2. Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковый резистор — это двухполюсный полупроводниковый элемент с сопротивлением, зависящим от управляющих воздействий. Основные виды полупроводниковых резисторов и их условные графические обозначения показаны на рис. 2.2. Свойства этих приборов реализуются соответствующим выбором конструкции и примесей.

Рис. 2.2. Основные виды полупроводниковых резисторов

Характеристики линейных резисторов и варисторов мало зависят от параметров окружающей среды.

Сопротивление линейных резисторов практически постоянно и их вольтамперные характеристики линейны в широком диапазоне токов и напряжений. Такие резисторы применяются в полупроводниковых интегральных микросхемах и состоят из слаболегированного примесями полупроводникового материала типа кремния или арсенида галлия.

Сопротивление варистора зависит от приложенного к нему напряжения. Его вольтамперная характеристика не линейна и имеет вид, показанный на (рис, 2.3, а.) Основной параметр варистора — коэффициент нелинейности

, где — напряжение на варисторе и ток варистора. Обычно коэффициент .

Варисторы применяются в схемах ограничителей напряжения стабилизаторов тока и нелинейных преобразователях. Изготавливаются из карбида кремния (SiC).

Остальные полупроводниковые резисторы, приведенные на рис. 2.2 преобразуют неэлектрические величины в электрическое сопротивление. При этом следует учитывать, что все они имеют существенную температурную зависимость.

У терморезисторов используется зависимость их сопротивления от температуры окружающей среды. Есть два вида терморезисторов: термисторы, у которых сопротивление уменьшается с ростом температуры и позисторы, у которых оно с ростом температуры увеличивается. Примеры характеристик этих терморезисторов приведены на (рис. 2.3, б). У большинства терморезисторов зависимость сопротивления от температуры в широком диапазоне температур имеет экспоненциальный характер.

а) б)

Рис. 2.3. а) характеристика варистора б) характеристики терморезисторов:

1 – термистора, 2 – позистора

Основной параметр, характеризующий терморезистор — температурный коэффициент сопротивления

,

показывающий в процентах изменение сопротивления терморезистора от температуры. У термисторов , у позисторов .

Материалом для изготовления термисторов служат, в основном, полупроводники n-типа — оксиды металлов и смеси оксидов. Эти терморезисторы работают в широком диапазоне температур на частотах до 500 МГц.

Позисторы изготавливаются из титанат-бариевой керамики с примесью редкоземельных элементов. При определенной температуре, называемой точкой Кюри, сопротивление этого материала резко возрастает на несколько порядков, что ограничивает температурный диапазон применения позисторов.

Терморезисторы применяются в системах тепловой защиты, пожарной сигнализации, регулирования температуры. В гидрометеорологии терморезисторы применяются для измерения температуры окружающей среды в случаях, когда не требуется долговременной стабильности характеристик, например, в радиозондах.

Тензорезистор — это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от механических воздействий на него. Характеристика тензорезистора показана на (рис. 2.4, а)

а) б)

Рис. 2.4. а) характеристики тензорезисторов; б) характеристика фоторезистора

Номинальное сопротивление тензорезисторов (сопротивление при отсутствии механического воздействия) . Полезный параметр — коэффициент тензочувствительности

, где: — относительное изменение сопротивления; — относительная деформация (изменение длины l рабочего тела тензорезистора). Для тензорезисторов разных типов . Тензорезисторы изготавливаются из кремния p- и n-типов, заготовки которого режутся на пластинки и шлифуются, после чего к их концам привариваются контакты.

Тензорезисторы применяют, как измерительные преобразователи механических воздействий. В гидрометеорологии они используются, например, в мостовых схемах измерения атмосферного и гидростатического давления.

Сопротивление фоторезисторов изменяется под воздействием светового потока. В зависимости от того, из какого материала изготовлен фоторезистор, его темновое сопротивление в отсутствии освещения может иметь значения от 10² до 10⁹ Ом. При воздействии на него света в фоторезисторе возрастает концентрация свободных зарядов и, соответственно увеличивается ток в цепи, в которую он включен. Разность токов в фоторезисторе при наличии и отсутствии освещения называется фототоком . Пример зависимости величины фототока от светового потока — энергетической характеристики фоторезистора, приведен на (рис. 2.4, б), где световой поток измеряется в люменах (лм). Величина , называемая чувствительностью фоторезистора, может достигать 20 А/лм.

Для изготовления фоторезисторов используют сульфид кадмия, селенид кадмия, сернистый кадмий, селенид свинца.

К достоинствам фоторезисторов можно отнести их высокую чувствительность, малые габариты, возможность использования в цепях постоянного и переменного тока и в инфракрасной области спектра излучения.

Фоторезисторы применяют для обнаружения и регистрации световых сигналов и измерения освещенности.

Датчики Холла применяются для измерения магнитных полей, токов, мощности, для перемножения сигналов, в качестве модуляторов, преобразователей частоты и т.д. Их действие основано на эффекте Холла, который заключается в том, что в полупроводнике с током, помещенном в магнитное поле (рис. 2.5) возникает поперечная ЭДС, направленная перпендикулярно плоскости векторов электрического и магнитного полей. , где: а — ширина образца полупроводника; — холловская подвижность носителей (может совпадать с обычной дрейфовой подвижностью носителей зарядов, обусловленной действием электрического поля или отличаться от нее, но не более, чем в два раза); H, E — напряженности внешних магнитного и электрического полей.

Рис. 2.5. Датчик Холла

Эффект Холла указывает на появление стационарной силы, которая противодействует стремлению магнитного поля изменить направление движения носителей заряда в полупроводнике.

Датчики Холла изготавливаются в виде тонких пластинок или пленок, полупроводниковых материалов, в которых эффект Холла проявляется наиболее сильно (германий, сурьмянистый индий, селенистая ртуть и др.).

В полупроводниках воздействие магнитного поля приводит не только к возникновению ЭДС Холла. Искривление траекторий движения электронов и дырок снижает скорость их движения вдоль оси прибора, что равнозначно увеличению сопротивления. При этом относительное изменение сопротивления может достигать 10⁵ раз. Этот магниторезистивный эффект используется во многих электронных устройствах.

Действие магнитного поля на освещенную поверхность полупроводника применяется также в фотомагнитных приборах, преобразующих световые и магнитные воздействия в электрические сигналы. Под действием света вблизи освещенной поверхности генерируются электроны и дырки, диффундирующие в неосвещенные области. Если магнитное поле действует параллельно освещенной поверхности в перпендикулярном к этой диффузии направлении, то электроны и дырки отклоняются в разных направлениях и возникает разность потенциалов, зависящая от напряженности магнитного поля и интенсивности светового потока.