8.1.1.      Принцип действия термисторов

Термистор – это полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопро­тивления) может быть вызвано разными причинами:

1) увеличе­нием концентрации носителей заряда;

2) увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью;

3) фазовыми превращениями полупроводникового материала.

1. Увеличе­нием концентрации носителей заряда характерно для термисторов, изготовлен­ных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремния, германия, карбида кремния, соединений типа АIIIBV и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэф­фициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси иони­зированы, а также в диапазоне температур собственной электро­проводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и в другом случае сопротивление полупро­водника зависит в основном от изменения концентрации но­сителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.

В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению

,                                                       (8.1)

где  – ко­эффициент, зависящий от материала и размеров термистора;коэффициент температурной чувствительности. При неполной ионизации примесей и отсутствии компенсации:

,

где  – энергия ионизации примесей (доноров или акцепто­ров).

Для скомпенсированного полупроводника при неполной иони­зации примесей

.                                                        (8.2)

При собственной электропроводности

,                                                   (8.3)

где  – ширина запрещенной зоны полупроводника.

1. Основная часть термисторов, выпускаемых промышленно­стью, изготовлена из оксидных полупроводников – оксидов ме­таллов переходной группы таблицы Д.И. Менделеева (от титана до цинка). Такие термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, т.е. путем обжига заготовок при высокой температуре.

Электропроводность оксидных полупроводников с преоблада­ющей ионной связью отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы ха­рактерны наличие незаполненных электронных оболочек и пере­менная валентность. В результате, при образовании оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехио­метрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказы­ваются ионы с разными зарядами.

Электропроводность таких материалов объясняется обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, экспонен­циально уменьшается с увеличением температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронами между ионами температурная зависимость сопротивления термистора из оксидного полупроводника имеет такой же характер, как и у термисто­ров из ковалентных полупроводников (8.1), но коэффи­циент температурной чувствительности отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.

2. В оксидах ванадия V2 O4 и V2
O3 при температуре фазовых превращений (68 и  -110 °С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрица­тельным температурным коэффициентом сопротивления в диапа­зоне температур, соответствующих фазовому превращению.