Варисторы

Варисторы - объемные нелинейные резисторы, вольтамперная характеристика которых представляет собой кривую близкую по форме к многостепенной параболе (электрическое сопротивление их быстро уменьшается при увеличении приложенного к нему напряжения).

Нелинейность ВАХ обусловлена явлениями на контактах между кристаллами карбида кремния и определяется эффектами сильного поля и тепловым эффектом. Проявление каждого из эффектов определено величиной протекающего через варистор тока, состояние поверхности кристаллов карбида кремния и других факторов.

Процессы, происходящие в приборе усложняются тем, что он состоит из многих кристаллов полупроводника с многочисленными контактами друг с другом. Результирующая ВАХ получается как сумма всех токов, протекающих через отдельные контакты, а также падения напряжения на них. Поэтому ВАХ варистора симметрична (рис. 23,а).

Для стабилизации параметров варисторов проводят искусственное старение путем длительной выдержки при повышенной температуре (? 150 0С) и затем только их разбраковывают и маркируют.

Основными параметрами и характеристиками являются:

- коэффициент нелинейности

в = R/r = UdI/IdU,

где R и r - статическое и динамическое сопротивление варистора при заданном напряжении, который обычно имеет вид рис.23,б;

- вольтамперная характеристика I = AUв, A = f (T и тип варистора);

- температурные коэффициенты статического сопротивления, напряжения и тока

ТКU|I=const = (1/U)?U/?T = TKA1 R(I) = A1I1/ в-1;

TKI|U=const = (1/I)?I/?T = в TKA1 R(U) = Aв1U1- в;

ТКR|U=const = TKA1 + (1/ в-1) TKI|U=const

ТКR|I=const = в TKA1 + (1-в) TKU|I=const .



Для серийных варисторов при Т = - 40 - +1000С

ТКR|U=const = TKI|U=const < 7 10-3 град-1;

ТКR|I=const = - TKU|I=const < 1,4 10-3 град-1

- номинальная мощность рассеяния малой мощности до 1 Вт СИ1-1-1, СИ1-2-1, СИ1-2-2; большая мощность от 15 до 150 Вт;

- рабочий ток 2-10 мА (малой мощности 0; 0,05А-1,25А - большой

- рабочие напряжения 15-1500 В;

- частотный диапазон.

Рис. 23

Варисторы используются для:

- защиты высоковольтных линий передач от атмосферных перенапряжений;

- защита контактов от разрушений и схем от перенапряжений;

- стабилизации токов и напряжений (в телевизорах высокое напряжении);

- регулирование механических и электрических величин (питание системы отклонения телевизоров и др. аппаратуры);

- преобразование частоты;

- получения функциональных зависимостей.

Изготавливаются в виде дисков:

СН1-2-1 Ш16х8 1Вт I = 3мА U = 56-270 в = 3,5,

СН1-2-2 Ш12х7 1Вт I = 3мА U = 15-100 в = 3,5,

СН1-10 Ш40х10 3Вт I = 10мА U = 15-47 в = 3,2;

стержневые:

СН1-1-1, СН1-1-2 Ш49х19 1Вт I = 10мА U = 560-1200 в = 3-4,

Ш7х16 0,8Вт I = 10мА U = 560-1300 в = 3-4,

Ш35х9 2,5Вт I = 20мА U = 33 в = 4,

Ш13х120 2Вт I = 50мкА U=2500 в = 5.

Полупроводниковые гальваномагнитные эффекты и приборы

Кинетические эффекты, имеющие место при одновременном воздействии на полупроводник электрического и магнитного полей, называют гальваномагнитными эффектами.

Эффект Холла - один из гальваномагнитных эффектов. Из курса физики известно, что в магнитных полях (слабых ф << Тс, сильных ф >> Тс время релаксации носителя заряда соответственно много меньше и много больше его периода обращения по круговой орбите в магнитном поле) с индукцией В, при эффективной массе носителя заряда m*, частота циклотронного резонанса щс определяется (из равенства центробежной силы и силы Лоренца

m*v2/r = qvB) как

щс = 2р/Т = (q/m*)B,

при этом в слабых полях имеем:

ф·щс/2р = q фB/2рm* = мB/2р<<1,

а в сильных



ф·щс/2р = мB/2р >> 1.

То есть условие сильного и слабого магнитного поля определяется не только значением индукции В, но и значением подвижности м.

Учитывая, что длина свободного пробега l = vф, а радиус циклотронной орбиты r = v/щс, то получим, что

l/r= ф щс,

то есть в слабом магнитном поле (r >> L), носители заряда движутся по круговому пути в плоскости, перпендикулярной В и успевают до столкновения пройти малый путь по круговой орбите, а в сильном траектория искривляется очень сильно (r << L).

Для полупроводника рис.24,а, при воздействии электрического поля Е величина тока определяется законом Ома

.

При помещении образца в магнитное поле В перпендикулярного вектору тока (см. рис. 24 а), траектория движения носителей заряда изменяется в результате действия силы Лоренца

,

которая перпендикулярна плоскости векторов и (знак "+" соответствует дырке, "-" электрону).

Но , поэтому сила Лоренца



.

Рис. 24

Следовательно, направление силы Лоренца не зависит от знака носителя заряда и электроны и дырки отклоняются в одну и ту же сторону (правило "трех пальцев" левой руки). При этом на поверхности полупроводника возникает на одной грани дефицит носителей, а с другой их избыток - возникает электрическое поле Uн. Причем изменение типа электропроводности изменяет знак ЭДС, т.к. носители различных знаков смещаются к одной и той же грани рис. 24, б, в. Явление возникновения в полупроводнике (с текущим по нему током) поперечного электрического поля (под действием магнитного поля) называется эффектом Холла, а возникающая ЭДС - ЭДС Холла величина которой будет расти до тех пор пока сила, обусловленная этим полем, не скомпенсирует силу Лоренца

.

Холловская разность потенциалов при ширине образца в определяется

Uи = = - VВв= - 1/qnjBв = RjBв,

где R - коэффициент (или постоянная) Холла который для электронов равен R= - 1/qn, а для дырок R = 1/qр, т.е. он обратно пропорционален концентрации носителей.

Угол Холла цр,n определяется направлением поля Холла (рис.25), который положителен для дырочного полупроводника и отрицателен для электронного цn

.

Рис. 25

Искривление траекторий носителей заряда в магнитном поле приводит к изменению составляющей тока, направленной вдоль вектора электрического поля, что эквивалентно изменению удельного сопротивления полупроводника (с).

Это явление получило название эффекта Гаусса или магниторезистивного эффекта.

При совпадении по направлению векторов и удельное сопротивление определяется

С = 1/у = Е/j.

Ведение магнитного поля изменяет величину с, причем это изменение может быть учтено, если вместо величины подставить проекцию Е на вектор , т.е.

.



Однако, определение в линейном приближении изменения сопротивления (при слабом магнитном поле) дает

св = уЕ2/(уЕ)2 = 1/у = с,

т.е. сопротивление полупроводника не меняется.

Используя квадратичное приближение получено, что

,

где А = 3/2r(1 - р/4) - зависит от механизма рассеяния носителей; б - угол между направлением векторов и

.

Таким образом, поворачивая образцы в магнитном поле и измеряя св/с, можно получить важные сведения о параметрах зонной структуры материала (однако полученное выражение справедливо лишь при сферически симметричной зонной структуре).

Изменение сопротивления полупроводниковой пластины в магнитном поле существенно зависит от ее конфигурации (отношение длины и ширины), поскольку возникающее поперечное электрическое поле ЭДС Холла препятствует изменению траектории носителей заряда под действием магнитного поля и снижает эффект магнитосопротивления.

Для достижения наибольшего изменения сопротивления в магнитном поле используют короткие, широкие образцы с омическими константами на длинных сторонах шунтирующих ЭДС Холла. Оптимальной конструкцией является диск Корбино, из которого один контакт - в центре круговой пластины, а другой - по ее окружности. (ЭДС Холла здесь практически отсутствует и ток протекает в радиальных направлениях).

В качестве примера приведем зависимость магнита резистивного элемента от величины отношения длины образца и ширине (для InSb) и для диска Корбино рис. 26

Рис. 26

В заключение отметим, что в сильных магнитных полях постоянная Холла не зависит от механизма рассеяния, а для магнитосопротивления наступает режим насыщения. При этом величина магнитосопротивления при насыщении зависит от механизма рассеяния.

Можно показать, что для полупроводников со смешанной проводимостью плотность тока равна

,

откуда: постоянная Холла и магнитосопротивления равны соответственно:

R = 1/q(p - n); сB = 4/3r (n/мn + p/мp)/q(p - n).

Преобразователи и датчики Холла изготавливаются в виде пластиной прямоугольной формы монокристалла или поликристаллического полупроводника, либо тонких пленок (1-10 мкм) нанесенных на диэлектрическую подложку. В качестве материала используют селенид и теллурид ртути и их твердые растворы (НdSe, HdTe), а также Ge, InSb, InAs и др. соединения типа АIIIВV с высокой подвижностью электронов (Ge-3800 м²/в сек) - 10000 HdTe; 30000 InAs; 60000 - InSb = м 104). К пластине припаивают 4 электрода: два входных (токовых) и два выходных (холловских).

Для устранения неэквипотенциальности выходных контактов включают или формируют компенсационные резисторы.

Основными параметрами и свойствами датчиков Холла, являются:

- входное сопротивление (сопротивление между входными клеммами Rвх = сl/чб, ч - коэффициент Холла сl /чб);

- выходное сопротивление (сопротивление между выходными клеммами);

- коэффициент использования (КПД) датчика ЭДС Холла з = Рн/Рвх (отношение отдаваемой мощности к подводимой);

- максимально допустимый ток Iмакс;

- максимальная ЭДС Холла при заданной индукции магнитного поля;

- вольтовая чувствительность (отношение максимальной ЭДС к индукции магнитного поля);

- коэффициент передачи Ен/Е = РtgИР;

- частотные свойства (определяются временем релаксации и имеет порядок 10-12 - 10-13сек, хотя с ростом частоты встречается ряд существенных трудностей);

- рабочая температура (температурный коэффициент вольтовой чувствительности изменяется с изменением температуры от 2 10-3 до 10-2 град-1 и определяется сильной зависимостью концентрации и подвижности носителей).

Приборы магнитосопротивления и датчики на эффекте Холла является в последние годы объектом пристального внимания, т.к. на основе этих эффектов при исследовании полупроводников с высокой подвижностью носителей тока создаются всевозможные приборы и устройства, которые все шире внедряются в различные области техники и народного хозяйства.

Основа таких приборов - датчики ЭДС Холла и магниторезисторы, первые используются для:

- измерения и исследования магнитных полей;

- исследования свойств магнитных материалов;

- измерения электрических и неэлектрических величин;

- исследования характеристик электрогенераторов и других электрических агрегатов;

- выполнение арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня) и работа в качестве др. активных приборов ВТ;

- выполнение функций отдельных элементов радиоэлектрических цепей (линейное и квадратичное детектирование, модуляторы, смесители, удвоители частоты, генераторы, усилители), а также для создания различных реле, компенсаторов, компараторов и др. систем регулирования.

Магниторезисторы - используют для измерения магнитной индукции и мощности;

- удвоения частоты и анализа гармоник;

- преобразование постоянного тока в переменный;

- усиление и генерация сигналов;

- создание элементов счетных устройств и др.

Подробные принципы использования и схемы см. в работе А. Кобуса и Я. Тушинского. Датчики Холла и магниторезисторы. М.: Энергия.- 1971.

Тензоэлектрические полупроводниковые приборы

Приборы, использующие эффекты изменения электрического сопротивления полупроводника под влиянием внешней нагрузки (создающей деформацию в кристалле) называют тензоэлектрическими.

Для описания процессов происходящих в кристаллах полупроводников при их сжатии используется тензорный анализ, при этом относительное изменение электрического сопротивления в деформированном кристалле можно представить как

,

где Пiklm - тензор пьезосопротивления четвертого ранга;

Xlm - тензор напряжения второго ранга.

При этом симметричный тензор сопротивления сik с учетом соотношения Онзагера можно рассматривать как компоненту шестимерного вектора сi(i = 1,2,3…,6). Аналогичные заключения можно сделать и от тензора напряжений Xlm.

Вводя ряд обозначений и учитывая, что тензор напряжений Xim ? Хi через упругие постоянные связан с тензором деформации , можно получить тензор деформации

, где ;

Пik и mik - коэффициенты пьезосопротивления и упруго резистивные коэффициенты соответственно, каждый из которых образует шестимерные матрицы. При этом тензор в общем случае принимает вид:

.



При поворотах осей координат шестикомпонентные векторы сi, xi, ui преобразуются через шестимерные матрицы с элементами определяемыми через направляющие косинусы между осями предыдущими и повернутыми.

Откуда, для кристаллов типа алмаз получают тензор ?ik в прямоугольной системе координат при этом независимыми компонентами тензора будут лишь 3 компоненты П11, П12, П41.

Аналогично и тензор сопротивления сik может быть сведен к скаляру, т.к. с11 = с22 = с33 = с0, а с12 = с23 = с31 = 0.

Таким образом можно сделать вывод, что проводимость алмазоподобных кристаллов (Ge, Si -) обладающих высокой степенью симметрии изотропна. Однако при наличии по одной из осей (кристаллографических) давления происходит анизотропное изменение его проводимости.

Более наглядное объяснение тензоэффекта на основе многодолинной модели энергетических зон кристаллов.

Для электрона определена связь энергии с абсолютным значение импульса с или волнового вектора k

,

Где , .

То есть зависимости Е от с и k в кристалле имеет параболический характер.

Тензорезистивный эффект состоит в изменении сопротивления полупроводника (или металла) в результате его деформации. Физическая причина тензосопротивления является изменение энергетической структуры полупроводника. Изменение ширины запрещенной зоны приводит к изменению концентрации носителей заряда и тем самым к изменению сопротивления.

В материал со сложной структурой зон (Ge, n-Si) деформация вызванная односторонним сжатием или растяжением, приводит к большому изменению сопротивления, которое не может быть объяснено изменением общей концентрации носителей заряда. Причина его состоит в том, что в результате анизотропной деформации экстремумы энергии становятся неэквивалентными, происходит перераспределение электронов по экстремумам. Минимумы, дно которых опустится, дают больший вклад в проводимость, чем минимумы, дно которых поднимется. Изменение проводимости при этом наблюдается только в случае, если поверхности энергии отличаются от сферических.

В полупроводниках Si-p большая величина изменения сопротивления обусловлена снятием вырождения зон энергий при наложении анизотропной деформации. В результате снятия вырождения меняется число легких и тяжелых дырок, обладающих различной подвижностью и дающих благодаря этому различный вклад в проводимость, что приводит к изменению сопротивления даже при сохранении общего числа дырок. (см. рис.27).

Для тензорезисторов чаще всего используют n-Si и p-Si с удельным сопротивлением 0,1 - 10-3 Омм, легированных соответственно фосфором или бором. Для повышения тензочувствительности производится ориентировка кристалла по трем главным направлениям кубической решетки [111], [110], [100]. Затем его разрезают на тонкие пластины (и после тщательной полировки) и формируют невыпрямляющие контакты

Рис. 27



Рис. 28

Основными параметрами и характеристиками приборов являются :

- номинальное сопротивление (без деформации при t = 20 0C) порядка десятков - сотен Ом;

- деформационная характеристика, приведенная на рис.28;

- коэффициент тензочувствительности

К = (R/R)/(?/?);

- максимальная рабочая температура;

- предельная относительная деформация (не превышающая 10-2).

Такие приборы используются вместо обычных проволочных тензодатчиков когда требуется особая чувствительность и работают в качестве:

- измерителей деформации,

- в виде преобразующих элементов при измерении давления, сил, моментов, смещений;

- в биологии и медицине при исследовании физиологических и биологических процессов и деформаций с передачей информации на значительные расстояния (внутрисердечное кровяное давление).



Литература

1. Полупроводниковые приборы В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. - М.: Высш. шк. 1987. - 427 с.

2. Батушев В.А. Электронные приборы: Уч. Для высш. Шк. - М: Высш. шк. 1980. -383с.

3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Уч. Пособие для вузов. - М.: Сов. Радио 1980. - 424 с.

4. Игнатов А.Н. Полевые транзисторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1984. - 276 с.

5. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. - М.: Радио и связь, 1984, - 80 с.

Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник / А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова.-2-е изд., перераб. М: Энергоатомиздат, 1984.

7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник / В.А. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. М: Энергоатомиздат, 1982.

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред. А.В. Голомедова. М: Радио и связь, 1989.

9. Тиристоры: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. М: Радио и связь, 1990. (Массовая радиобиблиотека)

10. Булычев А.Л. и др. Электронные приборы. - М.: Лайт Лтд., 2000. - 416 с.

11. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Уч. пособие для вузов / Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др.; Под ред. Проф. Н.Д. Федорова. - М.: Радио и связь, 1998. - 560 с.

12. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - 2-е изд. испр. и доп. - СПб.: КОРОНА принт, 2000. - 416 с.

13. Быстров ЮА., Гамкрелидзе С.А., Иссерлин Е.Б., Черепанов В.П. Электронные приборы и устройства на их основе: Справочная книга. - М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 656 с.

14. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Ганзий Д.Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 354 с.

15. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов / Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др., Под ред. проф. Н.Д. Федорова. М.: Радио и связь, 1998. -560 с.

1 Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. - М.: Наука, 198 - 240 с.

17. Речицкий В.И. Акусто-электронные радиокомпонентыю Схемы, топология, конструкции. - М.: Радио и связь, 1987. - 246 с.

18. Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1983. - 216 с.

Размещено на Allbest.ru