книги из ГПНТБ / Шефтель И.Т. Терморезисторы. Электропроводность 3[[i]]d[[ i]]-окислов. Параметры, характеристики и области применения
.pdf
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ИПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
И.Т. ШЕФТЕЛЬ
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ Зй-ОКИСЛОВ ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
М O.G К В А 19 73
531.9 Ш 53
У Д К 537.311.33
V |
Терморезисторы, И. |
Т. Ш е ф т е л ь. Моногра |
|
|
фия. Главная |
редакция |
физико-математической лите |
|
ратуры изд-ва |
«Наука», |
1973. |
Книга посвящена терморезисторам — полупровод никовым резисторам с сильной зависимостью величины сопротивления от температуры.
В ее первой части обсуждаются электрические свойства и кристаллическая структура ряда окислов переходных металлов, а также физические и фпзикохимические основы технологии изготовления различ ных типов терморезисторов. Во второй части рассмат риваются основные параметры, характеристики и конструкции современных промышленных типов термо резисторов с отрицательным и положительным темпе ратурным коэффициентом сопротивления, а также примеры их практического использования.
Рисунков 164, таблиц 25, библиография 497.
©Издательство «Наука», 1973 г.
л/ |
Гсс. |
'щ'чная |
|
науи. |
-•екая |
|
Си--- |
ОР |
|
ЧИТА J.... |
ОГО ЭЛЛА |
0236-1848 1 2 8 , 7 3
ш044(02)-73
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие |
|
|
7 |
|
Введение |
|
|
|
9 |
Г л а в а |
I . Модельные представления о механизме электро |
|
||
|
проводности |
3d-окислов |
|
13 |
§ |
1.1. Предварительные замечания |
13 |
||
§ 1.2. Некоторые |
кристаллографические и физичес |
|
||
|
кие свойства шпинелей |
|
15 |
|
§ |
1.3. Основные |
представления |
электростатической |
|
|
теории кристаллического |
поля |
23 |
|
§1.4. Модельные представления о механизме электро проводности Зй-окислов и способы получения
оксидных полупроводников с заданной вели
чиной |
удельного сопротивления |
30 |
Г л а в а I I . Феноменологическая теория |
электропровод |
|
ности |
3d-окислов |
45 |
§2.1. Энергетический спектр валентных электронов в Зй-окислах в рамках представлений «меха
низма перескоков» |
45 |
§ 2.2. Некоторые вопросы статистики электронов в |
|
Зй-окислах |
50 |
§ 2.3. Основные представления механизма переско |
|
ков |
57 |
§ 2.4. Некоторые результаты квантовомеханической |
|
теории электропроводности в Зй-окислах . . . |
69 |
§ 2.5. Об электрических свойствах чистых и легиро |
|
ванных окислов типа N i O |
76 |
Г л а в а I I I . Фазовое равновесие в системах окислов мар
|
ганца, |
кобальта, никеля и меди |
91 |
|
§ 3.1. |
Введение |
|
|
91 |
§ 3.2. |
Система |
СиО — МпО — |
0 2 |
95 |
§ 3.3. |
Система |
СоО — МаО — |
0 2 |
101 |
§ 3.4. |
Система |
N i O — МпО — |
0 2 |
106 |
§ 3.5. |
Система |
СоО — N i O — |
0 2 |
111 |
§ 3.6. |
Система |
СоО — СиО — |
0 2 |
114 |
1*
4 |
|
|
|
ОГЛАВЛЕНИЙ |
|
|
|
|
|
|||
§ 3.7. Система |
N i O — |
CuO — |
0 3 |
|
|
|
|
117 |
||||
§ |
3.8. Тройные системы окислов марганца, кобальта, |
|||||||||||
|
никеля |
и |
меди |
|
|
|
|
|
|
|
119 |
|
Г л а в а |
I V . Электропроводность |
полупроводников |
в |
сис |
||||||||
|
темах окислов марганца, кобальта, никеля и |
|||||||||||
|
медп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
125 |
§ 4.1. Электропроводность как функция катиоиного |
||||||||||||
|
состава |
полупроводников |
|
|
|
|
125 |
|||||
|
4.1.1. Двойные |
системы |
окислов |
Мп, |
Со, |
N i |
||||||
|
и Си (125). |
4.1.2. Тройные системы окислов Мп, |
||||||||||
|
Со, N i |
и |
Си |
(139) |
|
|
|
|
|
|
||
§ 4.2. Роль |
полнкристалличности |
в |
электропровод |
|||||||||
|
ности |
полупроводников |
|
|
|
|
|
151 |
||||
§ 4.3. Электропроводность и термо-э.д.с. в системах |
||||||||||||
|
окислов |
марганца, |
кобальта, |
никеля |
и меди. 159 |
|||||||
§ 4.4. Электропроводность |
и |
валентные |
состояния |
|||||||||
|
катионов в системах окислов марганца, ко |
|||||||||||
|
бальта, |
никеля |
и |
меди |
|
|
|
|
171 |
|||
Г л а в а |
V . Повторная термообработка как |
способ |
регули |
|||||||||
|
рования электропроводности |
полупроводников |
||||||||||
|
в системах окислов марганца, кобальта, никеля |
|||||||||||
|
и меди |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
193 |
|
§ 5.1. Термическая устойчивость «марганцевых» по |
||||||||||||
|
лупроводников |
в вакууме |
|
|
|
|
193 |
|||||
§5.2. Зависимость электропроводности «марганце вых» полупроводников от изменений кристал
|
лической |
структуры |
|
|
|
|
200 |
||
§ 5.3. Поверхностное окисление |
зерен и его роль в |
|
|||||||
|
электропроводности |
«марганцевых» полупро |
|
||||||
|
водников |
|
|
|
|
|
|
204 |
|
§ |
5.4. Влияние |
термообработки |
на |
электропровод |
|
||||
|
ность |
«безмарганцевых» |
полупроводников. |
217 |
|||||
Г л а в а |
V I . Полупроводниковые |
твердые |
растворы на |
ос |
|
||||
|
нове |
титаната |
бария |
|
|
|
229 |
||
§ 6.1. Предварительные |
замечания |
|
|
229 |
|||||
§ 6.2. Зависимость электропроводности от концентра |
|
||||||||
|
ции легирующей |
добавки |
|
|
|
232 |
|||
§ |
6.3. Электропроводность |
полупроводниковых |
ти- |
|
|||||
|
танатов |
бария |
|
|
|
|
|
240 |
|
§6.4. Электропроводность полупроводниковых твер дых растворов на основе титаната бария в об ласти сегнето-параэлектрического фазового пе
рехода |
251 |
Г л а в а V I I . Основы технологии изготовления |
терморе |
зисторов |
265 |
§ 7.1. Основные требования, предъявляемые |
к полу |
проводниковым материалам |
265 |
|
|
|
|
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ- |
|
|
|
|
|
|
5 |
||||
|
§ 7.2. Основы технологии изготовления терморезис |
|
|||||||||||||||
|
торов с отрицательным температурным коэф |
|
|||||||||||||||
|
фициентом сопротивления на основе смесей |
|
|||||||||||||||
|
окислов |
Mn, |
Go, |
Ni и |
Си |
|
|
|
|
|
266 |
||||||
§ 7.3. Особенности |
технологического |
процесса |
из |
|
|||||||||||||
|
готовления |
позисторов |
|
|
|
|
|
|
|
274 |
|||||||
Г л а в а |
V I I I . |
Основные параметры и характеристики |
тер |
|
|||||||||||||
|
|
морезисторов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
277 |
|||||
§ 8.1. Основные параметры терморезисторов |
. . . . |
278 |
|||||||||||||||
§ 8.2. Температурная |
зависимость |
сопротивления . |
280 |
||||||||||||||
§ 8.3. Статические |
вольт-амперные |
характеристики. |
284 |
||||||||||||||
§ 8.4. Динамические |
характеристики |
|
|
|
|
300 |
|||||||||||
Г л а в а |
I X . Терморезисторы в совремевной технике . . . |
303 |
|||||||||||||||
§ 9.1. Основные |
принципы работы |
терморезисторов |
|
||||||||||||||
|
в |
схемах |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
303 |
||
§ 9.2. Малые нагрузки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
305 |
|||||||
|
9.2.1. Измерение и регулирование |
темпера |
|
||||||||||||||
|
тур |
(305). |
9.2.2. |
Температурная |
компенсация |
|
|||||||||||
|
(309). 9.2.3. |
Температурная |
стабилизация |
|
|||||||||||||
|
транзисторных усилительных устройств |
(311). |
|
||||||||||||||
|
9.2.4. Тепловая |
защита |
электродвигателей |
|
|||||||||||||
|
(312) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 9.3. Большие |
|
нагрузки |
|
|
|
|
|
|
|
313 |
||||||
|
9.3.1. Схемы автоматического регулирования и |
|
|||||||||||||||
|
сигнализации, основанные на релейном |
эффек |
|
||||||||||||||
|
те (313). 9.3.2. Стабилизация напряжения (319). |
|
|||||||||||||||
|
9.3.3. Саморегулирующиеся позисторные термо |
|
|||||||||||||||
|
статы (320). 9.3.4. Пусковые устройства на ос |
|
|||||||||||||||
|
нове |
терморезисторов |
(325). 9.3.5. |
Измерение |
|
||||||||||||
|
мощности |
на |
ультравысокой |
частоте |
(326). |
|
|||||||||||
|
9.3.6. Позистор в схеме размагничивания ки |
|
|||||||||||||||
|
нескопов цветных телевизоров (327). 9.3.7. |
|
|||||||||||||||
|
Автоколебания в цепях позистора и терморе |
|
|||||||||||||||
|
зистора с отрицательным температурным коэф |
|
|||||||||||||||
|
фициентом |
|
сопротивления |
(328). |
|
|
|
|
|
||||||||
§ |
9.4. Терморезисторы с косвенным |
подогревом . . |
331 |
||||||||||||||
|
9.4.1. |
Основные электрические статические ха |
|
||||||||||||||
|
рактеристики |
и |
параметры |
терморезисторов |
|
||||||||||||
|
с |
косвенным |
подогревом (331). 9.4.2. |
Пере |
|
||||||||||||
|
менные |
резисторы |
без |
скользящего |
контакта |
|
|||||||||||
|
с |
дистанционным |
управлением |
(333). |
9.4.3. |
|
|||||||||||
|
Измерение скоростей газов и жидкостей (335). |
|
|||||||||||||||
Г л а в а |
X . Промышленные |
типы терморезисторов |
. . . . |
338 |
|||||||||||||
§ |
10.1. Терморезисторы для измерения температур и |
|
|||||||||||||||
|
теплового |
контроля |
|
|
|
|
|
|
|
339 |
|||||||
|
10.1.1. Терморезисторы |
с отрицательным |
тем- |
|
|||||||||||||
6 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
|||
|
пературным коэффициентом сопротивления |
на |
|
||||
|
средние |
рабочие температуры (339). 10.1.2. |
|
||||
|
Низкотемпературные |
и |
высокотемпературные |
|
|||
|
терморезисторы |
(360) |
10.1.3. Позисторы (367), |
|
|||
|
10.1.4. Некоторые новые направления в раз |
|
|||||
|
работке |
терморезисторов |
(371) |
|
|
||
§ |
10.2. Термокомпенсаторы |
|
|
|
374 |
||
§ |
10.3. Стабилизаторы |
напряжения |
|
377 |
|||
§ |
10.4. Терморезисторы для |
автостабшшзирующихся |
|
||||
|
полупроводниковых термостатов |
, . |
381 |
||||
§ 10.5. Пусковые терморезисторы |
|
386 |
|||||
§ 10.6. Измерители мощности |
|
|
|
387 |
|||
§ 10.7. Терморезисторы с косвенным подогревом |
. . |
390 |
|||||
Заключение |
|
|
|
|
|
395 |
|
Литература |
|
|
|
|
|
397 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Среди многочисленных полупроводниковых приборов, используемых в настоящее время, видное место принад лежит терморезисторам — нелинейным полупровод никовым резисторам, отличительной особенностью ко торых является значительная зависимость величины их электрического сопротивления от температуры. Термо резисторы применяются в самых различных областях техники и науки для решения огромного числа разнооб разных задач и стали одними из незаменимых и широко использующихся полупроводниковых приборов.
Современные типы терморезисторов изготавливаются из многих полупроводниковых материалов. Для этой цели применяются легированные германий и кремний,
карбид кремния, полупроводники из группы |
A n i B v , |
|
полупроводящие стекла и |
другие материалы. |
Однако |
подавляющее большинство |
наиболее распространенных |
|
промышленных типов терморезисторов во всех странах созданы на основе окислов переходных металлов с непол ностью заполненной Зй-электронной оболочкой (Зй-окис- лов). Они обладают широким разнообразием электри ческих свойств, позволивших разработать терморезис торы с самым различным характером температурной зависимости сопротивления. Физико-химические особен ности этих материалов дали возможность решить проблему
получения |
полупроводников с требующимся комплек |
сом свойств |
и характеристике |
В связи со сказанным в книге рассматриваются физи ческие и физико-химические основы управляемой и вос производимой технологии изготовления терморезисторов, в основе которых лежат различные системы Зй-окислов. Предварительно, как правило, в хронологической по следовательности дается краткий обзор основных иссле дований, посвященных механизму проводимости в 3d-
8 |
ПРЕДИСЛОВИЕ |
окислах. Хотя к моменту выхода книги этот обзор безу словно устареет, нам представляется, что такое изложе ние должпо облегчить понимание основных физических идей, развивающихся в последние годы по электропровод ности 3<2-окислов. Далее обсуждается электропроводность
икристаллическая структура сложных систем окислов переходных металлов, применяющихся для изготовления наиболее распространенных промышленных типов термо резисторов. Указанным вопросам посвящены первые шесть глав монографии.
Впоследующих главах обсуждаются параметры, ха рактеристики и, кратко, наиболее интересные области применения промышленных типов терморезисторов. Основное внимание уделяется отечественным типам этих изделий. Рассматриваются только наиболее существенные вопросы, относящиеся к расчету схем с терморезисторами
ик областям их применения, так как указанным пробле
мам посвящен ряд специальных монографий, изданных
вСССР в последние 10—15 лет.
Можно надеяться, что книга будет способствовать ознакомлению широких кругов инженерно-технических работников, разрабатывающих и применяющих полу проводниковые приборы, с характеристиками и парамет рами промышленных типов терморезисторов и что она будет не только стимулировать дальнейшее развитие при менения терморезисторов, не и поможет созданию новых, еще более совершенных типов этих приборов.
Сознавая, что данная монография, являющаяся первой попыткой систематизации исследований, посвященных разработке оксидных терморезисторов, не лишена ряда недостатков, автор будет благодарен читателям за крити ческие замечания.
Автор искренне признателен Я. В. Павлоцкому,
Г. Н. Текстер-Проскуряковой, |
М- В. Рождественской |
и |
|
Б. Б. Лейкиной за просмотр |
отдельных |
глав книги |
и |
ряд полезных замечаний,а также P . M . Овруцкойза данные |
|||
по рентгенозпектральному исследованию |
ряда шпинелей. |
||
Автор
ВВЕДЕНИЕ
. ' Полупроводниковые термочувствительные резисторы получили в СССР, в соответствии с ГОСТом № 10688—63, наименование терморезисторов (TP) вместо ранее приме нявшегося термина «термосопротивление». В зарубеж ной, а иногда и в отечественной литературе их называют также термисторами (от английского названия ethermally
sensitive resistors). Первыми были разработаны |
T P |
с отрицательным температурным коэффициентом |
со |
противления (ТКС), которые получили наибольшее рас
пространение. В последние годы были |
созданы |
T P с по |
ложительным Т К С |
|
|
Терморезисторы — одни из самых |
простых |
полупро |
водниковых приборов. Простота их устройства в соче тании с нелинейной резко выраженной зависимостью величины сопротивления от температуры (при отрица тельном или положительном знаке ТКС) привела к широ кому использованию ТР. В автоматике и телемеханике, термометрии, электронике, электротехнике, электро приборостроении, телефонии и телеграфии терморезисторы применяются для решения самых различных технических задач. На основе T P разработаны простые и надежные системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температур, противопожарной сигна лизации и теплового контроля машин, механизмов и любых [других объектов, -созданы—Gx-емн-температурнои- компенсации ряда - элементов. элеж.рияеской^_--цепи7 -