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.