REZYSTORY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Półprzewodniki, jako materiały o wartości rezystywności pośredniej między metalami i dielektrykami, są wykorzystywane do budowy różnych rezystorów. Do powszechnie obecnie stosowanych rezystorów półprzewodnikowych zalicza się termi-story i fotorezystory, W przyszłości takie zastosowanie niewątpliwie znajdą piezore-zystory (tensometry półprzewodnikowe). W przeszłości, w grupie szeroko stosowanych rezystorów półprzewodnikowych, były również warystory. Interesujące właściwości dla wielu zastosowań mają gausotrony.
TERMISTORY
Termistorami nazywamy półprzewodnikowe rezystory odznaczające się bardzo silną zależnością rezystancji od temperatury. Rozróżnia się termistory o rezystancji malejącej ze wzrostem temperatury, a więc o ujemnym temperaturowym współczynniku rezystancji tzw. termistory NTC, o rezystancji malejącej skokowo tzw. termistory CTR oraz o rezystancji wzrastającej ze wzrostem temperatury tzw. termistory PZC lub pozystory.
Typowe zależności rezystancji wymienionych trzech rodzajów termistorów od

temperatury przedstawiono na rys. 2.1, a na rys. 2.2 podano typowe przebiegi ich charakterystyk prądowo-napięciowych.
Powszechne zastosowanie mają obecnie termistory NTC. Pozostałe rodzaje termistorów nie znalazły jeszcze masowego zastosowania, niemniej można przewidywać ich stopniowe upowszechnianie wraz z polepszeniem stabilności i innych parametrów techniczno-ekonomicznych. Już obecnie termistory PTC znajdują zastosowanie jako ograniczniki prądu.
Termistory NTC wytwarza się zwykle z mieszaniny proszków tlenków manganu, kobaltu, niklu i miedzi. Proszki te w połączeniu ze specjalnym spoiwem dają tworzywo, z którego formuje się rezystory o wymaganym kształcie i wymiarach, a następnie spieka w odpowiedniej temperaturze. Proszki mogą być również prasowane w odpowiednich formach przed spiekaniem.
Inne termistory wykonuje się w podobnym procesie technologicznym, z tym zastrzeżeniem, że termistory CTR wytwarza się przede wszystkim z domieszkowanego tlenku wanadu, a termistory PTC z domieszkowanego tytanianu baru.
Na rys. 2.3 podano przykłady kilku typowych konstrukcji termistorów. Są to termistory tabletkowe i perełkowe. Termistory tabletkowe (rys. 2.3a, b) mają obszar

roboczy w formie zbliżonej do okrągłej lub prostokątnej tabletki. Doprowadzenia prądowe są wykonane z miedzianych drutów, które są przylutowane do powierzchni czołowych tabletki. Fragmenty powierzchni czołowych tabletki termistorowej są przed lutowaniem posrebrzane w celu zapewnienia dobrego kontaktu elektrycznego z tworzywem termistorowym i dobrej lutowalności.
W wersji rys. 2.3b jednym doprowadzeniem jest płytka miedziana z czterema otworkami do przykręcenia termistora do obiektu, którego temperatura ma być śledzona.
Termistory perełkowe (rys. 2.3c, d, e) mają obszar roboczy wykonany w postaci kuleczki o średnicy mniejszej od l mm. Perełka ta jest zatopiona w rurce szklanej (d) lub wmontowana w rurkę teflonową względnie metalową (e). W perełce są zaprasowane dwa druciki platynowe lub platynowo-irydowe o średnicy 25-^50 [zm. Druciki te są zgrzane z drutami miedzianymi o średnicy 0,3 -=-0,4 mm, wystającymi poza rurkę i stanowiącymi doprowadzenia prądowe do termistora.
Termistory tabletkowe są pokryte lakierem, perełkowe zaś są izolowane od wpływów zewnętrznych warstwą szkła względnie korpusem teflonowym lub metalowym.
Konstrukcje termistorów są dostosowane przede wszystkim do typowych warunków pomiaru temperatury. Mogą one być oczywiście wykorzystywane nie tylko do pomiaru temperatury, lecz również do pomiaru mocy b.w.cz., natężenia promieniowania podczerwonego oraz jako zmienne rezystory, czujniki w układach automatycznej regulacji itp.
Przestrzeń robocza termistorów ma strukturę polikrystaliczną, ziarnistą, ze znaczną liczbą por i mikroszczelin pomiędzy ziarnami. Dlatego o rezystancji tych elementów decydują zarówno rezystywność poszczególnych ziaren monokrystalicz-nych, jak i zjawiska kontaktowe na granicy ziaren.
Rezystancja termistorów NTC może być opisana wzorem

Pochodna logarytmiczna rezystancji termistora względem temperatury jest traktowana jako jeden z głównych parametrów, zwany temperaturowym współczynnikiem rezystancji

Współczynnik ten jest zwykle o dwa rzędy wielkości większy od współczynnika temperaturowego rezystancji metali, gdyż przy temperaturze pokojowej mieści się w granicach -2,8 -f- -6%/°C. Ta właściwość termistorów NTC jest główną przyczyną ich szerokiego upowszechnienia. Rezystancja termistora jest funkcją jego temperatury własnej. Temperatura ta jest zwykle wyższa od temperatury otoczenia. Różnica temperatur w pierwszym przybliżeniu może być określona za pomocą cieplnego prawa Ohma (wzór (1.83)). Moc występująca w tym wyrażeniu jest całkowitą mocą wydzielaną w termistorze, a więc sumą mocy elektrycznej prądu stałego, prądu zmiennego (np. b.w.cz. przy pomiarze mocy mikrofalowej), mocy napromieniowania termistora (np. podczerwienią) i w niektórych termistorach mocy radiacji oraz konwekcji cieplnej od grzejnika. Całkowita moc wydzielana w termistorze nie powinna oczywiście spowodować przekroczenia maksymalnej dopuszczalnej temperatury termistora. Wartość tego parametru jest zwykle podawana dla przypadku pracy termistora w temperaturze pokojowej, w przeciętnych (typowych) warunkach oddawania ciepła do otoczenia. Maleje ona ze wzrostem temperatury otoczenia, a gdy otoczenie osiąga maksymalną dopuszczał” na temperaturę, termistor może pracować jedynie bez wydzielania w nim mocy. Współczynnikiem proporcjonalności pomiędzy temperaturą termistora i mocą w nim wydzieloną jest rezystancja termiczna (Rth\ Zamiast tej rezystancji w opisach termistorów często stosuje się wielkość odwrotną, zwaną współczynnikiem strat Uwzględniając (1.83) w (2.1) można przedstawić wzór na rezystancję termistora przy stałej temperaturze otoczenia (Tamb) jako funkcję mocy wydzielonej w nim

Jak widać, rezystancja termistora NTC jest podobnie opadającą funkcją mocy wydzielaŹnej w nim, jak i temperatury. Charakterystyka prądowo-napięciowa termistora ma przebieg zależny od temperatury i cieplnych warunków pracy. W warunkach izotermicznych, tzn. gdy temperatura termistora jest stała w całym zakresie zmian napięć doprowadzanych

do termistora i całym zakresie jego prądów, charakterystyka jest liniowa, a jej nachylenie zależy od temperatury. W realnych warunkach pomiaru charakterystyki przy wzroście napięcia wzrasta temperatura termistora, gdyż wzrostowi napięcia towarzyszy wzrost prądu i mocy wydzielonej w termistorze. Dlatego charakterystyka prądowo–napięciowa termistora w realnych warunkach pracy jest nieliniowa (rys. 2.4).

Po przekroczeniu punktu szczytowego charakterystyki termistor wykazuje ujemną rezystancję dynamiczną, co przejawia się zmniejszeniem spadku napięcia pomimo wzrostu prądu. Ta właściwość pozwala wykorzystywać termistor NTC jako element czynny, m.in. do generacji drgań o bardzo małych częstotliwościach.

FOTOREZYSTORY
PIEZOREZYSTORY.
TENSOMETRY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Jedną z wielu właściwości półprzewodników jest piezorezystywność. Przejawia się ona zmianami rezystywności pod wpływem naprężeń lub deformacji mechanicznych. Właściwość tę mają wszystkie ciała stałe przewodzące elektryczność, lecz w półprzewodnikach jest ona najbardziej intensywna. Wartość zmian rezystywności półprzewodników przewyższa w wielu przypadkach ponad 100krotnie zmiany obserwowane w metalach. Dzięki temu półprzewodniki, a zwłaszcza krzem, stosuje się do budowy tensometrów i innych czujników mechanoelektrycznych, w których zasadniczą funkcję spełniają piezorezystory, tj. rezystory, których rezystancja zmienia się pod wpływem naprężeń (deformacji) mechanicznych.

Przestrzeń robocza ternsometru krzemowego jest wycięta z monokryształu krzemu domieszkowanego w postaci pręcika o wymiarach ok. 50^100 [xm x 200^300 [Am x5=12 mm. Do obu końców pręcika zgrzane są metaliczne doprowadzenia prądowe.
Pręcik z doprowadzeniami może już stanowić wyrób gotowy. Często jednak, w celu ułatwienia posługiwania się tensometrem, pręcik jest wklejony pomiędzy dwie cienkie folie z żywicy fenoloformaldehydowej lub o podobnych właściwościach (podkładkanakładka).
W celu wykorzystania tensometru przykleja się go zwykle na powierzchnię części maszyny, konstrukcji metalowej lub specjalnego elementu sprężystego przetwornika mechanoelektrycznego. Przez skleinę deformacje podłoża przenoszą się na tensometr powodując wydłużenie lub skrócenie pręcika krzemowego. W efekcie uzyskuje
się zmiany rezystancji pręcika, które stanowią sygnał wyjściowy czujnika tensometrycznego.
W typowym zakresie pracy tensometrów krzemowych, który obejmuje wydłużenie pręcika nie większe od + 2%0, zmiany rezystancji tensometru są wprost proporcjonalne do wydłużenia, co zapisujemy równaniem

gdzie:
jR0  rezystancja tensometru w stanie wolnym od naprężeń (rezystancja początkowa),
e wydłużenie podłoża,
k  stała tensometryczna.
Rezystancja początkowa (R0) tensometrów krzemowych zwykle mieści się w granicach od 120 do 600, a ich stała tensometryczna (k)  w granicach od +120 do 120. Znak stałej tensometrycznej jest zależny od typu przewodnictwa materiału półprzewodnikowego. Tensometry wykonane z pSi mają dodatnią stałą tensometryczna, wykonane zaś z nSi ujemną.
PODSTAWOWE ZASTOSOWANIA TERMISTORÓW I TENSOMETRÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH PoPodstawowym zastosowaniem termistorów jest przetwarzanie temperatury i wielkości pokrewnych na wielkości elektryczne, a podstawowym zastosowaniem tensometrów półprzewodnikowych  przetwarzania deformacji (naprężeń) i wielkości pokrewnych na wielkości elektryczne. Najczęściej stosowanym układem pracy rezystora półprzewodnikowego w wymienionych wyżej zastosowaniach jest mostek Wheatstone’a. Mostek jest zasilany napięciem stałym w jednej przekątnej, z drugiej zaś odbiera się sygnał wyjściowy proporcjonalny do temperatury termistora lub wydłużenia tensometru. W skład mostka wchodzą cztery rezystory, przy tym w mostku termistorowym jeden lub dwa termistory, a w mostku tensometrycznym dwa lub cztery tensometry. W przykładowych mostkach na rys. 2.7 podano wariant z jednym termistorem (a)

i z dwoma tensometrami (b). W mostku tensometrycznym z dwoma tensometrami zawsze jeden z tensometrów odgrywa rolę kompensującego wpływu temperatury. W mostkach tensometrycznych z czterema tensometrami natomiast zawsze dwa tenso metry spełniają funkcję kompensujących wpływ temperatury. Stosowanie tensometrów kompensujących wpływ temperatury jest zwykle konieczne, gdyż temperaturowy współczynnik rezystancji tensometru półprzewodnikowego jest z reguły na tyle duży, że sygnał wyjściowy mostka bez tensometru kompensującego zawierałby zbyt dużą składową od zmian temperatury, które na ogół występują w czasie przetwarzania deformacji. Kompensacja wpływu temperatury na tensometry półprzewodnikowe jest ważna również dlatego, że przetwarzane deformacje są zwykle bardzo małe i składowa sygnału mostka proporcjonalna do deformacji może być często tego samego rzędu co składowa od bardzo dużych zmian temperatury. Sygnał wyjściowy mostka z termistorem (rys. 2.7a) może być wyrażony wzorem

Dobierając R! = R2 = R3 = Rto, gdzie Rto jest rezystancją termistora w temperaturze t0, uzyskuje się w temperaturze t0 zerową wartość napięcia wyjściowego U. Dla wyższych temperatur, w związku z maleniem wartości rezystancji termistora, potencjał punktu A mostka będzie wzrastał, a wraz z nim będzie wzrastało napięcie wyjściowe mostka. Sygnał wyjściowy mostka tensometrycznego z rys. 2.7b może być opisany wzorem analogicznym do (2.9)

We wzorze tym uzależniamy rezystancję tensometru czynnego Rc zarówno od deformacji, jak i temperatury, natomiast rezystancję tensometru kompensacyjnego Rk uzależniamy wyłącznie od temperatury, gdyż tensometr kompensacyjny instalujemy z reguły tak, że jest on poddany działaniu tych samych temperatur co i tensometr czynny, a nie jest poddany deformacjom mechanicznym. Tensometr czynny i kompensacyjny dobiera się specjalnie ze względu na identyczność wpływu temperatury na ich rezystancję w całym zakresie spodziewanych deformacji, niezależnie od wartości deformacji. Ponadto tensometry i rezystory dobiera się zwykle w ten sposób, by przy e = O zachodziła równość Rc = Rk = ^ = R2.

gdzie k jest stałą tensometryczną. W mostku z elementami dobranymi według powyższych wskazówek sygnał wyjściowy można w pierwszym przybliżeniu opisać wzorem