигнале коэффициент ослабления оказывается зависящим от частоты f из-за наличия паразитной емкости С" на выходе устройства, так что для сохранения формы входного синусоидального напряжения резисторы, составляющие R', шунтируют конденсатором с емкостью С' так, чтобы R'С'= R"С". Такой аттенюатор называют частотно-компенсированным.

Другая важнейшая сфера применения резисторов - использование их в качестве нагрузки. Нагрузочные резисторы, как правило, включают последовательно в цепь тока, представляющего собой сумму постоянной составляющей источника питания и переменной составляющей полезного сигнала. Назначение нагрузочного резистора - разделить эти две составляющие.

Для того, чтобы понять, каким образом нагрузочный резистор решает эту задачу, рассмотрим RC-цепочку, на которую поступает последовательность прямоугольных импульсов длительностью t_и и периодом повторения Т и выходное напряжение снимается с резистора (рис.3.6, а,б).

Рис. 3.6. Электрическая схема с нагрузочным резистором (а); импульсное входное и выходное напряжение на R-C-цепочке (б)

Допустим, что постоянная времени цепочки t = RC >> t_и. В интервале времени 0 £ t £ t_и происходит зарядка конденсатора с источника напряжения Е_о. При этом в первый момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, все входное напряжение оказывается приложенным к резистору и U_вых = Е_о (рис.3.6, б). По мере зарядки напряжение на конденсаторе растет, а напряжение U_вых падает по экспоненте. Поскольку t >> t_и , за время действия первого импульса конденсатор зарядится незначительно и к моменту окончания импульса выходное напряжение близко к Е_о (величина t показывает, через какое время с момента подключения к источнику незаряженного конденсатора напряжение на нем достигает 63 % от напряжения источника).

По окончании импульса (t_и < t < t_и + T) вход RC-цепочки оказывается закороченным, а конденсатор емкостью С разряжается через резистор R. К началу следующего импульса конденсатор не успевает полностью разрядиться, и напряжение на резисторе (U_вых) отлично от нуля. Поэтому, хотя в момент начала второго импульса и происходит скачок входного напряжения, равный Е_о, выходное напряжение при этом меньше Е_о.

К началу третьего импульса остаточное напряжение конденсатора будет еще больше и т.д. до тех пор, пока в RC-цепочке будет достигнут установившийся режим, при котором на выходе отсутствует постоянная составляющая. При t << t_и процессы в RC-цепочке будут такими же, но за время каждого импульса конденсатор успевает полностью зарядиться до напряжения Е_о, а за время паузы между импульсами - полностью разрядиться. Форма выходного напряжения при этом имеет вид, показанный на рис.3.7.

Таким образом, RC-цепочка при t << t_и производит дифференцирование входного сигнала. Точность дифференцирования зависит от соотношения между t и t_и. Если RC-цепь подключена к источнику постоянного напряжения, то она выполняет роль времязадающей цепи с постоянной времени t.

Учитывая разнообразие электрических схем, входных сигналов, уровня потребляемых токов и напряжений, ясно, что для осуществления указанных функций необходима широкая номенклатура резисторов по номинальному сопротивлению и высокая стабильность последнего.

Следующая распространенная функция резисторов - шунтирование. Под шунтом понимают резистор, включенный параллельно каким-либо радиоэлементам. Важной областью использования резисторов-шунтов является регулирование добротности резонансных систем.

Рис.3.7. Входное напряжение на R-C-цепочке (а); выходное напряжение на резисторе (б)

Рассмотрим в этой связи параллельный колебательный контур (рис.3.8).

Известно, что при частоте напряжение на контуре максимально (реактивное сопротивление индуктивного и емкостного элементов одинаковы и общее сопротивление максимально). Это явление называют резонансом, а частоту w_р – резонансной частотой контура.

Рис. 3.8. Электрическая схема резонансного контура

При отклонении от резонансной частоты проводимость контура возрастает, а напряжение на контуре падает. Для учета изменения напряжения используется понятие полосы пропускания контура – полосы частот вблизи резонанса, на границах которого амплитуда напряжения снижается до от резонансного значения (рис.3.9).

Рис.3.9. Резонансные характеристики контура с различной добротностью Q₁ и Q₂

Ширина полосы пропускания определяется как

,

где Q – добротность контура, пропорциональная активному сопротивлению.

Если зашунтировать контур резистором малого сопротивления, величина R в эквивалентной схеме контура уменьшается, и добротность Q упадет. Это приводит к расширению полосы пропускания, что используется с этой целью в радиовещательной аппаратуре.

Для осуществления этой функции необходимы резисторы сопротивлением единицы-десятки Ом, устойчивые к изменению температуры, (то есть с малым ТКС), к влажности окружающей среды, а также низким уровнем токовых шумов.

3.4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К

РЕЗИСТИВНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Требования, предъявляемые к резистивным материалам, вытекают из назначения и условий эксплуатации резисторов.

Для создания резисторов, удовлетворяющих требованиям современного электронного приборостроения, необходимы резистивные материалы, обладающие удельным сопротивлением от 10^-3 до 10⁷ Ом∙см. По этому параметру резистивные материалы относятся к классу полупроводников. Однако в отличие от последних они должны обладать малыми изменениями сопротивления при воздействии таких факторов, как температура, что необходимо для достижения малых значений ТКС, а также напряженность электрического поля и освещенность, так что использование материалов полупроводниковой электроники в качестве резистивных исключено.

Резистивные материалы должны обладать низким уровнем токовых шумов, долговременной стабильностью свойств в различных и широко меняющихся внешних условиях, в том числе при экстремальных условиях эксплуатации.

При этом, предлагая выбор того или иного резистивного материала на основе физических и физико-химических подходов, необходимо чтобы материал был технологичен и отвечал требованиям производственного технологического процесса.

3.5. ОСНОВЫ ФИЗИКИ РЕЗИСТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основная задача физического материаловедения в области конструирования и технологии производства резисторов состоит в определении научно-обоснованных подходов к созданию материалов с необходимым удельным сопротивлением и температурным коэффициентом сопротивления в требуемом диапазоне рабочих температур.

Главная проблема состоит в получении материалов с высоким удельным сопротивлением и низким ТКС, в том числе резистивных пленочных материалов с поверхностным сопротивлением, большим 1000 Ом и ТКС на уровне 10^-4 1/град. Это позволяет сократить габаритные размеры дискретных элементов и резисторных элементов микросхем и расширить диапазон номинальных значений сопротивления.

Для того, чтобы осмыслить существующие и развиваемые подходы к решению этой проблемы необходимо в первую очередь понимать физическую природу электрического сопротивления твердофазных веществ с электронной проводимостью.

В идеально периодической кристаллической решетке электроны, в силу наличия у них волновых свойств, могут двигаться без рассеяния, так что идеальный кристалл представляет собой идеальный проводник, обладающий нулевым сопротивлением (что нельзя путать со сверхпроводниками, у которых сопротивление исчезает пороговым образом при понижении температуры до определенной критической и совсем по другим причинам). Сопротивление возрастает из-за рассеяния электронов на нарушениях периодичности потенциала решетки реального кристалла. В массивном однородном материале эти нарушения обусловлены тепловыми колебаниями структурных частиц кристалла около положения равновесия и наличием в узлах решетки атомов примеси или собственных структурных дефектов (вакансий, атомов внедрения и других), имеющих отличный от атомов основы эффективный заряд. В общем случае имеют место оба механизма рассеяния носителей заряда.

Будем отталкиваться от наиболее проводящих материалов – металлов, и проанализируем, каким образом можно повысить удельное сопротивление и одновременно снизить ТКС.

Обозначим через r_n удельное сопротивление, обусловленное рассеяние на примесях (структурных дефектах), и через r_т – удельное сопротивление, обусловленное рассеянием на тепловых колебаниях решетки.

Существует правило Матиссена, согласно которому удельное сопротивление массивного однородного материала

r = r_n + r_т.

В определенном приближении можно считать, что в металлах величина r_т медленно возрастает с увеличением температуры, так что ТКС резистора на основе чистого металла положителен, а величина r_n практически не зависит от температуры.

Это предопределяет основные подходы к созданию резистивных материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом сопротивления, на основе металлических сплавов.

В структурном плане эти материалы представляют собой твердые растворы, то есть сплавляемые металлы создают при отвердевании единую кристаллическую решетку, в которой атомы разных сортов хаотически распределены по узлам. Естественное разупорядочение вызывает здесь более сильное рассеяние, чем тепловые колебания и, соответственно r_{n >>} r_т . Отсюда следует, что металлические сплавы должны обладать значительно большим удельным сопротивлением, чем чистые металлы.

Определим теперь как соотносятся температурные коэффициенты удельного сопротивления сплавов и чистых металлов. Температурный коэффициент удельного сопротивления сплава, предопределяющий ТКС резистора на его основе, по определению

Учитывая постоянство r_n при изменении температуры

Преобразуем это выражение

,

или, поскольку - температурный коэффициент удельного сопротивления чистого металла, поэтому

,

Исходя из того, что у сплавов r_{n >>} r_т получаем

.

Таким образом, переход от чистых металлов к металлическим сплавам позволяет существенно повысить удельное сопротивление и одновременно понизить ТКС материала.

Следует отметить, что свойства реальных сплавов богаче и многообразнее теоретических предсказаний. Температурный коэффициент сопротивления сплавов может быть много меньше ожидаемого, а в ряде случаев может быть и отрицательным.

Переходя от массивных материалов к пленочным возникает дополнительный фактор, приводящий к увеличению удельного сопротивления - рассеяние носителей заряда на границах слоя.

Как известно, удельное сопротивление металла обратно пропорционально средней длине свободного пробега электронов l:

,

где n – концентрация носителей заряда;

m* - эффективная масса носителей заряда;

u_F - скорость электронов, обладающих энергией Ферми.

Если толщина металлической пленки становится сравнимой со средней длиной свободного пробега, количество соударений носителей заряда с поверхностью составляет значительную часть из общего количества элементарных актов рассеяния, так что границы пленки начинают геометрически ограничивать движение электронов, уменьшая среднюю длину свободного пробега. В результате возникает классический размерный эффект – удельное сопротивление тонких пленок может значительно превышать удельное сопротивление массивного образца того же состава.

Заметим, что поверхностное рассеяние – не единственная причина, по которой удельное сопротивление пленки оказывается больше, чем у массивного металла. Это может наблюдаться и у пленок большой толщины (d>>l) из-за структурных дефектов, возникающих в процессе синтеза. Использовать это в практических целях затруднительно из-за неустойчивости дефектной структуры пленок в процессе эксплуатации, что приводит к снижению сопротивления. Однако, здесь будем считать, что дефектность пленочного и массивного материалов одинаковы и выделим таким образом эффект рассеяния на границах в тонких слоях.

Теоретический анализ показывает, что уменьшение толщины пленки должно приводить к численному результату повышения удельного сопротивления ρ и одновременно снижению ТКС (рис. 3.10).

а) б)

Рис. 3.10. Зависимость относительного удельного сопротивления пленки (а) и относительного температурного коэффициента удельного сопротивления (б) от отношения толщины пленки к длине свободного пробега электронов

Экспериментальные результаты не вполне соответствуют предварительным ожиданиям. Наиболее тонкие пленки металлов обнаруживают значительно большие величины удельного сопротивления и, что особенно обращает внимание, отрицательное значение температурного коэффициента сопротивления (рис.3.11). Толщина слоя, при котором ТКС меняет знак, зависит от природы металла и технологии синтеза.

Указанное расхождение результатов эксперимента с результатами расчета по вышеприведенной модели объясняется тем, что в последней рассматриваются сплошные металлические пленки. На практике тонкие пленки на ранних стадиях синтеза оказываются несплошными.

толщина пленки d

Рис.3.11. Характер зависимости удельного сопротивления r и ТКС тонких металлических пленок от их толщины

При осаждении металлической пленки на подложку вакуумными методами обычно происходит зародышеобразование на большом числе центров, представляющих собой дефекты поверхности подложки. Частицы, попадающие на такие центры, теряют свою подвижность и таким образом образуется пленка с островковой структурой. По мере того как продолжается осаждение, островки растут до тех пор, пока не начнут контактировать друг с другом, так что на конечном этапе образуется сплошная пленка.

Островковые металлические пленки обладают привлекательными свойствами, с точки зрения их применения в качестве резистивных: высоким удельным сопротивлением и возможно низким температурным коэффициентом сопротивления.

Эксперимент показывает, что для островковых пленок характерна немонотонная (с минимумом) температурная зависимость сопротивления, так называемая U-образная зависимость. Другими словами, ТКr островковых пленок при понижении температуры изменяет знак от плюса к минусу и при температуре, отвечающей минимуму сопротивления, ТКr принимает нулевое значение. Элементарный акт переноса электронов, определяющий сопротивление островковой пленки, состоит в переходе электронов от одного островка к другому через промежуток между ними.

Нулевой ТКС в островковых пленках в принципе достигается при соблюдении строгого соотношения между вкладами металлической электропроводности с положительным ТКr и активированной электропроводности с отрицательным ТКС, так что его можно было бы ожидать в области, соответствующей переходу от островковой структуры к сплошным металлическим пленкам.

При всей заманчивости обозначенных перспектив островковые пленки в качестве резистивных широкого практического использования не получили. Это связано с двумя обстоятельствами – плохой воспроизводимостью и нестабильностью их свойств.

Разброс значений сопротивлений обусловлен самим характером зародышеобразования при синтезе пленок. Поскольку металлические островки растут главным образом на дефектах подложки, концентрация и распределение которых по поверхности не вполне контролируемо, то пленки, осажденные на номинально одинаковые подложки имеют существенно различные величины сопротивления.

Нестабильность свойств островковых пленок возникает вследствие миграции и коалесценции атомов, процессов адсорбции газов и окисления металла.

Более предсказуемыми и стабильными свойствами могут обладать так называемые керметные пленки, представляющие собой композиционные структуры, содержащие металлическую и диэлектрическую компоненты. Наиболее распространенным приемом получения керметных пленок является одновременное испарение металла и диэлектрика, осаждаемых на подложку.

Электропроводность керметов обеспечивается как непосредственно контактированием металлических зерен друг с другом, так и электропроводностью через тонкие диэлектрические прослойки между зернами. Эти пленки обладают электрическими свойствами, во многом схожими с несплошными пленками (островковыми), но являются при этом сплошными. Свойства керметных пленок достаточно стабильны, так как металлические зерна защищены слоем диэлектрика (продолжая аналогию с островковыми пленками можно сказать, что поры в керметной пленке заполнены не вакуумом или воздухом, а твердым диэлектриком).

Керметы в простейшем случае рассматривают как двухфазную систему, представляющую собой гомогенную матрицу одной фазы (например, диэлектрика) с диспергированными в ней частицами другой фазы (металла). Физически ясно, что сопротивление и ТКС такой системы определяется тем, образуют ли частицы металлической фазы непрерывные цепочки, замыкающие электроды. Учитывая характер зародышеобразования, появление контактов между частицами представляет собой случайное событие, так что для теоретического осмысления и прогноза свойств данных систем необходим статистический подход.

Электропроводность керметов интерпретируется в рамках теории протекания.

С точки зрения практического приложения наиболее интересна и перспективна пороговая, критическая область, поскольку даже небольшие вариации состава в ней ведут к значительному изменению проводимости, что позволит в рамках одной технологии получать материалы как низкоомные, так и высокоомные. Кроме того, критической области соответствует ТКС, близкий к нулю.

Вместе с тем именно из-за резкой концентрационной зависимости проводимости можно ожидать низкой воспроизводимости результатов от образца к образцу и малого выхода годных по номиналу. Также в критической области велика ЭДС шумов и низка стабильность электрических параметров.

Важное значение в формировании свойств керметов имеют состав и размеры частиц проводящей фазы. Они могут существенно влиять на параметры диэлектрической фазы, распределение в ней проводящих частиц, величину концентрационного порога протекания. Эти факторы априорно теорией протекания не учитываются, так что любая новая система в части использования компонентов и технологии требует специального изучения и может обнаруживать неомические характеристики.

3.6. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗИСТОРОВ

ПО ИСПОЛЬЗУЕМЫМ МАТЕРИЛАМ. ОБОЗНАЧЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ

В отечественной и зарубежной практике в технологии производства используются разнообразные резистивные материалы, что отвечает спектру требований к свойствам резисторов.

В зависимости от используемого материала резистивного элемента в классе постоянных непроволочных резисторов различают:

- углеродистые и бороуглеродистые резисторы – в которых используются слои так называемого пиролитического углерода, полученного термическим разложением паров углеводородов. По структуре пиролитический углерод близок к графиту, добавки бора способствуют снижению ТКρ.

- металлодиэлектрические резисторы – токонесущей частью в которых являются гетерогенные металлодиэлектрические пленки (керметы);

- металлооксидные резисторы – это главным образом пленки на основе оксида олова SnO_2;

- металлопленочные резисторы – проводящий элемент представляет собой тонкий слой из сплава или металла (тантала, нихрома и др.);

- композиционные резисторы, токопроводящий слой которых представляет собой композицию проводящего углерода (сажа или графит) и органического или неорганического связующего.

В проволочных резисторах в качестве резистивных материалов используют сплавы металлов.

Наиболее распространенными резистивными материалами переменных резисторов являются композиционные, металлодиэлектрические и металлооксидные.

Существует несколько систем условных обозначений резисторов. До 70-х годов царила буквенная система, в которой буквы обозначали различные при признаки изделия. Например, МЛТ - металлопленочные лакированные теплостойкие, УЛИ - углеродистые лакированные измерительные, МОН - металлоокисные низкоомные, КЛМ - композиционные лакированные малогабаритные. Этой системе, очевидно, не доставало строгости.

В 70-х годах ГОСТ 13453-68 были введены обозначения резисторов, состоящие из букв и цифр. Буквы обозначают группу резисторов: С - резисторы постоянные; СП - резисторы переменные (буква С осталась от старого названия резисторов – «сопротивление»). Цифра, стоящая после букв, обозначает одну из указанных выше разновидностей резистора: 1 - непроволочные углеродистые и бороуглеродистые; 2 - непроволочные металлодиэлектрические и металлооксидные; 3 - непроволочные композиционные пленочные; 4 - непроволочные композиционные объемные; 5 - проволочные; 6 - непроволочные металлопленочные. После цифры через дефис ставится число, обозначающее номер конкретного типа резистора.

Дата добавления: 2015-05-09