Краткое описание сущности физического эффекта.
Терморезистор – это устройство, сопротивление которого сильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС – (-6,5; +70)%/оC.
На самом деле терморезисторный эффект совсем не сложен для понимания. Он заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убывания или возрастания его температуры. Однако сам механизм изменения сопротивления с температурой отличен от подобного явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротивления при увеличении температуры), и особенности этого физического эффекта будут подробнее рассмотрены ниже.
В 1833 году Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра, но отсутствие сведений о явлении в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. В 30-х годах уже двадцатого века у некоторых оксидов, как Fe3O4 и UO2, обнаружили высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления. В конце 30-х – начале 40-х этот ряд пополнился NiO, CoO, системой NiO-Co2O3-Mn2O3. Интервал удельных сопротивлений расширился благодаря добавлению оксида меди Mn3O4 и в систему NiO-Mn2O3.
Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронными уровнями, и при достаточно низких температурах обмен электронами соседних ионов затрудняется, при этом электропроводность вещества мала. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена ионов электронами становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носителей заряда.
Далее приведем несколько слов о физических особенностях терморезисторов (вернее полупроводниковых материалов, на основе которых изготовлены терморезисторы), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления в некотором интервале температур. Такие терморезисторы часто называют позисторами.
Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы:
1. Терморезисторы из полупроводникового материала (обычно Si) в форме небольших пластин с двумя выводами на противоположных сторонах. Их применение основано на том, что легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и p- типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до 150oC и выше, причем ТКС при комнатной температуре примерно равен 0,8% на 1oC.
2. Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1oC), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводниковый титанат бария с большим изменением ТКС при температуре 120oC, соответствующей сегнетоэлектрической точке Кюри этого материала. Добавляя другие материалы, например титанат свинца или стронций, такое изменение ТКС можно получить при температурах от -100 до +250oC. Можно также изменить наклон кривой сопротивления так, что большое изменение температур будет происходить в более узком интервале температур, например 0-100oC.
Можно сказать несколько слов о титанате бария. При низких температурах это вещество представляет собой диэлектрик с преобладающей спонтанной поляризацией, потенциальный барьер между кристаллами мал. Очень важна температура, соответствующая точке Кюри для TiBa. При нагреве до этой температуры спонтанная поляризация исчезает, возрастает высота барьера и, следовательно, сопротивление сильно увеличивается.
Подробнее многие свойства и характеристики данного эффекта и приборов на его основе для материалов как с положительным, так и с отрицательным ТКС будут рассмотрены далее.