Термистор. 
Полупроводниковые приборы и их применение

Полупроводниковый терморезистор — это резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Термистор — это полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Различают термисторы прямого и косвенного подогрева. В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано разными причинами — увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

1. Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, а также в диапазоне температур собственной электропроводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и в другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.

В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению.

.

где B — коэффициент температурной чувствительности;— коэффициент, зависящий от материала и размеров термистора. При неполной ионизации примесей и отсутствии компенсации.

.

где — энергия ионизации примесей (доноров или акцепторов).

Для скомпенсированного полупроводника при неполной ионизации примесей.

.

При собственной проводимости.

.

где — ширина запрещенной зоны полупроводника.

2. Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из оксидных полупроводников — оксидов металлов переходной группы таблицы Д. И. Менделеева (от титана до цинка). Такие термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, т. е. путем обжига заготовок при высокой температуре.

Электропроводность оксидных полупроводников с преобладающей ионной связью отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, экспоненциально уменьшается с увеличением температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронами между ионами температурная зависимость сопротивления термистора из оксидного полупроводника имеет такой же характер, как и у термисторов из ковалентных полупроводников (рис. 23),.

(рис.23) Температурная зависимость одного из термисторов

но коэффициент температурной чувствительности в этом случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.

3. В оксидах ванадия и при температуре фазовых превращений (68 и —110 °С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих фазовому превращению.

Термисторы прямого подогрева имеют следующие характеристики и параметры:

Температурная характеристика термистора — это зависимость его сопротивления от температуры. Пример температурной характеристики одного из термисторов приведен на рис. 23.

Номинальное сопротивление термистора — это его сопротивление при определенной температуре (обычно 20°С). Термисторы изготовляют с допустимым отклонением от номинального сопротивления ±20, 10 и 5%. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких ом до нескольких сотен килоом.

.

Температурный коэффициент сопротивления термистора — это величина, определяемая отношением относительного изменения сопротивления термистора к изменению его температуры:

.

Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать с индексом, указывающим температуру, при которой имеет место данное значение. Зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры можно получить, использовав уравнения.

и :

Значения температурного коэффициента сопротивления при комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах?(0,8…6,0).

Коэффициент рассеяния термистора Н численно равен мощности, рассеиваемой термистором при разности температур термистора и окружающей среды в 1 K, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе, чтобы нагреть его на 1 К.

Статическая вольт?амперная характеристика термистора — это зависимость падения напряжения на термисторе от проходящего через него тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой.

На рисунке 24 показаны статические вольт? амперные характеристики термисторов (три типа статических вольт? амперных характеристик термисторов прямого подогрева (сплошные линии) и гиперболы равной мощности (штриховые линии). Линейность характеристик при малых токах и напряжениях объясняется тем, что выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры. При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нем мощность повышает его температуру. Таким образом, сопротивление термистора определяется суммарной температурой — температурой окружающей среды и температурой перегрева.

(рис. 24).

термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока и температуры в соответствии с, линейность статической вольт? амперной характеристики нарушается. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности термистора может наблюдаться падающий участок статической вольт? амперной характеристики, т. е. уменьшение напряжения на термисторе с увеличением проходящего через него тока.

Мощность, выделяющаяся в термисторе, непрерывно возрастает с увеличением проходящего через термистор тока, несмотря на уменьшение падающего на термисторе напряжения. В результате гиперболы равной мощности пересекают статическую вольт? амперную характеристику термистора только в одной точке (рис. 24).

Для каждой точки статической вольт? амперной характеристики термистора справедливо уравнение теплового баланса между мощностью, выделяющейся в термисторе из-за проходящего тока, и мощностью, которую он рассеивает в окружающую среду:

.

где — температура термистора; — температура окружающей среды.

Из уравнения с учетом можно получить уравнения статической вольт? амперной характеристики термистора в параметрическом виде:

Вид статической вольт? амперной характеристики термистора определяется коэффициентом рассеяния H, коэффициентом температурной чувствительности В, номинальным сопротивлением термистора и температурой окружающей среды. Так, при уменьшении коэффициента рассеяния Н (например, при уменьшении давления воздуха, окружающего термистор) происходит более интенсивный разогрев термистора и, следовательно, те же температуры достигаются при меньших мощностях, выделяемых в термисторе при прохождении тока, т. е. статическая вольт? амперная характеристика смещается вниз (в область меньших напряжений).

При увеличении температуры окружающей среды уменьшается сопротивление термистора, снижается максимум статической вольт? амперной характеристики и уменьшается ее крутизна. Такую зависимость используют в системах автоматического контроля и регулирования температуры.

Увеличение коэффициента температурной чувствительности B приводит к смещению максимума статической вольт? амперной характеристики в сторону меньших мощностей, а крутизна падающего участка возрастает.

Исследуем уравнение на максимум функции, полагая коэффициент температурной чувствительности и коэффициент рассеяния постоянными. Для этого первую производную от напряжения по току приравняем нулю. В связи с параметрическим видом вольт? амперной характеристики в данном случае производную от напряжения по вспомогательной переменной, т. е. по параметру Т, умножим на производную температуры по току и приравняем полученное произведение нулю:

.

В результате получим.

;

отсюда.

.

Из последнего уравнения следует:

1. Статическая вольтамперная характеристика термистора будет иметь экстремальные значения напряжения (кривая 3 на рис. 24) только при условии.

.

2. Существует два решения, соответствующие максимуму и минимуму напряжения на термисторе. Однако при минимуме напряжения на термисторе температура его оказывается выше допустимой, т. е. практически минимум напряжения находится за пределами рабочего диапазона температур термистора.

3. Температура, а значит, и сопротивление термистора при экстремальных значениях напряжения определяются только значениями и. Температура термистора при экстремальных значениях напряжения не зависит, например, от коэффициента рассеяния. Поэтому максимумы (и минимумы) статических вольт? амперных характеристик термистора, помещенного в различные среды, должны наблюдаться при одних и тех же сопротивлениях термистора. Коэффициент рассеяния сказывается только на значениях напряжения и тока в точке максимума (и минимума) статической вольт? амперной характеристики, что следует из уравнений.

и .

Максимально допустимая температура термистора — это температура, при которой еще не происходит необратимых изменений параметров и характеристик термистора. Максимально допустимая температура определяется не только свойствами исходных материалов термистора, но и его конструктивными особенностями.

Максимально допустимая мощность рассеяния термистора — это мощность, при которой термистор, находящийся в спокойном воздухе при температуре 20 °C, разогревается при прохождении тока до максимально допустимой температуры. При уменьшении температуры окружающего воздуха, а также при работе термистора в средах, обеспечивающих лучший теплоотвод, мощность рассеяния может превышать максимально допустимое значение.

Коэффициент энергетической чувствительности термистора G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффициент энергетической чувствительности связан с коэффициентом рассеяния и температурным коэффициентом сопротивления соотношением.

.

Значение коэффициента энергетической чувствительности зависит от режима работы термистора, т. е. оно различно в каждой точке статической вольт? амперной характеристики.

Постоянная времени термистора — это время, в течение которого температура термистора уменьшится на 63% (в е раз) по отношению к разности температур термистора и окружающей среды (например, при переносе термистора из воздушной среды с температурой 120 °C в воздушную среду с температурой 20°С). Тепловая инерционность термистора, характеризуемая его постоянной времени, определяется конструкцией и размерами термистора и зависит от теплопроводности среды, в которой находится термистор. Для разных типов термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140 с. Теперь рассмотри термистор косвенного подогрева.

Термистор косвенного подогрева — это термистор, имеющий дополнительный источник теплоты — подогреватель.

Конструктивное исполнение термисторов косвенного подогрева может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других, случаях сам термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрева. Общим для всех конструкций термисторов косвенного подогрева является наличие у них двух электрически изолированных друг от друга цепей: управляющей и управляемой.

Кроме таких параметров, как номинальное сопротивление и коэффициент температурной чувствительности, термисторы косвенного подогрева имеют свои специфические характеристики и параметры.

(рис. 25) (рис. 26).

Статические вольт?амперные характеристики термистора косвенного подогрева приводят для различных токов через подогреватель (рис. 25).

Подогревная характеристика — это зависимость сопротивления термистора косвенного подогрева от мощности, выделяемой в спирали подогревной обмотки (рис. 26).

Для получения наибольшей чувствительности термистора косвенного подогрева, т. е. наибольшего изменения сопротивления, его следует использовать в режимах, при которых мощностью, выделяемой в самом термочувствительном элементе проходящим через него током, можно было бы пренебречь.

.

Обычно для определения коэффициента тепловой связи термистор косвенного подогрева разогревают до так называемого горячего сопротивления термистора при максимальной мощности, выделяемой в подогревателе. Коэффициент тепловой связи обычно составляет 0,5…0,97, т. е. меньше единицы, так как часть теплоты, выделяемая подогревателем, неизбежно теряется.

Постоянные времени. Тепловая инерционность термисторов косвенного подогрева характеризуется двумя постоянными времени. За первую постоянную времени принимают время, в течение которого температура термочувствительного элемента изменяется в е раз по отношению к установившемуся значению при мгновенном изменении мощности в цепи подогревателя. Вторая постоянная времени характеризует задержку в изменении температуры термочувствительного элемента по отношению к изменению температуры подогревателя. Таким образом, первая постоянная времени характеризует тепловую инерционность всей конструкции термистора косвенного подогрева; вторая постоянная времени — тепловую инерционность термочувствительного элемента.

… …