Приложение на хомогенни полупроводници
Свойствата на полупроводниците да променят своята електрическа проводимост под действието на външни възбуждания се използват при конструирането на редица най-прости полупроводникови устройства (без преход), така наречените полупроводникови резистори.
Полупроводниковите резистори са много видове резистори, направени от различни полупроводникови материали и използващи зависимостта на тяхното електрическо съпротивление от различни фактори, влияещи върху резистора. Съответно разпределете:
варистори (зависимост на R от напрежението U);
термистори (от температура Т);
фоторезистори (от светлинния поток Ф);
магниторезистори (от магнитно поле B);
тензодатчици (от механично налягане Р).
Символите на полупроводниковите резистори са показани на фиг. 1.
Наличието на полупроводникови резистори с толкова широк диапазон от зависимости прави възможно използването им в разработеното радиоелектронно оборудване за решаване на много различни проблеми:
като сензори за измерване на съответния параметър (U, T, F, V, R);
в устройства за стабилизиране на параметрите на обекти;
в системи за сигнализация и защита от претоварване;
в системи за управление на физични величини;
в системи за преобразуване на сигнали.
Варисторът е полупроводников резистор, чието съпротивление варира нелинейно с положително и отрицателно приложено напрежение. Варисторът има два изхода.
Понастоящем варисторите се използват широко, предимно като елементи на защита от пренапрежение, освен това, поради симетрията на силно нелинейната характеристика ток-напрежение с уникално висока импулсна стабилност, оксидно-полупроводниковите варистори вВ момента те са практически единственото реално и масово произвеждано високоскоростно средство за защита на сложни и скъпи полупроводникови системи за различни цели.
Ток-напрежението (CVC) на варистора е нелинейно и симетрично (фиг. 2).
Ориз. 2.Вамперна характеристика на варистора
Основните материали, използвани за направата на варистори, са силициев карбид и цинков оксид.
Принцип на действие на варисторите от силициев карбид
За да се получи такава зависимостI(U), варисторите са направени главно от силициев карбид SiC, прахообразни зърна от които с размер 20 ... 180 μm се смесват с 10 ... 40% диелектричен свързващ материал - глина, керамика, пресовани и изпечени при висока температура. В резултат на това варисторът е вътре в конгломерат от зърна с много различни размери на празнини и контактни зони.
Нелинейността на CVC на този тип варистори се дължи на увеличаване на проводимостта на повърхностните потенциални бариери или оксидни филми върху кристали в силни електрически полета. Както и увеличаване на проводимостта на точковите контакти между кристалите поради нагряване поради отделяната върху тях мощност.
Тъй като дебелината на повърхностните потенциални бариери и оксидните филми върху кристалите от силициев карбид е малка, там могат да възникнат силни електрически полета дори при ниски напрежения през варистора, което води до тунелиране на носители на заряд през потенциални бариери или през тънки оксидни филми. По този начин, при ниски напрежения на варистора, нелинейността на I–V характеристиката е свързана със зависимостта на проводимостта на повърхностните потенциални бариери и оксидни филми от стойността на напрежението.
При високи напрежения на варистора исъответно при големи токове, преминаващи през варистора, плътността на тока в точковите контакти е много висока. Цялото напрежение, приложено към варистора, пада през точковите контакти. Следователно специфичната мощност, освободена в точковите контакти, достига такива стойности, които не могат да бъдат пренебрегнати. Нагряването на точковите контакти води до намаляване на тяхното съпротивление и до нелинейност на CVC.
С финозърнеста структура тези механизми практически не зависят от полярността на приложеното напрежение - съответно CVC на варистора се оказва симетричен.
Съпротивлението на точковите контакти се определя от съпротивлението на разпространение, т.е. съпротивление на малки активни области на полупроводника под точкови контакти. Поради малкия размер на активните области, тяхното нагряване практически не води до повишаване на температурата на целия варистор. В допълнение, малките обеми на активните области осигуряват ниска инерция на топлинните процеси. Теоретичните изчисления показват, че термичната времева константа на активните области може да бъде 10,6...1,7 s. Като се има предвид нагряването на активните области като един от основните процеси, водещи до нелинейност на I–V характеристиките в работния диапазон на напрежения и токове за варистор, могат да се получат редица важни зависимости и характеристики на варистора.
Температурната зависимост на специфичната проводимост на полупроводниците съответства на уравнението:
Устойчивост на разпръскване на два контактуващи кристала:
къдетоdе диаметърът на точковия контакт,Bе коефициентът на температурна чувствителност на повърхностните слоеве на кристала.
Тогава статичното съпротивление на варистора, състоящ се отNпаралелно свързани вериги, имащи своя редN' последователно свързани контактни кристали:
Уравнение на топлинния баланс заактивни области на варистора:
,
къдетоНе коефициентът на разсейване на активните области,Те температурата на активните области,Т
VAC може да бъде приблизително представен чрез уравненията:
къдетоU,Iса варисторно напрежение и ток,C,B,
Параметри и характеристики на силициево-карбидните варистори
Коефициентът на нелинейност
IV характеристика на варистора в двойна логаритмична скала (фиг. 3):
lgU=
ВГРАДЕТЕ Word.Picture.8
Ориз. 3. VAC на варистор в двойна логаритмична скала
Коефициентът на нелинейност в този случай ще бъде числено равен на котангенса на ъгъла на наклон на характеристиката спрямо текущата ос:
За да изчислите зависимостта на съпротивлението на варистора от протичащия през него ток или приложеното напрежение, използвайте връзката:
Понякога при практически изчисления е неудобно да се използват аналитичните изрази за CVC. В този случай, в доста широк диапазон на напрежение, можете да използвате емпиричното уравнение:
където
Тогава коефициентът на нелинейност β иконстантата B ще приеме следната форма:
,.
Изчислените зависимости на β от външното напрежение са показани на фиг. 4.
Ориз. 4. Изчислена зависимост на коефициента на нелинейност от напрежението при различни температури (V = 600 K)