Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕЗИСТОРОВ
Редактор Л. А. Романова
Обложка художника Ю. В. ЛьвоваХудожественный редактор Т. М. СкворцоваТехнический редактор Н. В. Яшукова
Корректор М. И. Козлова
Т-03068. Сдано в набор 28/IX—71 г. Подл, к печати 24/111—72 г.
Формат 60X90/16. Объем 19,5 печ. л. Уч.-нзд. л. 19,01.
Изд. № ЭР-91.Тираж 17 000 экз.Цена 91 коп.
План выпуска литературы для вузов и техникумовизд-ва «Высшая школа» на 1972 г. Позиция № 99.
Москва, К-51, Неглиниая ул., д. 29/14,Издательство «Высшад школа»
Московская типография № 8 ГлавполиграфпромаКомитета по печати при Совете Министров СССР,Хохловский пер., 7. Зак. 3757.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Интенсивное развитие современной электроники, расширение производства радиокомпонентов — одно из самых важных и характерных явлений технического прогресса второй половины XX века.
За последнее десятилетие отечественная электроника благодаря повседневной заботе и вниманию со стороны Коммуни- 5 стической партии и Правительства превратилась в высокоразвитую отрасль промышленности с большим числом заводов, научно-производственных объединений и конструкторских бюро.
В отчетном докладе ЦК КПСС XXIV съезду Коммунистической партии Советского Союза Генеральный секретарь ЦК тов. Л. И. Брежнев подчеркнул: «И .впредь быстрыми темпами будут развиваться электроника, радиопромышленность, приборостроение, то есть весь комплекс отраслей, создающих техническую базу для автоматизации производства и управления. Этот комплекс по праву может быть назван катализатором научно- технического прогресса».
Производство электронных ламп, транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. п. приобрело в последнее десятилетие - массовый характер. При этом к числу наиболее массовых изделий электронной техники принадлежат резисторы.
Наряду с многочисленными изданиями по конструированию и технологии производства транзисторов, диодов, тиристоров и т. in., совершенно недостаточно опубликовано аналогичных работ, посвященных резисторам.
^Данное учебное пособие является первой попыткой обобщения имеющегося материала по технологии и производству резисторов. В основу настоящей книги
легли работы авторов, выполненные и опубликованные с 1960 по 1972 гг. [4—6, 20—28, 40, 41]. Значительная часть из них посвящена теоретическим и технологическим вопросам конструирования переменных резисторов с линейными и нелинейными функциональными характеристиками и постоянных полупроводниковых резисторов. В учебном пособии отражены результаты исследований, выполненных авторами по конструированию полупроводниковых объемных резисторов (первых в нашей стране), терморезисторов, позисторов и бесконтактных регулируемых резисторов на основе кремния и германия.
Введение, гл. 2, 5 и 8 книги написаны проф. Мартюшовым К . И., остальные главы — доц. Зайцевым Ю. В.
Авторы считают своей приятной обязанностью выразить глубокую благодарность проф. Пасынкову В. В., проф. Некрасову М. М., доц. Окуневу Ю. Т., доц. Чиркину Л. К., дон. Кобцеву Ю. Д. за внимание и.интерес к данному учебному пособию, за ценные замечания и пожелания.
Глубокую признательность авторы выражают руководству и всему коллективу конструкторского бюро Московского завода радиодеталей за неизменно дружеское участие и помощь в работе на протяжении многих лет, а также руководству Опытного ' завода ВЭИ им. В. И. Ленина.
Пожелания и замечания по книге просьба направлять по адресу: Москва, К-51, Неглинная, 29/14, издательство «Высшая школа». ,
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Термин «резистор» введен Государственным Комитетом стандартов, мер и измерительных приборов в 1962 г. для обозначения электрического сопротивления как изделия. Термин «сопротивление» стал означать только физическое свойство изделия.
Технология производства резистора состоит из десятков отдельных операций, обеспечивающих в совокупности определенные параметры изделия.
За последние годы закончен целый ряд разработок, в результате чего в значительной степени повышено качество резисторов, для проводящих элементов стали использоваться тонкие пленки из таких материалов, как тантал, титан, карбиды и нитриды металлов, нихром, кремний и т. д.
Большая работа проведена по снижению габаритов и повышению термостойкости резисторов, повышению их надежности, разработаны более совершенные методы определения параметров резисторов, а для ряда изделий ускоренные методы испытаний.
В директивах XXIV съезда КПСС по Пятилетнему плану развития народного хозяйства на 1971—1975 гг. поставлены задачи максимальной унификации деталей машин, узлов и типизации технологических процессов. В соответствии с этим осуществляются работы по унификации конструкций резисторов, типизации технологических процессов их производства.
§ В.1. КРАТКИЙ ОБЗОР
РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕЗИСТОРОВ
В начале XX века в электро- и радиосхемах использовались только проволочные резисторы.
Создание усилителей на электронных лампах обусловило потребность в постоянных и переменных' резисторах с большими номинальными сопротивлениями. Проволочные резисторы не могли быть использованы для этой цели, поскольку они имеют большие габариты, сравнительно высокую стоимость и плохие частотные характеристики. Это способствовало развитию непроволочных резисторов. Производство и применение непроволочных резисторов в электронной аппаратуре относится к 30-м годам текущего столетия и совпадает с периодом интенсивного развития производства электронных ламп. Проволочные же резисторы до начала 50-х годов выполнялись в основном как резисторы большой мощности и использовались в электротехнической и радиопередающей аппаратуре.
Постоянные резисторы
Производство постоянных композиционных резисторов было начато в 1934 г. на заводе «Мосэлектрик» под руководством Б. Е. Каминского.
В 1937 г. на основе лакосажевых пленок стали выпускать малогабаритные резисторы ТО. Одновременно большой группой ученых (В. М. Денисов, П. П. Ваганов и др.) проводились исследования по созданию непроволочных резисторов методом термического разложения углеводородов в вакууме при повышенной температуре.
В последующие годы (1946—1947 гг.) в результате работ М. М. Столярова и других были созданы высокостабильные углеродистые резисторы ВС, выпуск которых в настоящее время составляет 40—50% от общего выпуска постоянных резисторов.
Повышение требований к теплостойкости, стабильности, надежности отдельных элементов аппаратуры привело к созданию металлопленочных резисторов. Широкое применение в электронной 'аппаратуре нашли металлопленочные постоянные резисторы МЛТ, разработанные Б. А. Бочкаревым и В. А. Бочкаревой.
В конце 40-х годов под руководством Б. С. Гальперина были разработаны высоковольтные и высокоомные постоянные резисторы КЛМ, 1<ВМ, КЛВ для электрометрии и высоковольтной аппаратуры.
На протяжении многих лет советскими учеными проведена большая работа по созданию резисторов с объемным проводящим элементом, обладающих высокой перегрузочной способностью, стойких к воздействию вибрации и к ударным нагрузкам.
В 1950 г. группой инженеров под руководством И. Н. Мякишева была разработана серия объемных резисторов на неорганической связке.
В 1969 г. группе ученых и инженеров (М. А. Левитину, Н. А. Владиславлеву и др.) присуждена Государственная премия за внедрение автоматизированных линий по производству углеродистых резисторов.
Зарубежная технология производства непроволочных постоянных резисторов в ряде ведущих капиталистических стран (США, Англия) длительный период (1940—1960 гг.) ориентировалась на производство резисторов на основе' композиций. Углеродистые и металлопленочные резисторы применялись только в точной и специальной аппаратуре.
Переменные резисторы
В первых радиоприемниках наиболее распространенным способом регулировки громкости являлось изменение напряжения на экранных сетках ламп, усиливающих высокую частоту. Такое изменение напряжения удобнее всего было производить с помощью переменных резисторов с высоким номинальным значением сопротивления. Это в свою очередь обусловило -необходимость создания высокоомных переменных резисторов.
Производство переменных резисторов пленочного типа в 30-х го- v дах находилось в начальной стадии развития. Первые достаточно стабильные по параметрам переменные резисторы с пленочным проводящим элементом были разработаны под руководством Б. Е. Каминского на заводе им. Орджоникидзе. Получение проводящих и изолирующих материалов для этих резисторов осуществлялось на основе ранее разработанной технологии изготовления постоянных пленочных композиционных резисторов. Проводящий слой резистора, наносимый на изоляционное основание, состоял из сажи, смешанной с органической смолой. Особенностью технологии переменных резисторов являлась обработка проводящего слоя при довольно высоких температурах (около 670° К). Кроме того, в первых образцах переменных резисторов контакт ползунка с проводящим слоем осуществлялся через металлическую пластинку, препятствующую его истиранию.
Переменные резисторы, выпускаемые заводом им. Орджоникидзе, имели довольно ограниченный диапазон номинальных значений сопротивления (от 50 до 150 ком) и сравнительно большие габариты. Аналогичные переменные резисторы выпускал и завод «Радист».
Использование керамических материалов для изготовления изоляционных оснований себя не оправдало, поскольку процесс получения этих оснований был довольно длительным, а качество используемой керамики было невысоким. Кроме того, затруднялась автоматизация процесса нанесения проводящих пленок. Поэтому в качестве изоляционных оснований стали применять листовые слоистые пластики, из которых на специальных прессах можно выполнять элементы любой конфигурации. В конструкциях переменных резисторов ПСВ и НСВ, разработанных в конце 30-х годов, основным элементом уже являлась подковообразная заготовка из гети- накса.
Основными материалами для переменных резисторов были выбраны композиционные. Этому'в значительной мере способствовали . исследования М. М. Михайлова, П. П. Ваганова, И. Н. Мякишева, Б. Е. Каминского и многих других. Важным фактором явилось и то, что композиционные материалы имеют невысокую стоимость. Было показано, что наиболее приемлемыми компонентами композиций являются сажа и графит.
Многочисленные исследования свойств композиционных материалов на основе сажи и графита с различными связующими компонентами, проведенные Б. С. Гальпериным, Б. Е. Каминским, В. И. Оделевским и многими другими учеными и инженерами, легли в основу отечественной технологии производства композиционных резисторов пленочного типа.
К 1948 г. под руководством Б. Е. Каминского была разработана технология производства переменных композиционных резисторов СП, которые^ последующие годы стали основными среди выпускаемых в нашей стране переменных резисторов.
В 60-х годах на основе композиционных материалов разработа-
на серия переменных резисторов с номинальными сопротивлениями от 470 ом до 5—10 Мом.
Для разнообразной электронной аппаратуры требуются переменные резисторы с широким диапазоном сопротивлений — от долей ома до нескольких тераом. Особенно возросла потребность в низкоомных переменных резисторах в связи с интенсивным развитием полупроводниковой электроники и телевизионной техники.
В 1966—1968 гг. при участии авторов разработана технология получения металлопленочных переменных резисторов с низкими сопротивлениями (22—470 ом).
Новые типы переменных резисторов с объемным элементом на основе проводящих пластмасс разработаны в 1962—1971 гг. под руководством Ю. А. Сморякова.
Развитие производства и синтез новых полупроводниковых материалов способствовали интенсивному увеличению выпуска нелинейных полупроводниковых ревисторов — фоторезисторов, терморезисторов, варисторов.
Большой вклад в разработку и освоение производства различных типов резисторов внесли советские ученые Б. А. Бочкарев, М. М. Столяров, Б. С. Гальперин, Б. Т. Коломиец, И. Т. Шефтель, В. В. Пасынков, И. Н. Мякишев и др.
В период 1970—1980 гг. -выпуск резисторов в нашей стране увеличится в несколько раз, будут продолжены исследования -и технологические изыскания, направленные на создание миниатюрных, термостойких и влагостойких линейных и нелинейных резисторов, обладающих высокой надежностью.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ
Резисторы можно подразделить на линейные, к которым относятся постоянные и переменные резисторы с линейной вольтампер- ной характеристикой, и нелинейные, к которым относятся полупроводниковые резисторы с нелинейной вольтамперной характеристикой (терморезисторы, варисторы, фоторезисторы и др.).
По конструктивному исполнению резисторы можно подразделить следующим образом:
тонкопленочные резисторы;
объемные резисторы;
проволочные резисторы.
В зависимости от применения различных материалов в проводящих элементах резисторы подразделяют на следующие группы:
углеродистые резисторы с проводящим элементом в виде пленки пиролитического углерода;
металлопленочные и металлоокисные резисторы с проводящим элементом в виде пленки из сплава или окиси металла;
композиционные резисторы с проводящим элементом, представляющим собой гетерогенную систему из нескольких компонентов, один из которых является проводящим; ,
проволочные резисторы с проводящим элементом из провода и микропровода;
полупроводниковые линейные и нелинейные резисторы с проводящим элементом из полупроводникового материала.
Пленочные композиционные резисторы отличаются от других пленочных резисторов наличием связующего материала в пленке и достаточно большой толщиной, превышающей толщину пленки углеродистых и металлопленочных резисторов.
Стабильность параметров резистора зависит от способа его внешней защиты.
По способу защиты проводящего элемента резисторы можно подразделить на:
незащищенные;
лакированные;
компаундированные;
опрессованные вепластмассу;
герметизированные;
вакуумные.
Резисторы выпускают общего и специального назначения.
Резисторы общего назначения используют в качестве анодных нагрузок ламп, поглотителей и делителей в цепях питания, элементов фильтров, шунтов, регуляторов громкости и тембра, в цепях формирования импульсов, в измерительных приборах невысокой точности и т. п.
В данную группу входят постоянные резисторы, сопротивление которых фиксируется при изготовлении, и переменные резисторы, сопротивление которых можно плавно менять в определенных пределах. Сопротивления резисторов общего назначения составляют 10 0Л14-1О Мом, номинальные мощности рассеяния — 0,125-^100 вт.
К резисторам специального назначения, обладающим рядом специфических свойств и параметров, относятся высокоомные, высоковольтные, высокочастотные, прецизионные и полупрецизионные, миниатюрные.
Высокоомные резисторы преимущественно композиционного типа с сопротивлением до 1013 ом используют в устройствах для измерения малых токов. Номинальная мощность рассеяния резисторов обычно не указывается, рабочие напряжения резисторов 100—300 в.
Высоковольтные резисторы с сопротивлением до Ю11 ом, но большей мощности и более крупные по размерам, чем высокоомные, используют для делителей напряжения, эквивалентов антенн, поглотителей высоковольтных установок, для искрогашения, разряда конденсаторов фильтров и др. У наиболее распространенных типов высоковольтных резисторов рабочие напряжения находятся в диапазоне 10-^35 кв.
Высокочастотные резисторы преимущественно поверхностного типа предназначены для радиосхем, работающих на частотах свыше 10 Мгц. Используют их в качестве согласующих нагрузок, аттенюаторов, эквивалентов антенн, элементов волноводов.
Данные резисторы обладают малой собственной емкостью и индуктивностью. При искусственном охлаждении номинальные мощности рассеяния резисторов составляют 5, 20, 50 кет.
Прецизионные и п о л у п р е ц и з и о н н ы е резисторы применяют в точных измерительных устройствах, счетных машинах, релейных системах, магазинах сопротивлений. Они отличаются высокой точностью изготовления, имеют повышенную стабильность основных параметров, часто выполняются герметизированными. Номинальные сопротивления их от 1 ом до 1 Мом, номинальные мощности рассеяния не более 2 вт.
Миниатюрные резисторы презназначены для малогабаритной аппаратуры с объемным и печатным монтажом. Номинальные мощности рассеяния резисторов менее 0,125 вт, номинальные сопротивления от 0,1 ом до 1 Мом.
Полупроводниковые резисторы в‘'зависимости от назначения Называют терморезисторами, варисторами и^фоторезисторами.
Терморезисторы используют в схемах теплового контроля, температурной стабилизации электрических цепей, в схемах измерения и регулирования различных физических величин и параметров устройств. Номинальные мощности рассеяния терморезисторов от долей милливатт до нескольких ватт; номинальные сопротивления от долей ома до 10 Мом.
Варисторы применяют в качестве разрядников для защиты элементов цепей от перенапряжений, в схемах преобразования частоты, формирования импульсов различной формы, стабилизации напряжения и т. д. Диапазон номинальных мощностей рассеяния варисторов 0,1-4-1-00 вт, классификационные напряжения 3-4-1500 в (при токах 0,1-4-1000 ма).
Фоторезисторы используют в качестве приемников и индикаторов лучистой энергии в фотореле, схемах автоматики и т. п. Номинальные мощности рассеяния фоторезисторов 0,01—1 вт, номинальные сопротивления (при отсутствии падающего излучения) 104-4-108 ом.
Принятые ранее типовые обозначения постоянных резисторов отражали их основные особенности и обычно состояли из трех букв. Первая означала вид проводящего элемента (У — углеродистые, К — композиционные, М — металлопленочные), вторая — вид защиты (Л — лакированные, Г — герметичные и т. п.), третья — особые свойства резистора или его назначение (Т — теплостойкие, П — прецизионные, В — высоковольтные). Так, например: резисторы МЛТ — это металлопленочные, лакированные, теплостойкие; БЛП — бороуглеродистые, лакированные, прецизионные. Введенные в последние годы обозначения для резисторов даны в таблице.
В соответствии с новыми обозначениями: СТ (сопротивление термочувствительное)—• терморезисторы, СП (сопротивление нелинейное)— варисторы и СФ (сопротивление фоточувствитель- ное) — фоторезисторы. Первая цифра после букв означает материал;. из которого выполнен проводящий элемент резистора, вторая
цифра (порядковый номер изделия) — конструкцию изделия и комплекс общих технических требований на данное изделие.
ТАБЛИЦА
Постоянные резисторы
Переменные резисторы
Вид проводящего элемента
С1
ст
Углеродистый
С2
СП2
Металлопленочный или металлоокисный
сз
СПЗ
Пленочный композиционный
С4
СП4
Объемный композиционный
С5
СП5
Проволочный
Глава первая
СВОЙСТВА РЕЗИСТОРОВ
СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ
Сопротивление резистора — это один из основных параметров, который учитывают при конструировании резистора, а также при выборе его для применения в конкретной схеме. Схемы конструкций наиболее распростаненных проводящих элементов резисторов показаны на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схемы конструкций проводящих элементов рези- сторов:а— объемная (цилиндрическая); б, в — пленочная; г— пленочная со спиральной нарезкой; О — пленочная с прорезями; е — с проволочным проводящим элементом; ж— подковообразная; a— шайбовая; и— дисковая; к — бусинковаяРис. 1.1. Схемы конструкций проводящих элементов рези- сторов:а— объемная (цилиндрическая); б, в — пленочная; г— пленочная со спиральной нарезкой; О — пленочная с прорезями; е — с проволочным проводящим элементом; ж— подковообразная; a— шайбовая; и— дисковая; к — бусинковая
Рис. 1.1. Схемы конструкций проводящих элементов рези- сторов:
а— объемная (цилиндрическая); б, в — пленочная; г— пленочная со спиральной нарезкой; О — пленочная с прорезями; е — с проволочным проводящим элементом; ж— подковообразная; a— шайбовая; и— дисковая; к — бусинковая
Рис. 1.1. Схемы конструкций проводящих элементов рези- сторов:
а— объемная (цилиндрическая); б, в — пленочная; г— пленочная со спиральной нарезкой; О — пленочная с прорезями; е — с проволочным проводящим элементом; ж— подковообразная; a— шайбовая; и— дисковая; к — бусинковая
Сопротивление резистора определяется геометрическими размерами и свойствами материала проводящего участка элемента:.
(1.1)(1.1)*=4
(1.1)
(1.1)
где I — длина проводящего участка элемента; S — площадь поперечного сечения; р — удельное объемное сопротивление материала.
Удельным объемным сопротивлением называют сопротивление образца данного материала, длина которого, выраженная в метрах, равна площади поперечного сечения (в лг2):
р, om-m=R-у-.
Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному объемному сопротивлению,
а, (ол<-л<)-1=— .
Р
Сопротивление резистора объемной конструкции (рис. 1.1, «)
(1-2)(1-2)_41
(1-2)
(1-2)
R= р,
ЛД2
где D — диаметр проводящего элемента.
Удельное объемное сопротивление материалов, используемыхдля производства резисторов, р-106, ом-м
Алюминий 0,028Вольфрам 0,055Железо 0,098Золото 0,024Кадмий 0,076Медь 0,017Алюминий 0,028Вольфрам 0,055Железо 0,098Золото 0,024Кадмий 0,076Медь 0,017Молибден 0,057Никель 0,073Платина 0,105Серебро 0,016Тантал 0,135Титан . . 0,420Молибден 0,057Никель 0,073Платина 0,105Серебро 0,016Тантал 0,135Титан . . 0,420
Алюминий 0,028
Вольфрам 0,055
Железо 0,098
Золото 0,024
Кадмий 0,076
Медь 0,017
Алюминий 0,028
Вольфрам 0,055
Железо 0,098
Золото 0,024
Кадмий 0,076
Медь 0,017
Молибден 0,057
Никель 0,073
Платина 0,105
Серебро 0,016
Тантал 0,135
Титан . . 0,420
Молибден 0,057
Никель 0,073
Платина 0,105
Серебро 0,016
Тантал 0,135
Титан . . 0,420
Для резисторов цилиндрической формы с проводящей пленкой, нанесенной на поверхность изоляционного основания, когда толщина пленки мала по сравнению с диаметром основания, сопротивление определяется выражением
р Р р Ih. т.п ^к8 лПр Р р Ih. т.п ^к8 лП(1.3)(1.3)
р Р р I
h. т.п ^к8 лП
р Р р I
h. т.п ^к8 лП
(1.3)
(1.3)
где h — толщина пленки; I — длина проводящего участка пленки.
Сопротивление участка пленки, имеющего равную длину и ширину, т. е. сопротивление квадрата пленки
(1.4)(1.4)^кв, м =.
(1.4)
(1.4)
h
Для непроволочных резисторов характерным является отношение l/nD = R^ которое называют коэффициентом формы. Значение коэффициента Кф в конструкциях постоянных резисторов обычно близко к единице (0,6—1,5). У резисторов с малой длиной проводящего элемента неэффективно используется общий объем, поскольку длина контактной арматуры становится сравнимой с рабочей длиной проводящего элемента. Конструкции с большим значением Кф (длинные и тонкие) неудобны в монтаже и в ряде случаев имеют малую механическую прочность. Коэффициент Кф определяет также частотные свойства резистора.
Сопротивление резистора поверхностного типа можно увеличить на несколько порядков путем последовательного снятия слоев проводящего элемента, спиральной нарезкой или прорезанием изолирующих канавок. Нарезка проводящего элемента дает возможность использовать в конструкциях высокоомных резисторов пленки большой толщины, имеющие достаточно высокую стабильность характеристик.
Наиболее распространенным является способ спиральной нарезки, который позволяет получить резисторы с широким диапазоном сопротивлений и в то же время является простым в производственных условиях и легко управляемым. Благодаря спиральной нарезке сводится к минимуму влияние переходного сопротивления в контактном узле на полное сопротивление резистора. Полагая, что сопротивления контактных узлов малы, структура проводящего элемента однородна и шаг спирали значительно меньше диаметра основания, •сопротивление резистора со спиральной нарезкой (рис. 1.1, г) можно рассчитать так:
где N— число витков нарезки; t — шаг спирали; а — расстояние между смежными витками.
Коэффициент нарезки, характеризующий изменение сопротивления в результате нарезки,
К - =(1.6)
н р R —1
где R' — сопротивление после нарезки; R —сопротивление до нарезки.
Прорези на проводящем слое с целью увеличения сопротивления резистора делают также вдоль основания (рис. 1.1, д). В этом случае коэффициент нарезки
(1.7)
где 7V —число прорезей; а — расстояние между смежными проводящими полосками.
Сопротивление проволочных резисторов (рис. 1.1, е) определяется длиной проволоки /п, ее удельным сопротивлением р и площадью поперечного сечения S
(1.8)
В конструкциях переменных резисторов обычно применяют подковообразные проводящие элементы (рис. 1.1, ж).
Сопротивление проводящего участка пленки длиной dl у элемента, показанного на рис. 1.1, ж.
dR—p — dl=^H±n_^L. s^r^-r^h.S2360 k 2
где И, г2— внутренний и внешний радиусы проводящего элемента; q, — угол, соответствующий проводящему участку дуги; h — толщина проводящего слоя.
Лф 360* ‘Лф 360* ‘(1.9)(1.9)Сопротивление проводящего элемента переменного резистора
Лф 360* ‘
Лф 360* ‘
(1.9)
(1.9)
О С р. г2 + Г1
J S Л r2 — ri о
Сопротивление проводящего элемента резистора шайбовой конструкции (рис. 1.1, з)
dr _ Rs2лг2 лdr _ Rs2лг2 л1п^-.1п^-.(1.Ю)(1.Ю)
dr _ Rs
2лг2 л
dr _ Rs
2лг2 л
1п^-.
1п^-.
(1.Ю)
(1.Ю)
Рис. 1.2. Формы тонкопленочных резисторов, используемых в двойном Т-образном фильтреРис. 1.2. Формы тонкопленочных резисторов, используемых в двойном Т-образном фильтрескачок сопротивления, минимальное сопротивление, нкциональная характеристика.скачок сопротивления, минимальное сопротивление, нкциональная характеристика.
Рис. 1.2. Формы тонкопленочных резисторов, используемых в двойном Т-образном фильтре
Рис. 1.2. Формы тонкопленочных резисторов, используемых в двойном Т-образном фильтре
скачок сопротивления, минимальное сопротивление, нкциональная характеристика.
скачок сопротивления, минимальное сопротивление, нкциональная характеристика.
Тонкопленочные резисторы в микросхемах имеют самую разнообразную форму. На рис. 1.2 схематически показано конструктивное выполнение резисторов тонкопленочного Т-образного селективного фильтра, построенного на резисторах 7?i—R3 и конденсаторах Ci - Сз.
ОСНОВЫ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЯПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Простейшие конструкции проводящих элементов резисторов
имеют постоянное поперечное| сечение и одинаковое удельное объемное сопротивление по всему элементу. Расчет сопротивления таких проводящих элементов (особенно при постоянном токе) не вызывает затруднений. Для производства мик- ромодульных, твердых и пленочных схем используют в основном проводящие элементы сложной формы. В этих случаях, чтобы определить сопротивление проводящего элемента, необходимо найти распределение потенциала в нем. Когда потенциал в проводящем элементе известен, можно производить расчет таких параметров переменных резисторов, как начальный фу
Поле в проводящем элементе при отсутствии источников тока описывается уравнением Лапласа
(1.И)(1.И)Д/7 = 0,
(1.И)
(1.И)
где А — оператор Лапласа; U — потенциал электрического поля в
проводящем элементе.Рассмотрим краевую задачу дляпроводящем элементе.Рассмотрим краевую задачу дляа?<9Рис. 1.3. Пленочный проводящий эле-мент произвольной формы:а — общий вид; б — модель к расчету сопро-тивленияа?<9Рис. 1.3. Пленочный проводящий эле-мент произвольной формы:а — общий вид; б — модель к расчету сопро-тивлениявенно.На основании закона Ома в дифференциальной форме плотность тока у омических контактоввенно.На основании закона Ома в дифференциальной форме плотность тока у омических контактовповерхностного проводящего элемента произвольной формы (рис. 1.3). Контакты будем считать идеальными, имеющими малое сопротивление. При этом поверхности Si и S2 обладают потенциалами 171 и —17ь соответст-
проводящем элементе.
Рассмотрим краевую задачу для
проводящем элементе.
Рассмотрим краевую задачу для
а?<9
Рис. 1.3. Пленочный проводящий эле-мент произвольной формы:а — общий вид; б — модель к расчету сопро-тивления
а?<9
Рис. 1.3. Пленочный проводящий эле-мент произвольной формы:а — общий вид; б — модель к расчету сопро-тивления
венно.
На основании закона Ома в дифференциальной форме плотность тока у омических контактов
венно.
На основании закона Ома в дифференциальной форме плотность тока у омических контактов
ди
где —нормальная составляющая производной потенциала
электрического поля у поверхности контактов.
Плотность тока связана с полным током, проходящим через электрод, выражением
Г ( SU \
J \ дп 7
Si
Определим граничные условия на непроводящих поверхностях элемента. Будем считать, что проводящий элемент граничит с иде- ди п альным изолятором, тогда ■—- = 0.
дп
Таким образом, получаем краевую задачу, когда на границе области задается нормальная составляющая производной искомой функции.
Решение трехмерной задачи при заданных граничных условиях, когда границы проводящего элемента имеют произвольную форму, весьма сложно. Применение метода разделения переменных и метода функции Грина также затруднено.
Практически в большинстве случаев при расчете электрического поля поверхностные проводящие элементы резисторов можно считать плоскими, вследствие малой толщины проводящей пленки, а поверхностное сопротивление пленки равным 7?кв = р/^, где h—толщина пленки.
Двумерное уравнение Лапласа
А 17=0
при неоднородных граничных условиях
Ч дпк I ’
/ dU \
где —— — нормальная по отношению к контакту составляющая \ УЛ / к
производной потенциала; I — ток через проводящий элемент; I — длина контакта.
Для непроводящих границ 2] и 22 граничное условие имеет вид
Потенциалы контактов при этом равны соответственно U\ и — Uv
Чтобы рассчитать электрическое поле проводящего элемента, целесообразно его «деформировать» до такой канонической формы, для которой этот расчет не представляет трудности. Например, для проводящего элемента, показанного на рис. 1.3, б, такой формой является прямоугольник.
Решение задачи может быть осуществлено путем отыскания функции, отображающей данную область, на «каноническую». Причем наибольший интерес представляют преобразования, инвариантные относительно уравнения Лапласа.
(1.12)(1.12)Рассмотрим преобразование уравнения Лапласа в декартовых координатах
(1.12)
(1.12)
дх2 ' ду2
Вместо переменных х и у введем новые переменные g и х:С=С(%, г/); х = х(х, у\
Когда переменные х, у изменяют свои значения в области D, переменные £ и х изменяют свои значения в некоторой области G.
Исходное уравнение после преобразования изменится следующим образом:
ZJLVjo д2Ц ас ах д2П / дх \2 , 6x26С2 \дхр асах • дх • дх + dx2 +
асдх2дхдх2
Аналогично:
w _ 32(//асуд2цасахд2и/ах\2
ду»асг(ду) гдгдх"ду "ду +ах21~а7/ +
_|_ jt/агеаг/д2хт
^Сду2дхду2J<
17'
Уравнение для функции U в переменных £ и х представим в виде d^U U дС V . / dt \21 . о W / d;dx ,О'.dx \.
dS [\ dx /\dy / J dt dx \ dxdxdydy J1
, d^U Г/ dx \2/dx \21 du, dU„M
4i1 4-1 H— AHА*.(1.13)
~ dx2 dx / ' ( dy ) dC' dxv ;
Чтобы (1.13) не отличалось по форме от уравнения Лапласа, преобразование £=£ (х, у) и х = х (х, у) должно удовлетворять следующим требованиям:
д£=0; дх=0;
2L2l_l_^L_^L=0;(1.14)
dx dx dy dy
Первые два равенства свидетельствуют о том, что £ и х должны быть гармоническими функциями от х, у.
В соответствии с третьим равенством
d* / 4; = dz/М; —— М; — = М — .
dx I dy dy I dx ’ dxdy ’ dy dx
Подставив в (1.14) вместо производных от х их значения, получим
(U5)
L\ dx J \ dy J ]
Отсюда 'Следует, что М=±1 и, следовательно, или
di;
dx .
d;
dx
или
dx
dy
dy
dx
(1.16)
■ dZ
dx.
. di; _
dx-
dx
dy
dy
dx
Приведенные уравнения можно получать одно из другого заменой £ на х, так как £ и х—сопряженные гармонические функции. Преобразования, совершаемые с помощью подобных функций, называют конформными — переводящими бесконечно малые фигуры плоскости х, у в подобные им фигуры плоскости ^, х, когда
\ dx ! \ dy J j
Построим комплексную функцию t(г) =£+ы комплексной пере- I менной z = x-\-'iy. Для нее выражение (1.16) —это известные уело- ; вия Коши — Римана [12].
Из уравнения Лапласа
следует, что всегда можно найти функцию F(x, у), тождественно удовлетворяющую этому уравнению и связанную с проекциями напряженности электрического поля Е равенствами
дР .. дР
л » ^У~—
дхду
Функция F(x, у) имеет простой физический смысл. Для силовой линии dl с проекциями на оси dx и dy согласно условию параллельности Е и dl в любой точке будем иметь
или
тр- dx-Y-^— dy=dF — 0. охду
Из последнего равенства следует, что функция F сохраняет постоянное значение вдоль силовой линии, т. е. семейство линий F^x, у) =С представляет собой совокупность силовых линий.
Сопоставив обычные выражения для проекций вектора напряженности через потенциал
получим систему соотношений:
дР _ dU дх ' дудР _ dU дх ' дудР дудР дудЦ дхдЦ дх(1.17)(1.17)
дР _ dU дх ' ду
дР _ dU дх ' ду
дР ду
дР ду
дЦ дх
дЦ дх
(1.17)
(1.17)
Следовательно, в полученных уравнениях U и F являются зави 1ыми друг от друга функциями. Они связаны дифференциальны- соотношениями Коши — Римана.
V=F(x, yHiU(x, у)V=F(x, yHiU(x, у)(1.18)(1.18)При выполнении условий (1.17) можно записать, что
V=F(x, yHiU(x, у)
V=F(x, yHiU(x, у)
(1.18)
(1.18)
будет функцией комплексной переменной z=x+iy. Известно, что система дифференциальных уравнений (1.17) является необходи- м^м и достаточным условием для того, чтобы производная не зависила от направления дифференцирования.
Функцию V называют комплексным потенциалом электрического поля в проводящей среде; с ее помощью можно получить величины, хаоактрпио1гт^,,.т,^
Так как обе функции F (х, у) и U^x, у) удовлетворяют уравнению Лапласа, то любую из них можно считать потенциалом. Обычно потенциалом принято считать мнимую часть комплексного потенциала
Щх, y)=ImV.
Приравнивая функцию Щх, у) различным постоянным значениям, получим совокупность эквипотенциальных линий
U(x, у)=С.
Покажем, что через комплексный потенциал V(z) можно выразить напряженность поля
E=-W=- — -i~ ,(1.19)
дх ду
а следовательно, и плотность тока в проводящем элементе. Кроме того, производная комплексного потенциала
, дР , . dU дР . . dU
V (z)=k i=к t —- .
дх дх ду ду
Переходя к сопряженной величине dU -dU
V (z)= —1 —к ' ду дх
и умножая ее на —I, получим
(1.20)(1.20), dU -dU— iV4zA=1— .
(1.20)
(1.20)
дх ду
Сравнивая равенства (1.19), (1.20), находим, что
Е = — i.V^=Е = — i.V^=dp dzdp dz
Е = — i.V^=
Е = — i.V^=
dp dz
dp dz
Модуль вектора напряженности
dpdzdpdz(1.21)
dp
dz
dp
dz
На основании закона Ома запишем в дифференциальной форме выражение для плотности тока в проводящем элементе:
^iR^V'^.R^-
(1.22)
j=RKB\ И'(^) I =^кв|~|.
Рассмотрим связь между комплексными потенциалами конфор мно-отображенных областей.
Пусть в плоскости г имеется некоторое электрическое поле, образованное, например, двумя электродами Бг и Bz. Разность потенциалов между электродами Uo. В плоскости у имеем конформно-отображенное поле с тем же числом электродов и разностью потенциалов между электродами 5У и В^, равной также Uo.
Предположим, что комплексный потенциал в плоскости у известен и равен (Ди). Найдем комплексный потенциал V^ в плоскости z.
Для этого отобразим электрическое поле в плоскости z на поле в плоскости у, комплексный потенциал которого известен. Допустим, что это отображение производится функцией y = y(z). В результате контур электрода Бг должен перейти в контур электрода Б^, а контур электрода Bz в контур электрода Вт.
В силу инвариантности оператора Лапласа/при конформных преобразованиях можно утверждать, что сложная функция Vy[o(z)J будет искомым комплексным потенциалом в плоскости z, т. е.
va^-v.v-u^y(1.23)
Нетрудно установить связь между напряженностями двух полей при их конформном отображении.
Дифференцируя (1.23) по z, находим
dVz dVy d vdzdu dz
Переходя к сопряженным значениям производных и умножая обе части равенства на —i, получим
_ , / ^ ) = —i'( ^)
\ dz )\ du )\ dz )
и, следовательно,':
E,= E,V(z);
12=МЧ2).
В соответствии с формулой (1.21)
Е,= -/ММ;(1.24)
\ dz /\ du )
Из равенства (1.24) вытекает важное свойство конформного отображения электрических полей. Рассмотрим бесконечно малый элемент / поверхности электрода Бг с координатой z0 и соответствующий ему элемент L поверхности электрода 5У с координатой у0 в плоскости у. Так как оба элемента связаны с конформным отображением,
£ = /|#(z0)|.(1.25)
Плотность тока на поверхности электродов соответственно в точках zq, По:
Ух0 —^кв | Ег(г0)|; /у0==/?кв[Еу(,ио)|-(1.26)
Ток элемента /
,dd t=jZol = RKbI1 Ez(z0) |.
Соответствующий ток элемента L
dit — jvaL = RkbL I Еу (t>q) I.
С учетом соотношений (1.25) и (1.26)
dIL = RK^Iv' (го) I = RJI Ez(*0) \ = dlv(1.27)
I v' (z0) I
Из равенства (1.27), следует, что ток, сосредоточенный на элементе I, равен току, сосредоточенному на элементе L. Таким образом, при любых конформных преобразованиях полей токи электро-" дов остаются постоянными. Так как при конформных преобразованиях, кроме того, не изменяются потенциалы контактов, то остаются неизменными сопротивления между контактами и запасенная в проводящем элементе общая потенциальная энергия электрического поля.
Установленная связь между комплексными потенциалами полей при их конформном отображении позволяет свести расчет электрического поля в проводящем элементе резистора, а следовательно, и его сопротивления к отысканию функции, соответствующей отображению данной области, распределение потенциала для которой требуется найти, на область, комплексный потенциал которой известен или легко может быть найден.
В качестве канонических областей, на -которые удобно отобразить области сложной формы, обычно используют следующие: прямоугольник, верхнюю полуплоскость, концентрическое кольцо. Известно, что если произвольно задать образы трех точек, то найдется только одно конформное отображение заданной области на другую.
. Большое число областей отображается на канонические с помощью комбинаций элементарных функций.
В данном разделе рассмотрены основные свойства конформного преобразования, которые будут использованы при расчете параметров резисторов. Необходимо отметить, что разработаны также эффективные приближенные методы, позволяющие с высокой степенью, точности отображать одну область на другую [59]. Для некоторых -областей отображающую функцию можно отыскать с помощью прямых методов (интеграла Кристоффеля — Шварца).
При расчетах параметров часто встречается отображение прямоугольника на полуплоскость, а также обратное преобразование, приводящее к эллиптическим функциям Якоби (рис. 1.4).
Если обозначить через С, (i= 1-^-4) точки вещественной оси, являющиеся образами вершин прямоугольника, то в соответствии с формулой Кристоффеля — Шварца искомую отображающую функцию можно представить так:
(1.28)
Требуется, чтобы точки z = — а, 0, а прямоугольника (1.4, а) соответствовали точкам и =— 1, 0,1 верхней полуплоскости (1.4,б).Этим определяются три произвольные константы:
С"=0, С2= —1, С4=1.
а)а)Рис. 1.4. Конформное преобразование прямоугольника ABCD (а) на полуплоскость и (б)Рис. 1.4. Конформное преобразование прямоугольника ABCD (а) на полуплоскость и (б)
а)
а)
Рис. 1.4. Конформное преобразование прямоугольника ABCD (а) на полуплоскость и (б)
Рис. 1.4. Конформное преобразование прямоугольника ABCD (а) на полуплоскость и (б)
Таким образом,
(1.29)(1.29)dx
(1.29)
(1.29)
[(^-l)(x-Ci)(x-C2)}0'5 '
В соответствии с принципом Римана — Шварца отображающую функцию продолжим аналитически через отрезок [—1, 1] вещественной осн. В этом случае получим прямоугольник, симметричный данному относительно вещественной полуоси. При замене и на — и и z на 2 функция (1.29) отображает прямоугольник на нижнюю полуплоскость.
Если
- С ^— ,(! зо)
J [(^-iXx^-COU-Ca)]0'5 то и
C'z = —.(131)
J К^-Щх + СО^ + Са)]0'5
В силу единственности отображающей функции при принятом соответствии граничных точек функция (1.30) должна быть тождественна с функцией, описываемой выражением (1.29).
При этом можно записать
(х — С^х С2)—(х-)- С^х-)- С2)
и, следовательно,
С2— —С^
Заменяя Ci на 1/^, где O^^^l, представим отображающую функцию в виде
” С )[(1 — л;2)(1—fe2^2)]0.5
Необходимо определить два параметра: С и к. Для этого имеем:
1
а=— £ -——;(1-32)
С J [(1-^2)(1-^2)]0,5
1/6
Ь=— t ^-.(1.33)
с J [(i_X2)(i-^2)]0.5
Разделив равенство (1.33) на (1.32), получим выражение для определения к
1/61
_L=CdxJС—l“\ (1.34)
a J [(№—J)(1 — ^2)]°>5 Ц [(1 _х2)(1_^2х2)]0-5 J
Установив коэффициент к, найдем из выражения (1.32) значение С. Преобразуем интеграл (1.33). Полагая, что к2х2 + k'2y2 = 1 и 0^у^1,при — ^х>1 получим к
k’dykdx
(1—^2)0.5
Если учесть, что к^х2—I)0,5 = А'(1—у2)0-5, то i/ft1
С dxСdy
3[(1-,2)(1_^2)]0.5)[(l^Q-P^O.S'
Таким образом,уравнение(1.34) представимв следующем виде:
11
а-) [(1 -^Х2)(1 —а'М]0’5 I ' [(1 — x2)(l -^2)]0.5 /
Правая часть уравнения (1.35) —это отношение полных эллиптических интегралов К' и К. Для модуля к функцию, отображающую верхнюю полуплоскость на прямоугольник, запишем так:
И z=—\.(1-^6)
К 5 [(l-^-^)^
Функция, дающая обращение эллиптического интеграла, zz = sn |а') называется эллиптической функцией Якоби sn (си-
\ а /
нус амплитуды) с модулем к.
Функция sn отображает конформно прямоугольник на верхнюю полуплоскость, причем стороны прямоугольника отображаются на действительную ось.
Параметры К' и К можно найти следующим образом. Определим отношение
6 К'
а К ’
соответственно
In (7 = — тс ——.
4 К
Используя таблицы [72], определим о, где A = sino, а также К. В качестве примера отобразим квадрат со стороной Ь=\ йа верхнюю полуплоскость Imu^O.
Так как_а=1/2, то К'!К=2 и In q =—2л = —6,283. Тогда lg q = = —2,728=3,271.
По табл. 1.1 находим о = 10°; К= 1,583.
ТАБЛИЦА 1.1
о
6°
7°
8°'
9°
10’
11°
ig q к
4,8367
1,5751
4,9709
1,5767
3,0872
1,5785
3,1899
1,5805
3]2819
1,5828
3]3651 1,5854
Определяем С = а//<=0,316; 6 = sin о = 0,174, А2=0,03. Конформное отображение осуществляется функцией
M = snM = snz0,316z0,3160,1740,174(1.37)(1.37)
M = sn
M = sn
z0,316
z0,316
0,174
0,174
(1.37)
(1.37)
Полученная функция является двоякопериодической с периодами Т1 = 4а, и T2=2ib и нечетной, т. е.
(1.38)(1.38)sn( —z) = sn(z).
(1.38)
(1.38)
Отметим, что при й = 0, лM = sinг.1а
Наряду с sn 2 функции
спг = (1—sn22)0’5 и dnz=(l—^2sii22)0’5
обладают аналогичными свойствами и также называются эллиптическими функциями Якоби.
Использование эллиптических функций позволяет производить
Рис. 1.5. Конструкции проводящих элементов резисторовРис. 1.5. Конструкции проводящих элементов резистороврасчет ряда параметров переменных резисторов, а также сопротивления проводящих элементов резисторов сложной формы, показанных на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Конструкции проводящих элементов резисторов
Рис. 1.5. Конструкции проводящих элементов резисторов
Рассчитаем сопро+ тивление пленочного проводящего элемента наиболее распространенной формы (рис. 1.5, б).
Предварительно рассмотрим сопротивление прямоугольной
полосы, представленной на рис. 1.6, а. Прямоугольную полосу мож
но рассматривать, как треугольник с вершинами 2 = 0; z = a-\-ib; z=oo.
Используя преобразование Кристоффеля — Шварца, запишем
\(1.39)
где С[—постоянная, определяемая из граничных условий; tii— преобразованная точка на действительной оси полуплоскости Zv соответствующая i-ой вершине многоугольника.
(1/01(1/01Подставляя в формулу (1.39) координаты вершин прямоугольной полосы,получим:
(1/01
(1/01
(г, + DO^r1 (^ - й1)-°-5.
Преобразование отображает точку. О прямоугольной полосы х В-точку П[ полуплоскости 21; точки С—в—1; D и Е— в—оо и +оо, соответственно.
Пусть 2, = re'6,' a dz1 = irei8d9.
При соответствии точек А, В и А^, В\ обойдем точку 0 'полуплоскости 21 'По полуокружности бесконечно малого радиуса, тогда
ОтсОтсirQ^db.irQ^db.(1.41)(1.41)\ dz = HmС, \Jr-0JаО\ dz = HmС, \Jr-0JаОге16 (г^-а)^5ге16 (г^-а)^5ОтсюдаОтсюдаРис. 1.6, Конформные преобразования к расчету сопротивления проводящего элемента в виде угла (а, б, в) и кривые соответствия точек при конформном преобразовании (г)Рис. 1.6, Конформные преобразования к расчету сопротивления проводящего элемента в виде угла (а, б, в) и кривые соответствия точек при конформном преобразовании (г)
Отс
Отс
irQ^db.
irQ^db.
(1.41)
(1.41)
\ dz = HmС, \
Jr-0J
аО
\ dz = HmС, \
Jr-0J
аО
ге16 (г^-а)^5
ге16 (г^-а)^5
Отсюда
Отсюда
Рис. 1.6, Конформные преобразования к расчету сопротивления проводящего элемента в виде угла (а, б, в) и кривые соответствия точек при конформном преобразовании (г)
Рис. 1.6, Конформные преобразования к расчету сопротивления проводящего элемента в виде угла (а, б, в) и кривые соответствия точек при конформном преобразовании (г)
На основе соответствия точек D, Е и Dx, £i получим
\ dz=lim С, \ -1—idQ;(1.43)
.)r-0 i (re'6 —аО9'5
где ib = Cx№.
Откуда
Сх=Ь/т:- а-^Ь^а1.(1-44)
Преобразование (1.40) после определения постоянных Ci и Oi запишем так:
+(1.45)
dzX л 21 (г, — *2/a2)°.52
Решение уравнения (1.45) относительно 2 представим в виде
(1.46)(1.46), b 1/ Z1 + 1 \0>5 ,
(1.46)
(1.46)
dz——— Дг
л гх \ z — ax )
ПриПрим2—_£LZ1£Lzi + l
При
При
(1.47)(1.47)получим
(1.47)
(1.47)
я2 + «? .,2«(1—дО .
z — dz. = —*— du.
11—«211 — И2
,26 г (1 + др^м . л j (я2 + ах) (1 — и2) ’,26 г (1 + др^м . л j (я2 + ах) (1 — и2) ’(1.48)(1.48)В этом случае:
,26 г (1 + др^м . л j (я2 + ах) (1 — и2) ’
,26 г (1 + др^м . л j (я2 + ах) (1 — и2) ’
(1.48)
(1.48)
26 л26 ле™— 1е® + 1е™— 1е® + 1em — 1е®+ 1em — 1е®+ 1Л 5 ।-ф- a re thЛ 5 ।-ф- a re th(1.50)(1.50)
26 л
26 л
е™— 1
е® + 1
е™— 1
е® + 1
em — 1
е®+ 1
em — 1
е®+ 1
Л 5 ।
-ф- a re th
Л 5 ।
-ф- a re th
(1.50)
(1.50)
Когда 2=0, Z\ = а\, и = 0, то и С"=0.
Таким образом, получено преобразование, конформно-отобра- жающее верхнюю полуплоскость zx (рис. 1.6, б) на прямоугольную - полосу 2 (рис. 1.6, а).
Рассмотрим преобразование, отображающее бесконечную полосу О^Ттю^л на верхнюю полуплоскость Zx, 'которое можно осуществить с помощью показательной функции Z\ = axew. Причем три ш = 0 2' = ах.
Получим преобразование, отображающее бесконечную полосу О^Ттю^л на прямоугольную полосу (рис. 1.6, л). Преобразование осуществляется функцией Zx = aveu, при w = 0 Zx = ах
о 1 / е® — 1 W
1 + д,1I
(1.49)(1.49)261, / е® —1 \о.5 . 1 .1 (й1ею + 1/
(1.49)
(1.49)
= ——- а г с t ц II —1 п — —" —
л й0,5^(a^ + l/ '2^/е® — 1 \0.5
[ — й1' (д^-Ц /
В случае, если агВ случае, если аг=— 1, преобразование (1.49) упрощается:
В случае, если аг
В случае, если аг
Покажем взаимно однозначное соответствие следующих точек и областей:
Аналогично:Аналогично:то = 0, то =то = 0, то =z=0;z=b-\-ib.z=0;z=b-\-ib.(1.51)(1.51)то (и > 0; то {и < 0; to^u^Qv то(м<0;то (и > 0; то {и < 0; to^u^Qv то(м<0;77=0); z=x\77=0); z=x\77 = 0); z = iy, у = л); z—x-\-ib; у = л); z=b-\-iy.77 = 0); z = iy, у = л); z—x-\-ib; у = л); z=b-\-iy.(1.52)(1.52)Для бесконечной полосы то (рис. 1.6, в) линии u=const являются эквипотенциальными, a y=const линиями тока.Если проводник ограничен эквипотенциальными линиями Ui и и2 и линиями тока У1 и у2, то сопротивлениеДля бесконечной полосы то (рис. 1.6, в) линии u=const являются эквипотенциальными, a y=const линиями тока.Если проводник ограничен эквипотенциальными линиями Ui и и2 и линиями тока У1 и у2, то сопротивлениеr=r№r=r№I «2 — Ml I | V2 — «1 |I «2 — Ml I | V2 — «1 |(1.53)(1.53)
Аналогично:
Аналогично:
то = 0, то =
то = 0, то =
z=0;
z=b-\-ib.
z=0;
z=b-\-ib.
(1.51)
(1.51)
то (и > 0; то {и < 0; to^u^Qv то(м<0;
то (и > 0; то {и < 0; to^u^Qv то(м<0;
77=0); z=x\
77=0); z=x\
77 = 0); z = iy, у = л); z—x-\-ib; у = л); z=b-\-iy.
77 = 0); z = iy, у = л); z—x-\-ib; у = л); z=b-\-iy.
(1.52)
(1.52)
Для бесконечной полосы то (рис. 1.6, в) линии u=const являются эквипотенциальными, a y=const линиями тока.
Если проводник ограничен эквипотенциальными линиями Ui и и2 и линиями тока У1 и у2, то сопротивление
Для бесконечной полосы то (рис. 1.6, в) линии u=const являются эквипотенциальными, a y=const линиями тока.
Если проводник ограничен эквипотенциальными линиями Ui и и2 и линиями тока У1 и у2, то сопротивление
r=r№
r=r№
I «2 — Ml I | V2 — «1 |
I «2 — Ml I | V2 — «1 |
(1.53)
(1.53)
Отношение -^—— представляет собой эффективное число
| и2 — V1 |
единичных площадей между омическими контактами.
• В рассматриваемом случае ]У1—у2|=л.
На рис. 1.5, г показано, что эквипотенциальные линии становятся прямыми на расстояниях b от вершин прямого угла, и плотность тока становится одинаковой по всему сечению проводящего элемента.
Рассчитаем сопротивление резистора, показанного на рис. 1.5, г.
Разделим проводящий элемент на три участка. Для части проводящего элемента, заключенной между х]Ь = 2 и yjb = 2, сопротивление можно рассчитать по формулам (1.50) и (1.53). Найдем точки полосы ю, соответствующие х = 2Ь и у = 2Ь на рис. 1.6, г, где показано, что при х, у^2 эквипотенциальные линии становятся практически прямыми, а плотность тока одинакова по всему сечению проводящего элемента^
Сопротивление части элемента, заключенного между х[Ь = 2 и У 1b = 2,
(1.54) лл
Полное сопротивление резистора, показанного на рис. 1.5, г, /?=4,55/?кв.(1.55)
Сопротивление резистора с проводящим элементом, показанным на рис. 1.5, б, можно рассчитать аналогичным образом:
п=пLк“I nw2 топ=пLк“I nw2 то0,92Z Ли IWI 'KB11W Jnw^0,92Z Ли IWI 'KB11W Jnw^
п=пL
к“I nw2 то
п=пL
к“I nw2 то
0,92Z Ли IW
I 'KB
11W Jnw^
0,92Z Ли IW
I 'KB
11W Jnw^
CL i w
где n= — 4-1; w — ширина проводящего витка; a — ширина промежутка между проводящими витками; / — длина резистора.
Для улучшения компоновки тонкопленочных схем в ряде случаев резисторы выполняют в виде «змейки» сложной формы (рис. 1. 5, б). Вычисление сопротивления при этом также осуществляют суммированием сопротивлений отдельных участков, как показано ранее.
Плотность тока в проводящем элементе в виде «прямоугольной полосы» с точностью до постоянного коэффициента определяют с помощью выражения
dwI dw dZyл / em — 1 \°>5
=— = — .(1.56) dz| dZy dz I b \ e™ + 1 /
При z = b*Vib (вершина прямого угла) w=№ и 1^-1-»оо.
I dz I
Значит, внутри прямого угла плотность тока стремится к бесконечности, что может привести к локальным перегревам в элементе и уменьшению его надежности.
Для уменьшения плотности тока прямой угол проводящего элемента следует скруглить. Анализ такого элемента также можно выполнить методом конформных преобразований. Для этого в выра-
жении (1.39) член zx *' заменим на
При этом между точками 2t = & и Z\ = ‘—k имеется кривая, вид которой определяется параметром X (рис. 1.7, а).
Тогда
dz(^1 + й)0,5 + X (zy — fe)0,5 ,, 1 дух
dzy(z—af'^z-b')0-5
Zy=a-Vem.
Можно показать, что плотность тока вдоль кривой FG постоян- / b + к \о,5 на и равна
Е \ь—к/ .
Если к->0\ то выражение (1.57) переходит в (1.49) и плотность тока стремится к бесконечности:
о i z\ — k V3’5к — Z\ \0.5— 2arcta[—5 — 2zXJarcth— I —°\ b—a )(\ b — zx )о i z\ — k V3’5к — Z\ \0.5— 2arcta[—5 — 2zXJarcth— I —°\ b—a )(\ b — zx )
о i z\ — k V3’5к — Z\ \0.5
— 2arcta[—5 — 2zXJarcth— I —
°\ b—a )(\ b — zx )
о i z\ — k V3’5к — Z\ \0.5
— 2arcta[—5 — 2zXJarcth— I —
°\ b—a )(\ b — zx )
a—к \o.5 k — zx \o.5 / b — a \o.5),.
— arcth— .(1.58)
\ b — a )\ b — zx / \ a — к / J
расчету сопротивления проводящего элемента (в виде угла)расчету сопротивления проводящего элемента (в виде угла)
расчету сопротивления проводящего элемента (в виде угла)
расчету сопротивления проводящего элемента (в виде угла)
Плотность тока задается выражением
I dwI dzПри g=h и к=\g=h = v:I dwI dzПри g=h и к=\g=h = v:l2X-bfSl2X-bfS(Zi + к^5 + х (Z1 ^0.5(Zi + к^5 + х (Z1 ^0.5a + 1 \0Л/ 6 -f- 1 д—1 \0.5'b—a /\ b— 1b — a )a + 1 \0Л/ 6 -f- 1 д—1 \0.5'b—a /\ b— 1b — a )
I dw
I dz
При g=h и к=\
g=h = v:
I dw
I dz
При g=h и к=\
g=h = v:
l2X-bfS
l2X-bfS
(Zi + к^5 + х (Z1 ^0.5
(Zi + к^5 + х (Z1 ^0.5
a + 1 \0Л/ 6 -f- 1 д—1 \0.5'
b—a /\ b— 1b — a )
a + 1 \0Л/ 6 -f- 1 д—1 \0.5'
b—a /\ b— 1b — a )
I \6—i/ J
n / 6 + 1 \0.5,, /2\0,5_., /2\0.5
r = 2 —-—arcth I— 2arcth[-1 :
\ 6—1 /\ 6 + 1 /V 6+ 1 /
zr (6 +l)0|5+(6—I)0-5 z= K?"
где ir — ток в закругленном участке, г«, — ток при х >> 1.
(1-62)(1-62)(1.63)(1.63)dwdzydwdzyЛ26Л26(Я -1)0'5(Я -1)0'5■2_д2)0.5■2_д2)0.5(1.64)(1.64)
(1-62)
(1-62)
(1.63)
(1.63)
dwdzy
dwdzy
Л
26
Л
26
(Я -1)0'5
(Я -1)0'5
■2_д2)0.5
■2_д2)0.5
(1.64)
(1.64)
С увеличением радиуса закругления распределение тока становится более равномерным.
В ряде тонкопленочных схем необходим расчет сопротивления проводящего элемента резистора, показанного на рис. 1.8, а.
Для расчета такого элемента преобразование Кристоффеля— Шварца запишем следующим образом:
dz s Ик (zy— а2)0,5 .
dzyл zv\zi —1V
е2™ _а2\ ,,/ 1 — е2® \о.5
—14- A arctg a I’ I
1 _ ег® Р( е2® — д2 /
ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ РЕЗИСТОРОВ
Несмотря на простоту конструкций резисторов в общем случае их сопротивление можно рассматривать как совокупность активных и реактивных составляющих. Наличие распределенных реактивных параметров обусловливает комплексный характер проводимости резистора при переменном напряжении, особенно на высоких частотах.
СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ , В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
. В цепи постоянного тока при стационарном режиме реактивные составляющие можно не учитывать и ограничиться учетом активных составляющих. Эквивалентные схемы резисторов, соответствующие этому случаю, приведены на рис. 1.9.
Сопротивление резистора эквивалентной схемы, приведенной на рис. 1.9, б,
Я=2/?к+1 + ^Я=2/?к+1 + ^(1.65)(1.65)
Я=2/?к+
1 + ^
Я=2/?к+
1 + ^
(1.65)
(1.65)
где Rn — сопротивление проводящего элемента; RK—сопротивление переходных контактов (или контактное сопротивление); RH— суммарное сопротивление изоляционного основания и защитного по- д крытия,I
При использовании проводящего слоя в виде спирали шунтирую- ! щее влияние изоляционного основания и защитного покрытия воз-
32.
растают. При температуре окружающей среды 293±10°К, если сопротивление резистора не превышает 1О94-1О10 олг, проводимость изоляционного основания можно не учитывать, с повышением температуры окружающей среды проводимость изоляционного основания сказывается даже при меньших сопротивлениях.
Контактное сопротивление RK зависит от конструкции контактно- -
го узла.
У резисторов с объемным проводящим элементом металлические выводы непосредственно запрессовываются в массу проводящего
элемента и практически вся поверхность вывода внутри проводящего элемента является контактной. Контактное сопротивление в объемных проводящих элементах уменьшают путем увеличения размеров вывода и защиты его от коррозии.
У резисторов с пленочным про-
КиКиРис. 1.9. Эквивалентные схемы ие- проволочных резисторов в цепи достоянного тока: а — полная: б — упрощеннаяРис. 1.9. Эквивалентные схемы ие- проволочных резисторов в цепи достоянного тока: а — полная: б — упрощенная
Ки
Ки
Рис. 1.9. Эквивалентные схемы ие- проволочных резисторов в цепи достоянного тока: а — полная: б — упрощенная
Рис. 1.9. Эквивалентные схемы ие- проволочных резисторов в цепи достоянного тока: а — полная: б — упрощенная
' s:£L
Ina.и.
Рис. Г.8. Конформные преобразования к расчету сопротивления проводящего элемента сложной формы
водящим элементом металлические выводы насаживаются на проводящий слой с некоторым натяжением, величина которого определяется прочностью основания резистора и контактов. Вследствие шероховатости соприкасающихся поверхностей контактирование происходит по площади, значительно меньшей по сравнению с геометрическими размерами контакта. Это приводит к возрастанию контактного сопротивления.
Контактное сопротивление Rk пропорционально сопротивлению проводящего элемента Rn, при изменении удельного сопротивления отношение RKjRn остается постоянным. С уменьшением толщины проводящего слоя контактное сопротивление RK растет в меньшей степени, чем сопротивление проводящего элемента Rn и, таким образом, отношение RK/Ru уменьшается. Значительное уменьшение отношения RK/Rn достигается в результате увеличения длины проводящего элемента спиральной нарезкой. Контактное сопротивление 2—3757 зч
особенно сказывается в коротких толстослойных резисторах без спиральной нарезки.
Для снижения контактных сопротивлений в резисторах с пленочным проводящим элементом применяют шлифованные основания и арматуру с малыми допусками по размерам. Но в большинстве случаев контактное сопротивление уменьшают путем создания между проводящим слоем и колпачком промежуточного контактного слоя с высокой проводимостью. Такие контактные слои создают на концах проводящего элемента вжиганием, шоопированием или гальваническими методами.
В композиционных резисторах контактные слои с высокой проводимостью получают благодаря композициям, выполняемым из мелкодисперсного графита, молекулярного серебра и соответствующей связующей основы (смолы).
СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЗИСТОРОВВ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Сопротивление резистора в цепи переменного тока, особенно при высокой частоте, носит комплексный характер. Главным образом это относится к проволочным резисторам, у которых реактивные компоненты сопротивления оказывают влияние уже при сравнительно низких частотах (нескольких килогерцах).
Проводящий элемент непроволочного резистора, как всякий проводник, обладает распределенными реактивными параметрами — емкостью С' и индуктивностью L'. Кроме того, во всех конструкциях имеется сосредоточенная емкость между концевыми выводами Со резистора и емкость по отношению к земле или к соединенным с ней объектам (шасси, трансформаторам и т. п.),
Эквивалентную схему непроволочного незаземленного резистора можно представить в виде замкнутой на конце линии с длиной, равной половине рабочей длины резистора. Когда один из концов резистора заземлен, эквивалентную схему представляют в виде линии с длиной, равной полной длине резистора.
В эквивалентных схемах рис. 1.10 не учтены емкости по отношению к земле, что допустимо, если резистор удален от заземленных элементов конструкции на расстояние большее, чем его длина. В этих схемах не учитывается также сопротивление изоляционного покрытия и подложки, поскольку резисторы с сопротивлением 1— 10 Мом редко применяют в цепях высокой частоты.
Емкость между выводами Со обычно не превышает долей пикофарады и, суммируясь с емкостью монтажа, не оказывает практически заметного влияния на полное сопротивление резистора.
Распределенная емкость С' имеет более существенное значение, от нее зависит активная составляющая сопротивления резистора. Значение этой емкости определяется коэффициентом формы K^ = lluD, а для резисторов со спиральной нарезкой — отношением a/t.
Важную роль играет также форма и расположение контактов резистора, а для резисторов пленочного типа диэлектрическая проницаемость изоляционного основания и защитного покрытия. Расчет всего указанного весьма затруднителен, обычно распределенную емкость определяют опытным путем для конкретных конструкций ре- зистров.
Рис. 1.10. Эквивалентные схемы непроволочиых резисторов для высоких частот: а—без спирали; б—со спиральюРис. 1.10. Эквивалентные схемы непроволочиых резисторов для высоких частот: а—без спирали; б—со спиральюРис. 1.11. Зависимость распределенной емкости резистора с пленочным проводящим элементом цилиндрической формы от коэффициента формыРис. 1.11. Зависимость распределенной емкости резистора с пленочным проводящим элементом цилиндрической формы от коэффициента формы
Рис. 1.10. Эквивалентные схемы непроволочиых резисторов для высоких частот: а—без спирали; б—со спиралью
Рис. 1.10. Эквивалентные схемы непроволочиых резисторов для высоких частот: а—без спирали; б—со спиралью
Рис. 1.11. Зависимость распределенной емкости резистора с пленочным проводящим элементом цилиндрической формы от коэффициента формы
Рис. 1.11. Зависимость распределенной емкости резистора с пленочным проводящим элементом цилиндрической формы от коэффициента формы
Зависимость распределенной емкости С' тонкопленочного резистора от коэффициента формы Кф приведена на рис. 1.11 и может быть выражена так:
0,8
С'=0,01 • 10 ХФ пф/см.(1.66)
Распределенная индуктивность для резисторов цилиндрической формы
£'==2(ln4-/Q —1)40-9 г«/г.я.*(1.67)
С увеличением коэффициента Кф распределенная индуктивность _ возрастает незначительно и в обычных конструкциях при Кф = —Р6 составляет примерно 3- 10~9 гн/см. Когда число витков проводящего элемента достигает 10 и более, значение распределенной индуктивности измеряется долями мкгн/см.
С целью уменьшения индуктивности используют специальную систему нарезки спирали, изменяя периодически направление протекания тока, как показано на рис. 1.12.
Значения распределенных индуктивности и емкости зависят от еличины сопротивления резистора. Поэтому установлены предель- ie величины сопротивлений, которые можно считать чисто актив-
ними. Так для резисторов с сопротивлением менее 300 ом эквивалентную схему можно представить в виде индуктивного и активного сопротивлений (рис. 1.13, а), поскольку емкостным сопротивлением в данном случае можно пренебречь. При больших величинах сопротивлений индуктивное сопротивление можно не учитывать. В приведенной эквивалентной схеме (рис. 1.13, б) для этого случая сопротивление R шунтируется емкостью С/, зависящей от частоты. Это упрощение допустимо при частотах
1
2л Vt 'С
На рис. 1.14 показано уменьшение сопротивления резистора при увеличении fCR0. Как видно из графика, сопротивление резистора
Рис. 1.12. Резистор с малоиндуктивной спиралью (стрелкой показано направление протекания тока)Рис. 1.12. Резистор с малоиндуктивной спиралью (стрелкой показано направление протекания тока)14 R414 R4RRРис. 1.13. Эквивалентные схемы низкоомиого резистора (а) и высокоомного резистора (б) для высоких частотРис. 1.13. Эквивалентные схемы низкоомиого резистора (а) и высокоомного резистора (б) для высоких частот
Рис. 1.12. Резистор с малоиндуктивной спиралью (стрелкой показано направление протекания тока)
Рис. 1.12. Резистор с малоиндуктивной спиралью (стрелкой показано направление протекания тока)
14 R4
14 R4
R
R
Рис. 1.13. Эквивалентные схемы низкоомиого резистора (а) и высокоомного резистора (б) для высоких частот
Рис. 1.13. Эквивалентные схемы низкоомиого резистора (а) и высокоомного резистора (б) для высоких частот
при fCRo>O,l уменьшается с повышением частоты, при fCRo = O,3 сопротивление уменьшается примерно на 10%.
0,1CR0,1CRПрактически частота, при которой высокоомные резисторы можно считать независимыми от частоты, определяется выражением
0,1
CR
0,1
CR
(L68)
Измерение распределенной емкости С' и активного -сопротивления производят шунтированием контура Q-метра, определяя суммарную емкость по расстройке, а сопротивление по изменению добротности. Далее из суммарной емкости Ск вычитают межэлектродную емкость Со, определяемую любым способом для данной конструкции резистора без проводящего слоя. Осуществляя измерение при / < -^- , определяют распределенную емкость С' « ак
(1.69)(1.69)тивное сопротивление р _ QiQa*
(1.69)
(1.69)
Qi —■ QaСк
где Qi и Q2 — добротность измерительного контура до и после подключения измеряемого -резистора; Ск — емкость -в контуре измерителя добротности.
Частотная зависимость сопротивления резистора может быть различной -под влиянием внутренних емкостей между отдельными проводящими частицами проводника, а также потерь в диэлектрике. При частотах более 1 Мгц и сопротивлении порядка килоом заметно уменьшается величина активного сопротивления за счет потерь в изоляционных материалах. Поэтому высокочастотные резисторы часто выполняют без защитных покрытий, а их изоляционные
основания — из специаль
ных сортов керамики.
При высоких частотах возникает поверхностный эффект, т. е. неравномерное распределение тока по сечению проводника, когда наибольшая плотность тока у поверхности проводника. Причина поверхностного эффекта заключается в том, что внутренние части проводника, окруженные наибольшим числом силовых
Рис. 1.14. Зависимость сопротивления высокоомного резистора от частоты при-Рис. 1.14. Зависимость сопротивления высокоомного резистора от частоты при-магнитных линий, обладают ложенного напряжения большей индуктивностью и
Рис. 1.14. Зависимость сопротивления высокоомного резистора от частоты при-
Рис. 1.14. Зависимость сопротивления высокоомного резистора от частоты при-
§" = 50§" = 50большим реактивным сопротивлением. В связи с этим через участки, расположенные ближе к центру проводника, проходит меньший ток, чем через поверхностные слои проводника. Таким образом, неполное использование сечения приводит к увеличению активного сопротивления проводящего элемента. Расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока уменьшается в е раз по сравнению с наружными слоями (глубина проникновения в см), определяется удельным сопротивлением материала (в ом«м), величиной магнитной проницаемости ца и частотой тока f (в Мгц);
§" = 50
§" = 50
Поверхностным эффектом можно пренебречь, если глубина проникновения больше толщины проводника. У щепроволочных рези* сторов для проводящего элемента применяют .материалы с удельным сопротивлением не более 10-4 ом-м и магнитной проницаемостью, равной единице. Глубина 'проникновения для таких материалов, определенная при частоте 100 Мгц, равна 0,5 мм, что намного больше толщины проводящих слоев даже низкоомных резисторов. Следовательно, для большинства тонкопленочных резисторов влияние поверхностного эффекта на сопротивление можно не учитывать.
Влияние поверхностного эффекта на сопротивление значительно для резисторов с объемным проводящим элементом, у которых глубина проникновения сравнима с размерами проводящего элемента.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫИ СВОЙСТВА РЕЗИСТОРОВ
Применяемые резисторы должны удовлетворять комплексу требований при использовании аппаратуры в условиях различных температур, повышенной влажности, воздействия вибрации и т. п. Поэтому резисторы для установления их основных параметров и выявления дефектов, возможных в процессе производства, подвергают испытаниям.
НОМИНАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Электрические испытания резистора начинают с измерения величины сопротивления с помощью мостовой схемы постоянного или переменного тока частотой 50 гц. Возможно также измерение с помощью амперметра и вольтметра.
Напряжение, прикладываемое в процессе испытания к непроволочному резистору, не должно превышать 30% -напряжения, соответствующего его номинальной мощности, и 10% его предельного рабочего напряжения. Напряжение подается на резистор кратковременно.
Напряжение, соответствующее номинальной мощности рассеяния резистора,
u=V"pX
где Рн — номинальная мощность рассеяния резистора, вт; RH — номинальное сопротивление резистора, ом.
ГОСТ 2825—67 установлены ряды номинальных сопротивлений для постоянных резисторов общего применения: от 0,1 ом до 10 Мом для проволочных и от 1 ом до 1 Том для непроволочных с допускаемыми отклонениями от номинальных сопротивлений ±5; ±10 и ±20% (см. табл. 1.2). Для резисторов с допускаемыми отклонениями менее 5% рекомендуется ряд с допускаемым отклонением ±5%.
Значения номинальных сопротивлений образуют десятичные ряды геометрической прогрессии. Этим рядам присвоены номера (условные обозначения ) Е6, Е12, Е24, которые соответствуют количеству номинальных величин в каждом десятичном интервале. Так. например, в ряде Е6 имеется 6 номинальных значений сопротивлений порядка ом, десятков ом, сотен ом, килоом и т. д.
ТАБЛИЦА 1.2
Ряды номинальных сопротивлений постоянных резисторов по ГОСТ 2825—67
(омы, десятки и сотни ом, килоомы, десяткии сотни килоом, мегомы, десятки мегом)
Обозначения рядов. ,; .
- Е24| Е12| Е6 | Е24| Е12 j Е6 )Е24 j Е12| Е6
При допустимых отклонениях от номинальных сопротивлений, %
±5
+ 10
±20
±5
±ю
±20
±5
±10
±20
1.0
1,0
1,0
2,2
2,2
2,2
4,7
- 4,7
4,7
1,1
2,4
5,1
1,2
1,2
2,7
2,7
5,6
5,6
1,3
3,0
6,2
1,5
1,5
1,5
3,3
3,3
3,3
6,8
6,8
6,8
1,6
3,6
7,5
1,8
1,8
3,9
3,9
8,2
8,2
2,0
4,3
9,1
Знаменателем прогрессии (/и) являются корни степени, соответствующей номеру ряда N из числа десятков. Так для рядов Е6, Е12 и Е24 знаменатели прогрессии равны соответственно
т^^ 10= 1,47; т2= ^10= 1,21; т3 = у^Ю^ 1,1.
Таким образом, каждое номинальное сопротивление определяется формулой
RH=mN,
где N — целое положительное число.
Каждый последующий член ряда с большим номером включает в себя все члены предыдущего ряда.
Фактическое значение любого номинального сопротивления при предельном положительном допуске практически совпадает с фактическим значением ближайшего большего номинального сопротивления в данном ряде при предельном отрицательном допуске.
Так, например, резистор с сопротивлением 2,2 Мом+200^ при наибольшем возможном положительном отклонении от номинального будет иметь сопротивление 2,64 Мом. Резистор со .следующим номинальным сопротивлением 3,3 Мом в том же ряду Е6 при наибольшем отрицательном отклонении от номинального будет также иметь сопротивление 2,64 Мом. Выпускать резисторы с номинальными сопротивлениями больше 2,2 Мом и меньше 3,3 Мом по ряду Е6 практически не имеет смысла. Поэтому на заводах-изготовителях постоянные резисторы широкого применения разбраковывают так, чтобы отклонение от номинального сопротивления с допуском 5% было не более 3—4% и с допуском 10% — не более 8—9%.
ГОСТ 10318—62 установлен ряд номинальных сопротивлений для переменных резисторов: от 1 ом до 1 Мом для проволочных и от 1 ом до 10 Мом для непроволочных.
Номинальная величина сопротивления переменных резисторов (единицы, десятки и сотни ом, килоом; единицы и десятки мегом) соответствует ряду: 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8, из которого наиболее предпочтительны 1,0; 2,2; 4,7.
Относительное отклонение фактического (измеряемого) сопротивления 7?ф от номинального Rn вычисляют по формуле
8 = ~ф~—н-100%,R»
Для резисторов, выпускаемых отечественной промышленностью, установлены следующие допускаемые отклонения от номинальных сопротивлений в процентах:
±0,01 ±0,1 ±1,0 ±10 ±0,02 ±0,2 ±2,0 ±20 ±0,05 ±0,5 ±5,0 ±30*
Для миниатюрных резисторов в соответствии с ГОСТ 11076—69 введены сокращенные (кодированные) обозначения сопротивлений и допускаемых отклонений. Сокращенное обозначение состоит из цифры, указывающей номинальное сопротивление, и из двух букв, одна из которых означает единицу измерения сопротивления, а другая— допускаемое отклонение от номинального сопротивления. Обозначения номинальных величин и единиц измерения сопротивления приведены в табл. 1.3.
ТАБЛИЦА 1.3
Обозначения номинальных величин и единиц измерения сопротивлений
Единицы измерения
Обозначения единиц измерения
Пределы номинальных сопротивлений
Примеры сокращенных Обозначений
Соответствующие им полные обозначения
Омы
Е
До 91
Е47
4Е7
47 Е
0,47 ом
4,7 ом
47 ом
Килоомы
К
От 0,1 до 91
К47
4К7
47К
470 ом
4,7 ком 47 ком
Мегомы
М
От 0,1 до 91
• М47
4М7
47М
470 ком
4,7 Мом
47 Мом
Гигаомы
Г
От 0,1 до 91
Г47
4Г7
47 Г
470 Мом
4,7 Гом
47 Гом
Тераомы
т
От 0,1 до 1,0
Т47
1Т0
470 Гом 1,0 Том
* Отклонение ±30% только для переменных резисторов.
Обозначения для допускаемых отклоненийот номинального сопротивления
Отклонения,% ±0,1±0,2±0,5 ±1±2±5 ±10±20±30
Обозначения ЖУД РЛИ СВФ
Так, например, сокращенное обозначение резистора с сопротивлением 4,7 ком и допускаемым отклонением ±5% записывают как 4К7И.
НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ РАССЕЯНИЯ
Номинальной мощностью рассеяния Рн называют максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при непрерывной электрической нагрузке и определенной температуре окружающей среды, не изменяя параметров свыше норм, указанных в технической документации па резистор.
Величина номинальной мощности рассеяния резистора зависит от конструкции и материалов, применяемых для проводящего элемента и защитного покрытия. С повышением температуры окружающей среды допускаемая электрическая нагрузка резисторов сни- у жается. С целью увеличения срока службы в различных схемах применяют резисторы с запасом по номинальной мощности рассея- , ния, что позволяет уменьшить изменение сопротивления за длительный период времени и снизить влияние температуры на параметры резистора.
Выбор номинальных мощностей (в ваттах) при конструировании и модернизации существующих резисторов производят по следующему ряду:
0,01; 0,025; 0,05; 0,125; 0,25; 0,5 12581016
255075. 100160250 500
Отношение номинальной мощности рассеяния к величине тепло- отдающей поверхности называют удельной нагрузкой резистора (Р \
вт^м? ).У прецизионных резисторов, для которых характерно, незначительное изменение сопротивления при эксплуатации, удельная нагрузка обычно меньше, чем у резисторов -общего назначения.
Номинальная мощность рассеяния зависит от допускаемой температуры нагрева наименее термостойких частей резистора: проводящего слоя, защитного покрытия или контактного узла. Нагрев резистора происходит благодаря мощности, выделяющейся в результате протекания электрического тока, и тепловой энергии других элементов, расположенных вблизи резистора.
Тепловая энергия, выделяющаяся в резисторе при протекании, электрического тока, передается во внешнюю среду конвекцией,, тепловым излучением и теплопроводностью.
Конвекция тепла — это перенос тепла, обусловленный перемещением части газа или жидкости, около нагретой поверхности
изделия. Конвекционный теплоотвод характеризуется коэффициентом конвекционной теплоотдачи ак, который является функцией температуры перегрева резистора, его размеров, формы, а также расположения в схеме.
Зависимость ак от температуры перегрева для резисторов плоской и цилиндрической формы при температурах до 430—470° К описывается следующим выражением:
й_. = Ад70,25, (1.70)
где А—постоянная, зависящая от давления, температуры окружающей среды, геометрических размеров и формы изделия.
При температурах перегрева порядка 60—100° К, характерных для большинства резисторов, коэффициент конвекционной теплоотдачи ак= 104-20 вт] (м2 • град}. При принудительной конвекции, например охлаждении потоком воздуха, ак увеличивается в 8—10 раз.
С понижением атмосферного давления ак уменьшается пропорционально корню квадратному из величины давления. При давлении менее 5000 н^м2 конвекционной теплоотдачей практически можно пренебрегать, решающее значение при этом приобретает тепловое излучение.
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, обусловленное тепловой энергией излучающего тела. Спектр теплового излучения сплошной, распределение энергии по спектру определяется температурой нагрева тела. Тепловое излучение при низких температурах в основном состоит из радиоволн и инфракрасных лучей. С повышением температуры доля видимых и ультрафиолетовых лучей возрастает.
Интенсивность теплового излучения определяется температурой тела, его излучательной способностью Е (v, Т} и поглощательной способностью A (v, Т}. Если в интервале частот от v до v + dv количество энергии, излучаемое с единицы поверхности тела в единицу времени, равно Е (v, T}dv, а отношение количества энергии в интервале dv, поглощаемой единицей поверхности тела, к количеству энергии в интервале dv, падающей на эту поверхность, — A (v, Г), то основной закон теплового излучения — закон Кирхгофа — можно записать в следующем виде:
E<VD TV (1.71)
ДО, Г) 1
По закону Кирхгофа отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности при заданной температуре Т не зависит от природы тела, а является универсальной функцией частоты и температуры. В данной форме закон Кирхгофа выражаемся для тел, сквозь которые излучение не проходит, а при отражении излучения не происходит изменения его частоты.
Для понимания физического смысла функции Е (v, Г) введено понятие «абсолютно черного тела», т. е. тела, которое поглощает всю, падающую электромагнитную энергию (практически такого
явления быть не .может). Для данного тела Л (v, 7) =1, а Ео (v, 7) означает излучательную способность абсолютно черного тела. Теоретический вывод функции Ео (v, Т") осуществил М. Планк:
Е (v, Т) -i,(1.72)
где h = 6,625 • 10-34 дж-сек— постоянная Планка; с — скорость света в вакууме; ^= 1,38-10-23 дж/град— постоянная Больцмана.
Закон Стефана — Больцмана, широко используемый при расчетах тепловых режимов изделий, получают путем интегрирования выражения (1.72) по частотам. По закону Стефана — Больцмана энергия, излучаемая в единицу времени с единицы поверхности,
Q = C,AT4-A-(1.73)
где Т — температура нагретого тела, 0 К; То — температура окружающей среды; Си=5,67- 10"8 втЦм2 • град^ — коэффициент излучения абсолютно черного тела (постоянная Стефана — Больцмана).
Для эмалевых покрытий, которые используют в производстве резисторов, имеющих коэффициент черноты 0,85—0,9, коэффициент Си можно принять равным 6- 10"8 eij (м2 • град^.
Правую часть равенства (1.73) представим в следующем виде:
С„ (Г4 - 7 о) = Си (Г—70) (т3 + Г2^+77? + 7?)=Си (7 - 70) ?.
Величину Сиф в этом случае рассматривают, как коэффициент теплоотдачи излучением аи. Коэффициент ап не зависит от размеров резисторов, однако относительное его значение возрастает с увеличением температуры (при данном А7) и понижением давления. Величины коэффициентов аи и ак при диаметре резисторов порядка 1 см и температуре окружающей среды около 320° К примерно одинаковы.
Для малогабаритных резисторов наибольшее значение имеет теплоотвод через контактные выводы; у резисторов большой мощности— теплоотдача излучением и конвекцией.
Если при протекании тока через резистор в единицу времени выделяется -количество тепла IE, температура окружающей среды 70, температура резистора 7, удельная теплоемкость резистора с, его масса т, коэффициент теплоотдачи в окружающую среду а и поверхность резистора 3, то для бесконечно малого промежутка времени dt справедливо равенство
WdT^cmdT^a.Srr — TddT.(1.74)
Если а не зависит от 7, решение дифференциального уравнения (1.74) имеет вид
Е^Го + ^и-е ст .■(1.75)
aS
(1.76)(1.76)После установления температуры резистора определяют температуру перегрева:
(1.76)
(1.76)
^T=T-TQ=—aS
Коэффициент а представляет собой сумму коэффициентов теплоотдачи излучением и конвекцией. После установления теплового
равновесия температура нагрева поверхности резистора неодинакова вследствие различных условий теплоотдачи. На распределение
Рис. 1.15. Распределение температуры по длине резистора: а — для резистора с равномерной спиралью; б — для резистора при уплотнении спирали на краяхРис. 1.15. Распределение температуры по длине резистора: а — для резистора с равномерной спиралью; б — для резистора при уплотнении спирали на краяхтемпературы нагрева вдоль тела резистора влияют неполнота нарезки, неоднородности в проводящем слое, защитные слои эмали и т. д.
Рис. 1.15. Распределение температуры по длине резистора: а — для резистора с равномерной спиралью; б — для резистора при уплотнении спирали на краях
Рис. 1.15. Распределение температуры по длине резистора: а — для резистора с равномерной спиралью; б — для резистора при уплотнении спирали на краях
На рис. 1.15 показано распределение температуры по длине резистора. Наличие контактных узлов на краях резистора способствует теплоотводу, поэтому наиболее высокая температура имеет место в средней части поверхности резистора. Таким образом, края резистора недостаточно участвуют в общей теплоотдаче и, чтобы улучшить их использование, осуществляют перераспределение удельной нагрузки
по длине сопротивления путем уменьшения шага нарезки на краях. В этом случае температура нагрева резистора выравнивается и удельная нагрузка может быть повышена на 15ч-20%| (рис. 1.15).
“ : ПРЕДЕЛЬНОЕ РАБОЧЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ
Все резисторы характеризуются предельными рабочими напряжениями, которые могут быть приложены к резисторам, не нарушая их работоспособности. Под работоспособностью резистора понимают такое его состояние, при котором он в данный момент обладает требуемыми основными параметрами.
Для низкоомных резисторов предельное рабочее напряжение ограничивается тепловыми процессами, происходящими в проводящем элементе при электрической нагрузке резистора. Кроме того, дополнительные ограничения на рабочее напряжение вносятся процессами теплообмена резистора с окружающей средой.
Для резисторов (особенно высокоомных), работающих в воздушной среде, главным фактором, влияющим на предельное рабочее напряжение, является электрический пробой, который возможен между выводами резистора, а также между отдельными витками спирали проводящего элемента.
Если нагрев резистора (например, высокоомного) незначителен, то величина пробивного напряжения между выводами резистора
без спиральной нарезки определяется давлением воздуха р, расстоянием между выводами и их конструктивным оформлением.
Определяющим параметром любой конструкции выводов (радиальной, осевой) является произведение pl. Зависимость пробивного напряжения Uay между выводами от pl при импульсах длительностью 10^3-е-10 6 сек. для резисторов ВС и МЛТ (при температуре 290±5° К и влажности 65±15%) приведена на рис. 1.16; вследствие неоднородности электрического поля пробивные напряжения значительно меньше величин, определяемых по кривой Пашена.
Рис. 1,16. Зависимость пробивного напряжения между выводами резисторов: / —ВС-0,25 (без спирали); 2 — МЛТ-0,5; 3 — ВС-1; 4— ВС-2; 5— МЛТ-2 (Кривая Пашена показана пунктиром)Рис. 1,16. Зависимость пробивного напряжения между выводами резисторов: / —ВС-0,25 (без спирали); 2 — МЛТ-0,5; 3 — ВС-1; 4— ВС-2; 5— МЛТ-2 (Кривая Пашена показана пунктиром)Рис. 1.17. _ Распределение напряжения в проводящем элементе со спиральной нарезкой
Рис. 1,16. Зависимость пробивного напряжения между выводами резисторов: / —ВС-0,25 (без спирали); 2 — МЛТ-0,5; 3 — ВС-1; 4— ВС-2; 5— МЛТ-2 (Кривая Пашена показана пунктиром)
Рис. 1,16. Зависимость пробивного напряжения между выводами резисторов: / —ВС-0,25 (без спирали); 2 — МЛТ-0,5; 3 — ВС-1; 4— ВС-2; 5— МЛТ-2 (Кривая Пашена показана пунктиром)
При рГ>\ пробивное напряжение
1/пр = 260(/<5,(1.77)
.где р — давление, н/м2-, I — длина, м.
Если выбрать напряжение на 25—30% меньше расчетного, можно гарантировать надежную работу резистора при незначительном нагреве и нормальных климатических условиях (7=293° К).
В проводящем элементе со спиральной нарезкой электрическое поле искажается (рис. 1.17) и в промежутках между витками возникают значительные градиенты потенциала.
Напряжение между смежными витками опирали
(1-78)(1-78)_U _Щп / ’
(1-78)
(1-78)
' где п — число витков; t — шаг спирали.
Если проводящий элемент не имеет защитного покрытия, то напряжение в межвитковых промежутках соответствует выражению (1.77) при замене I на а.
Электрический пробой между выводами резистора происходит при
U'<260(paf5(1.79)
и в этом случае используются полностью возможности данной конструкции [2].
Как следует из (1.77) и (1.78), необходимо, чтобы
па°*>Р.
При этом минимальное число витков в проводящем элементе «min >—I , а максимальный шаг нарезки Zmax<a0,5Z0,5.
\ Я /
Последнее неравенство показывает, что с уменьшением длины резистора отношение аИг должно возрастать, обеспечивая сравнительно большую прочность межвитковых промежутков. Наличие защитного покрытия на проводящей спирали способствует увеличению пробивного напряжения в межвитковых промежутках на величину В, которая определяется материалом покрытия, его толщиной, формой электрического поля и др. Для этого случая условие (1.79) принимает вид
U' <^^ра^^В,(1.80)
а, соответственно, минимальное число витков, обеспечивающее наилучшее ,использование конструкции,
. / / \0'5260 (уд)0-5
«min > — .
\а) 1В + 260 ^ра^^
При работе резисторов в импульсном режиме и выделении некоторого количества тепла наряду с пробоем между смежными витками или выводами возможно разрушение в отдельных местах проводящего слоя вследствие локальных перегревов. У резисторов, без нарезки это разрушение возникает обычно в контактном узле, когда сопротивление контакта составляет заметную часть от общего сопротивления резистора, а также в местах с дефектами проводящего слоя. У резисторов с нарезкой разрушения возникают в местах дефектной нарезки, где распределение потенциала искажается, возрастает градиент напряжения и, соответственно плотность тока. Повышенная плотность тока и обусловливает возникновение локальных перегревов.
Изменение температуры проводящего элемента резистора при импульсной нагрузке показано на рис. 1.18.
Средняя мощность рассеяния в резисторе при импульсной нагрузке прямоугольной формы
<L81>
где Um — напряжение импульса; ти — длительность импульса; f — частота повторения импульсов; Q—скважность, т. е. отношение периода повторения 1// к длительности ти.
Из (1.81) следует, что средняя мощность равна номинальной, если
(1.82)(1.82)U^uVq,
(1.82)
(1.82)
где U—напряжение, соответствующее номинальной мощности резистора при непрерывной нагрузке.
U, 6U, 6= тс£Л\;= тс£Л\;Rem.Rem.(1.83)(1.83)j ц и и и и и тп I Тиj ц и и и и и тп I ТиПри очень коротких импульсах за время их прохождения можно приближенно считать, что тепловая энергия идет на повышение температуры проводящего слоя
U, 6
U, 6
= тс£Л\;
= тс£Л\;
Rem.
Rem.
(1.83)
(1.83)
j ц и и и и и тп I Ти
j ц и и и и и тп I Ти
тогда
Рис. 1.18. Изменение температуры проводящего элемента (/) и сред-Рис. 1.18. Изменение температуры проводящего элемента (/) и сред-где 'tn — масса проводящего элемента; с—его теплоемкость.
Рис. 1.18. Изменение температуры проводящего элемента (/) и сред-
Рис. 1.18. Изменение температуры проводящего элемента (/) и сред-
Выразив величину К через ней температуры резистора (2) удельное сопротивление р, длину ПРИ импульсной нагрузке в зави- и сечение активной массы S, а симости от времени воздействия массу т через плотность у и объем V=Sl, получим
(1-84)(1-84)Е^и
(1-84)
(1-84)
l2^ct рст
где Егде Е— градиент импульсного напряжения на проводящем
где Е
где Е
■ элементе.
Выражение (1.84) показывает, что перегрев проводящего элемента пропорционален длительности импульса и градиенту напряжения и определяется характеристиками проводящего материала р, у.
Считая, что разрушение проводящего слоя происходит при определенной температуре перегрева АГР, предельно допустимое значение градиента импульсного напряжения
На рис. 1.19 приведены значения предельных градиентов импульсного напряжения в проводящих пленках пиролитического углерода различной толщины. С увеличением длительности импуль- -са и толщины пленки разрушение наступает при меньших градиен-
с тс ттах напряжения. При длительности импульса т^~^у появляется теплоотдача, вследствие чего Ещ, снижается с увеличением массы т, т. е. с уменьшением сопротивления.Если учитывать отдачу тепла в окружающую среду путем конвекции и излучения, то для установившегося режима аналогично выражению (1.75) можно получитьтах напряжения. При длительности импульса т^~^у появляется теплоотдача, вследствие чего Ещ, снижается с увеличением массы т, т. е. с уменьшением сопротивления.Если учитывать отдачу тепла в окружающую среду путем конвекции и излучения, то для установившегося режима аналогично выражению (1.75) можно получитьр2 т /«5т^прти /— ——иДТИ=—— (1 — е 2стpct Лр2 т /«5т^прти /— ——иДТИ=—— (1 — е 2стpct Ли,соответственно,и,соответственно,ДУиРПДУиРП(1.86)(1.87)(1.86)(1.87)Рис. 1.19. Предельные градиенты им> пульсного напряжения при различ-- ной длительности импульсов для проводящих пленок пиролитического углерода толщиной 0,023 мкм (/);0,08 мкм (2); 0,21 мкм (3)Рис. 1.19. Предельные градиенты им> пульсного напряжения при различ-- ной длительности импульсов для проводящих пленок пиролитического углерода толщиной 0,023 мкм (/);0,08 мкм (2); 0,21 мкм (3)Рис. 1.20. Зависимость удельных сопротивлений различных проводящих материалов от температуры:/ — сплавы; 2— металлы; 3— композиции, полупроводники, тонкие пленки; 4 — композицииРис. 1.20. Зависимость удельных сопротивлений различных проводящих материалов от температуры:/ — сплавы; 2— металлы; 3— композиции, полупроводники, тонкие пленки; 4 — композиции
с т
с т
тах напряжения. При длительности импульса т^~^у появляется теплоотдача, вследствие чего Ещ, снижается с увеличением массы т, т. е. с уменьшением сопротивления.
Если учитывать отдачу тепла в окружающую среду путем конвекции и излучения, то для установившегося режима аналогично выражению (1.75) можно получить
тах напряжения. При длительности импульса т^~^у появляется теплоотдача, вследствие чего Ещ, снижается с увеличением массы т, т. е. с уменьшением сопротивления.
Если учитывать отдачу тепла в окружающую среду путем конвекции и излучения, то для установившегося режима аналогично выражению (1.75) можно получить
р2 т /«5т
^прти /— ——и
ДТИ=—— (1 — е 2ст
pct Л
р2 т /«5т
^прти /— ——и
ДТИ=—— (1 — е 2ст
pct Л
и,соответственно,
и,соответственно,
ДУиРП
ДУиРП
(1.86)
(1.87)
(1.86)
(1.87)
Рис. 1.19. Предельные градиенты им> пульсного напряжения при различ-- ной длительности импульсов для проводящих пленок пиролитического углерода толщиной 0,023 мкм (/);
0,08 мкм (2); 0,21 мкм (3)
Рис. 1.19. Предельные градиенты им> пульсного напряжения при различ-- ной длительности импульсов для проводящих пленок пиролитического углерода толщиной 0,023 мкм (/);
0,08 мкм (2); 0,21 мкм (3)
Рис. 1.20. Зависимость удельных сопротивлений различных проводящих материалов от температуры:
/ — сплавы; 2— металлы; 3— композиции, полупроводники, тонкие пленки; 4 — композиции
Рис. 1.20. Зависимость удельных сопротивлений различных проводящих материалов от температуры:
/ — сплавы; 2— металлы; 3— композиции, полупроводники, тонкие пленки; 4 — композиции
Проверку электрической прочности резисторов обычно производят путем приложения в течение 10 сек заданного напряжения. Поверхностный 'разряд обнаруживают с помощью акустического, оптического или другого безынерционного индикатора.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Температурный коэффициент сопротивления резистора (ТКС) характеризует изменение его сопротивления при изменении температуры на один градус.
Разнообразие материалов и конструктивных решений, применяемых при изготовлении резисторов, обусловливает многообразный характер зависимости сопротивления от температуры. Температурная зависимость удельных сопротивлений различных проводящих материалов приведена на рис. 1.20.
У чистых металлов повышение температуры приводит к уменьшению подвижности электронов вследствие взаимодействия их с ионами решетки. При этом сопротивление материала возрастает примерно пропорционально абсолютной температуре. При введении примесей в металлы величина их сопротивления возрастает, а температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр уменьшается (рис. 1.20).
Композиционные материалы имеют весьма сложную зависимость сопротивления от температуры (рис. 1.20); одной из причин является влияние контактов между проводящими частицами, преодоление которых носителями заряда и зависит от температуры. Изменение проводимости материала резистора при изменении температуры определяется также температурными коэффициентами расширения проводящего материала и изоляционного основания.
Если известна зависимость сопротивления резистора от температуры, то для определенного значения температуры Т' можно найти ТКС по формуле
TKCr-r=^7tlFTKCr-r=^7tlF(1.(1.
TKCr-r=^7tlF
TKCr-r=^7tlF
(1.
(1.
Среднее значение ТКС резистора в интервале температур обычно устанавливают путем измерения сопротивления при различных температурах с последующим вычислением по формуле
ТКС, град-х=^— , (1.89) ' R1M 4
где Ri — сопротивление резистора при температуре 293±10°К; AR — изменение сопротивления резистора при изменении темпера- туры на АТ; АТ-—интервал температур, в котором определяется ткс.
Измерение сопротивления резисторов при определенной температуре осуществляют после установления температурного равновесия между резистором и окружающим воздухом в камере. Температура в испытательных камерах поддерживается равномерной по всему объему с колебаниями не более 2—5° К.
Температурные коэффициенты сопротивления проводящихматериалов ТКр-104, град-1
Вольфрам 46
Кадмий 42
Медь 43
Молибден 46
Серебро 40
Тантал 38
Титан 44
Сплавы высокого сопротивления . . .. 0,054-2
Пиролитическийуглерод —(24-20)
Ферросилицневые сплавы .±(54-10)
Композиции(наоснове сажи и графита) -.±(14-20)
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ
Электродвижущая сила (э. д. с.) собственных шумов резистора— это случайное колебание разности потенциалов, возникающее на концах проводящего элемента, вследствие флуктуаций объемной концентрации носителей заряда в проводнике и флуктуаций сопротивления проводника протекающему току. Э. д. с. шумов резисторов ограничивает пороговую чувствительность радиоэлектронных устройств, являясь помехой для полезного сигнала.
Изучение флуктуаций в ряде случаев позволяет выявить особенности механизма электропроводности в проводящем элементе резистора. Характер шумов определяется условиями движения носителей заряда. Шумы делят обычно на тепловые и токовые.
Тепловые шумы обусловливаются хаотическим тепловым движением электронов, благодаря чему на концах любого проводника возникает случайная разность потенциалов.
Проводящие материалы, применяемые при изготовлении резисторов, часто имеют весьма высокую концентрацию носителей заряда с малой длиной свободного пробега. В таких проводниках происходит частый обмен энергией между носителями заряда, причем тепловые скорости носителей могут значительно превышать направленную скорость их дрейфа, обусловленную внешним полем. В таких случаях собственное тепловое движение носителей можно считать не зависящим от приложенного электрического поля. Э. д. с. тепловых шумов не зависит от материала проводника.
Вследствие хаотического движения электронов частотный спектр тепловых шумов оказывается равномерным вплоть до очень больших частот. Среднеквадратичная величина флуктуаций, называемая э. д. с. тепловых шумов, возникающая на концах проводников с активным сопротивлением R в диапазоне частот Av, определяется формулой Найквиста
^т = 4ОТтМД^, (1.S0)
где к — постоянная Больцмана; Т — температура проводника, ° К; Y(v) — спектральная плотность шумов.
В диапазоне 200-4-500° К можно считать, что yM^I вплоть до частот порядка 1012ж1013 гц.
Когда сопротивление резистора имеет заметную реактивную составляющую, в формуле Найквиста R необходимо заменить' на ReZ, где Z — полное сопротивление резистора.
Для любого диапазона частот Av = V2— vi равенство (1.90) при Y(v) = 1 имеет вид
7t = F4Wav. (1.91)
Зависимость э. д. с. шумов от сопротивления R и полосы частот Av = V2 — vi, рассчитанная для 7 = 300° К, приведена на рис. 1.21. Уровень шумов высокоомных резисторов часто превышает уровень шумов электронных ламп. Поэтому при малом полезном сигнале
для снижения уровня шумов на входе схем используют резисторы с меньшими сопротивлениями, что, как правило, связано с уменьшением чувствительности схемы.
В проводящих элементах с гранулярной структурой наряду с тепловыми шумами возникают так называемые токовые шумы в результате флуктуаций сопротивления элемента протекающему току.
Возникновение токовых шумов обычно объясняют флуктуациями контактных поверхностей между частицами в проводящем мате
Рис. 1.21. Зависимость э. д. с. шумов от сопротивления резистора и полосы частот AvРис. 1.21. Зависимость э. д. с. шумов от сопротивления резистора и полосы частот Avриале.
Рис. 1.21. Зависимость э. д. с. шумов от сопротивления резистора и полосы частот Av
Рис. 1.21. Зависимость э. д. с. шумов от сопротивления резистора и полосы частот Av
Для единичного контакта, к которому приложено напряжение Uк, среднеквадратичное напряжение шумов
^к=№(1.92)
где ц=0,8—0,9.
Частотный спектр контактных шумов непрерывен и в соответствии с законом колебания механического
вибратора (в данном
случае гранулы проводника) амплитуды составляющих частот уменьшаются с повышением частоты. При амплитуде колебаний гранулы М и частоте колебаний v энергия колебания равна v2M2. Кроме того, энергия колебания на одну степень свободы равна 1/2 кТ. Следовательно, амплитуда колебаний обратно пропорцио
нальна частоте
(1.93)(1.93)М=— (kTf’\
(1.93)
(1.93)
Флуктуации контактных сопротивлений Дгк пропорциональны амплитуде колебания гранул и, соответственно, среднеквадратичное напряжение токовых шумов обратно пропорционально частоте. Так для узкой полосы частот (Av О) — £к —^ А)
гдеЛпостоянная. .
Для диапазона частот v2—Vi (при v2>vi)
7K=Aig^.
Зная уровень собственных шумов единичного контакта, определяемого выражением (1.92)^ можно получить выражение для сред-
неквадратичного напряжения токовых шумов резистора, считая проводящий элемент резистора состоящим из параллельно и последовательно включенных цепей единичных контактов.
Среднеквадратичное напряжение токовых шумов цепи, состоящей из п последовательно соединенных контактов,
вп— ЛСк!
из N параллельно соединенных контактов
^N^NекNекN
^N
^N
ек
N
ек
N
Для резистора с сопротивлением R=\rK-5- среднеквадратичное
напряжение токовых шумов
—— п — R
^Т—Сц ^К ’
N гк
где Гк—сопротивлениегде Гк—сопротивлениеек
где Гк—сопротивление
где Гк—сопротивление
единичного контакта; — — мощность г к
шумов, постоянная для данной системы.
Для гетерогенных проводящих элементов несмотря на сложность структуры хорошо выполнимо при широком диапазоне сопротивлений соотношение
^ = Д2.
Это свидетельствует о том, что изменение сопротивления происходит в основном за счет изменения количества параллельно соединенных контактов N, в то время как сопротивление гк и длина цепей I, определяющие при данном размере частиц D напряжение на контактах
и,=и!
остаются неизменными.
На основании рассмотренных соотношений получаем выражение для э. д. с. токовых шумов резистора
(1.94)(1.94)
(1.94)
(1.94)
Равенство (1.94) показывает, что э. д. с. токовых шумов в значительной мере зависит от материала и конструкции проводящего элемента. Причем э. д. с. токовых шумов может быть снижена путем удлинения элемента, уменьшения размеров гранул проводящего материала и повышения его сопротивления.
Э. д. с. токовых шумов определяется главным образом структурой материала проводящего элемента резистора. Так, резисторы с проволочным проводящим элементом имеют самый низкий уровень токовых шумов. Расчет токовых шумов композиционных резисторов можно провести, используя рис. 1.22.
В резисторах часто возникают дополнительные шумы, которые обусловливаются переходными контактами между выводами и проводящим слоем.
При малой поверхности совмещения или при наличии между
Рис. 1.22. График к расчету токовых шумов композиционных резисторовРис. 1.22. График к расчету токовых шумов композиционных резисторовцроводящим элементом и металлической арматурой промежуточного проводящего материала на переход-^ ном контакте возникает градиент напряжения. Э. д. с. шумов может быть весьма значительна даже при небольшом сопротивлении переходного контакта.
Рис. 1.22. График к расчету токовых шумов композиционных резисторов
Рис. 1.22. График к расчету токовых шумов композиционных резисторов
В случае несовер-
шенства переходного контакта резистора его напряжение шумов может увеличиться на порядок и более. Резкое увеличение э. д. с. шумов вызывают межвитковые замыкания в проволочных резисторах, а также трещины и неоднородности в проводящем элементе непроволочных резисторов.
В переменных резисторах дополнительная э. д. с. шумов возникает за счет подвижного контакта. Причем не только при движении (так называемые шумы вращения), но и при фиксированном положении подвижного контакта.
Таким образом, уровень собственных шумов в резисторе свидетельствует о наличии различных дефектов и может служить критерием его качества.
Существует корреляция между параметрами резисторов, характеризующими его качество, надежностью и уровнем собственных шумов. Доказано, что разбраковка резисторов по уровню собственных шумов позволяет повысить их надежность.
Схема измерения э. д. с. шумов резисторов приведена на рис. 1.23. От источника питания ИП напряжение через балластный резистор Дб подается на измеряемый резистор Д.
При измерении э.д. с. шумов постоянное напряжение, прикладываемое к резистору, должно соответствовать его номинальной мощности, но не должно превышать его предельного рабочего напряжения.
Сопротивление балластного резистора выбирают таким же, как и сопротивление измеряемого резистора. Кроме того, он должен иметь минимальный уровень шумов. Шумовое напряжение, возни-
кающее на резисторе R, подается на усилитель, а необходимая полоса частот (5004-5000 гц) задается фильтром.
Рис. 1.24. Эквивалентная схема входной цепи установки измерения э. д. с. шумовРис. 1.24. Эквивалентная схема входной цепи установки измерения э. д. с. шумовНапряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром магнито-электрического типа с использованием квадратичного детектора для суммирования энергии шумового напряжения с различными частотами и амплитудами.
Рис. 1.24. Эквивалентная схема входной цепи установки измерения э. д. с. шумов
Рис. 1.24. Эквивалентная схема входной цепи установки измерения э. д. с. шумов
Рис. 1.23. Схема измерения э. д. с. шумоврезисторов:
ИП — источник питания; У— усилитель; Д — квадратичный детектор; У — вольтметр _
Величина шумового напряжения на входе усилителя в соответствии с эквивалентной схемой рис. 1.24 при ^вх^^б
(1.95)
э. д. с. шумов e = UBX~R. .(1.96)
Если R6 сравнимо по величине с RBX, в выражениях (1.95) и (1.96) вместо Re в соответствии с эквивалентной схемой входной цепи рис. 1.24 надо подставить Кб';
jV R& + RBxЯб + RBX
д. с. шумов резистора определяют по формуле
е=~ Г 14-1(1.97)
I 1 RbxR& J
Уровень собственных шумов резистора
D, мкв[в=-^у ,(1.98)
где U — напряжение, приложенное к резистору R.
Поскольку входное сопротивление установки носит комплексный характер, для уменьшения искажения ее частотной характеристики резистор Rs выбирают с сопротивлением не более 1 Мом и
равным R, что -снижает требуемое напряжение питания и облегчает расчеты.
С целью устранения влияния собственных шумов и частотных , свойств балластного резистора его выполняют в виде магазина проволочных сопротивлений с малой реактивностью.
КОЭФФИЦИЕНТЫ НАПРЯЖЕНИЯ И НАГРУЗКИ
Коэффициент напряжения
Коэффициент напряжения характеризует изменение сопротивления резистора при приложении различных по величине напряжений. Сопротивление проводящих элементов, выполненных из метал
лов и сплавов, практически не зависит от величины приложенного
Рис. 1.25. ЗависимостьРис. 1.25. Зависимостьтока и сопротивления ре-тока и сопротивления ре-зистора от приложенного напряжениязистора от приложенного напряжениянапряжения, если протекающий по элементу ток не вызывает его разогрева.
Рис. 1.25. Зависимость
Рис. 1.25. Зависимость
тока и сопротивления ре-
тока и сопротивления ре-
зистора от приложенного напряжения
зистора от приложенного напряжения
Сопротивление композиционных проводников с зернистой структурой может существенно изменяться вследствие различной проводимости контактных зазоров между частицами при изменении приложенного напряжения. В этом случае вольтамперная характеристика проводящего элемента имеет нелинейный характер, так как при повы-
шении напряжения, начиная с некоторого
значения, сопротивление проводящего элемента уменьшается (рис. 1.25).
Коэффициент напряжения и показыва-
ет степень нелинейности вольтамперной характеристики проводящего элемента; он определяется по формуле
(1.99)(1.99)Ri— Ry.
(1.99)
(1.99)
Ri
При этом за 7?i принимают сопротивление, измеренное при напряжении, соответствующем 10% номинальной мощности рассеяния резистора, а за Ra — сопротивление, измеренное при напряжении, соответствующем 100% номинальной мощности рассеяния резистора. Если напряжение, соответствующее 100% номинальной мощности рассеяния резистора, превышает его предельное рабочее напряжение, то измерения проводятся при напряжениях, соответствующих 100 и 10% предельного рабочего напряжения. Подача напряжения на резистор производится кратковременно (1—5 сек) с необходимым для отсчета числом повторений.
Коэффициент напряжения согласно вольтамперной характеристике резистора можно определить по формуле
ки=г-ки=г-1U dJldU1U dJldU(1.100)(1.100)
ки=г-
ки=г-
1
U dJldU
1
U dJldU
(1.100)
(1.100)
При малых значениях приложенного к резистору напряжения / = Utg<р и Ки=0.
Причины нелинейной зависимости тока и сопротивления от напряжения различны. Они определяются конструкцией резистора, природой проводящего элемента. Величина коэффициента напряжения характеризует качество резистора, однородность и дисперсность его структуры, совершенство переходных контактов.
Для резисторов поверхностного типа со спиральной нарезкой коэффициент напряжения обычно не превышает 1—2%. Резисторы, выполненные на основе объемных композиций, имеют коэффициент напряжения 10—20%.
Нелинейность вольтамперных характеристик проводящих элементов композиционного типа вызвана большой микроскопической плотностью тока в контактной зоне между проводящими частицами, которая может во много раз превышать среднюю плотность тока, определяемую геометрическими размерами элемента. Большая плотность тока между частицами проводника вызывает локальные перегревы, которые могут привести к изменению сопротивления резистора. Изменение сопротивления проводящего элемента является в значительной мере обратимым. Величина обратимого изменения сопротивления зависит от температуры перегрева АТ и температурного коэффициента контактного сопротивления (ТКСк)
-^-=дГ-ТКСR ' к .
В контактной зоне температура перегрева определяется величиной напряжения UK, приложенного к единичному контакту, и условиями отвода тепла от зоны. Поскольку температурный коэффициент контактного сопротивления имеет, как правило, отрицательный знак, коэффициент напряжения также отрицателен, хотя проводящий элемент в целом может иметь положительный ТКС, обусловленный влиянием других факторов.
Другой причиной нелинейности композиционных элементов может быть, как отмечалось, изменение проводимости контактных зазоров или диэлектрических прослоек между проводящими частицами при изменении приложенного напряжения.
Проводимость контактных зазоров принимает нелинейный характер при напряженности электрического поля 108—109 е/л, которая может иметь место, если толщина прослоек между частицами много меньше величины проводящих частиц.
Таким образом, коэффициент напряжения проводящего элемента определяется физическими свойствами проводящего материала, размером проводящих частиц и градиентом потенциала в проводящем элементе.
Если проводящий элемент имеет неоднородную структуру, то- напряжения между отдельными частицами проводника или их комплексами могут значительно возрасти. Поэтому коэффициёнт напряжения может служить критерием качества проводящего элемента,.
характеризовать однородность и дисперсность его структуры, совершенство переходных контактов между выводами и проводящим элементом резистора.
Коэффициент нагрузки
Коэффициент нагрузки, в отличие от коэффициента напряжения, характеризует изменение сопротивления проводящего элемента резистора под действием приложенного напряжения и в результате нагрева. Расчет коэффициента нагрузки производят по формуле (1.99). Сопротивления Д1 и R2 определяют при напряжениях, соот-- ветствующих 10 и 100% номинальной мощности рассеяния резистора или при 10 и 100% их предельного рабочего напряжения.
Перед измерением сопротивления при напряжении, соответствующем номинальной мощности, резисторы мощностью до 0,5 вт выдерживают под нагрузкой не менее 4 мин, резисторы на 0,5— 1 вт— 7 мин, резисторы на 1 вт и более — 10 мин.
Изменение сопротивления проводящего элемента за счет нагрева зависит от ТКС резистора
-^=тксдт;р,
где АТ'ср — средняя температура перегрева поверхности резистора при данной нагрузке.
Во время эксплуатации резисторы могут работать при повышенной температуре окружающей среды 7Y В этом случае общее изменение сопротивления резистора по отношению к исходному значению, определенному при температуре 70,
-^-=ТКС(д7'ср-|-7'1 —^о)-
По изменению сопротивления под действием непрерывной электрической нагрузки можно оценивать качество резистора, так как при наличии неоднородностей в проводящем элементе возникают перегревы в местах с дефектами и зависимость сопротивления от нагрузки возрастает.
У высокоомных резисторов, рассчитанных на небольшую мощность, зависимость сопротивления от нагрузки обычно не определяют. Дефекты в проводящем элементе выявляют при длительных испытаниях на старение.
Коэффициент импульсной нагрузки показывает изменение сопротивления резистора под действием импульсной нагрузки. С помощью этого коэффициента можно оценить качество резистора, его работоспособность в импульсном режиме.
Проверку работоспособности резистора при импульсной нагрузке производят следующим образом. На резистор от генератора импульсов подается импульсное напряжение прямоугольной или экспо-
ненциальной формы. Величина пикового напряжения
где Рн—номинальная мощность рассеяния резистора; Р— сопротивление резистора; х— заданное отношение мощности в импульсе к средней мощности.
Пиковое напряжение на резисторе не должно превышать величину предельного импульсного напряжения. Частоту следования импульсов определяют по формуле
где ти — заданная продолжительность импульса, сек.
Под импульсным напряжением резистор работает не менее 30 мин; затем его выдерживают не менее 2 ч при температуре 293±5°С и влажности 65±15, после чего определяют относительное изменение сопротивления резистора в результате воздействия импульсной нагрузки.
ВЛАГОСТОЙКОСТЬ И ТЕРМОСТОЙКОСТЬ РЕЗИСТОРОВ
При эксплуатации аппаратуры резисторы могут постоянно или периодически работать при высокой влажности воздуха или подвергаться непосредственному воздействию воды.
. Для защиты от действия влаги проводящий элемент резистора покрывают лаками, эмалями, компаундами, его запрессовывают з пластмассу или помещают в герметичный корпус.
Резисторы выпускают в обычном исполнении и рассчитанные на тропический климат. Последние отличаются повышенной влагостойкостью; их проводящий элемент герметизируют или многократно покрывают специальными защитными лаками и эмалями.
Влагостойкость резистора определяют по-относительному изменению сопротивления после пребывания резистора в течение заданного времени в камере влажности при 313±2°К и влажности 95—98%.
Термостойкость резистора свидетельствует о его работоспособности в широком интервале температур. '
Проверку термостойкости производят путем воздействия на резистор заданного количества температурных циклов (3—5). Один цикл испытания состоит из выдерживания резистора в течение заданного времени последовательно в камере тепла и камере холода, температура в которых доведена до предельных рабочих температур резистора.
Работоспособность резистора можно оценивать по ускоренному старению при воздействии на него повышенной электрической нагрузки и температуры. Время испытания, температура окружаю-
щей среды и величина электрической нагрузки определены для каждого типа резистора соответствующими техническими условиями.
После испытаний как на термостойкость, так и на старение, резисторы выдерживают при температуре 293±5°С не менее 2 ч и затем определяют их относительное изменение сопротивления.
Резисторы обычно характеризуются также рядом коэффициентов, показывающих, как изменяется величина их сопротивления под действием механических нагрузок (вибрации, растяжения, скручивания).
НАДЕЖНОСТЬ РЕЗИСТОРОВ
Количественно надежность резисторов характеризуют гарантийный срок службы и интенсивность отказов.
Гарантийным сроком службы называют время, в течение которого изготовитель гарантирует надежную работу резистора, т. е. в течение данного срока параметры резистора не должны превышать значений, допускаемых техническими условиями.
Отказ — это событие, заключающееся в том, что резистор перестает удовлетворять установленным требованиям при оценке надежности.
Интенсивность отказов статистически определяется как отношение количества элементов Ди, отказавших в период испытания, к произведению количества элементов п, работоспособных в начале испытания, на продолжительность испытания т:
Х=— . (1.101)
Пт
Отказы могут быть условными и полными.
Условный отказ является результатом изменения какого-либо параметра резистора сверх условно принятых норм. Условные отказы резисторов приводят к условному отказу схемы (падение коэффициента усиления, возрастание уровня шумов), а также могут вызвать полный отказ схемы (прекращение колебаний автогенератора и т. п.).
Полный отказ происходит в результате нарушения электрической и механической прочности резистора (обрыв, короткое замыкание, перегорание и т. п.).
Для ряда радиокомпонентов основными видами отказов являются полные. Резисторам присущи в основном условные отказы, связанные с постепенным изменением их параметров.
Отказы резисторов обусловлены дефектами конструкции, которые трудно обнаружить при массовом производстве, или превышением допустимой нагрузки и температуры окружающей среды при эксплуатации. Перегрузка резистора может быть вызвана чрезмерно плотным монтажом, отказами других элементов схемы.
Зависимость интенсивности отказов резисторов от величины электрической нагрузки и температуры окружающей среды приве-
дена на рис. 1.26. Как следует из кривой зависимости Х = ЦР^, с увеличением температуры окружающей среды (Т2>Т\>ТН, где- Тн — температура, при которой указывается номинальная мощность, рассеяния) интенсивность отказов возрастает.
Зависимость интенсивности отказов от времени может быть апроксимирована кривой, показанной на рис. 1.27. Как следует из= этого рисунка, интенсивность отказов вначале спадает до некоторой постоянной величины, далее остается приблизительно постоянной, а
и изменения их свойств воз- ^и изменения их свойств воз- ^затем вследствие старения материалов растает.
и изменения их свойств воз- ^
и изменения их свойств воз- ^
величины на- окружающейвеличины на- окружающейотказов резисторов от грузки и температуры средыотказов резисторов от грузки и температуры средыРис.Рис.1.27. Зависимость1.27. Зависимостьинтенсивности отказов от времени при использовании резисторов в номинальном режиме (/) и при электрической нагрузке Р<РН (2)интенсивности отказов от времени при использовании резисторов в номинальном режиме (/) и при электрической нагрузке Р<РН (2)
величины на- окружающей
величины на- окружающей
отказов резисторов от грузки и температуры среды
отказов резисторов от грузки и температуры среды
Рис.
Рис.
1.27. Зависимость
1.27. Зависимость
интенсивности отказов от времени при использовании резисторов в номинальном режиме (/) и при электрической нагрузке Р<РН (2)
интенсивности отказов от времени при использовании резисторов в номинальном режиме (/) и при электрической нагрузке Р<РН (2)
период времени 0—1\ вызванапериод времени 0—1\ вызванаБольшая интенсивность отказов в
период времени 0—1\ вызвана
период времени 0—1\ вызвана
производственными дефектами резисторов. Этот период обычно на- 1 зывают периодом приработки. Приблизительно постоянное значение ■ интенсивности отказов характеризует период нормальной эксплуа- ■ тации. При снижении электрической нагрузки увеличивается про- ■ должительность начального этапа, в течение которого происходит I уменьшение интенсивности отказов, но становится и более длитель- ■ ным период эксплуатации при X = const.1
Для экспериментального определения интенсивности отказов осуществляют испытания определенного количества резисторов.
Выборка — эта часть элементов, отобранных из контролируемой партии и непосредственно подвергаемых испытанию для оценки надежности всей партии, так называемой генеральной совокупности. Надежность характеризуется результатами испытаний выборки Хи с определенной достоверностью, которая зависит от числа элемен- , тов в выборке. При испытаниях определяют верхнюю Хтах и ниж- | нюю Хтш границы, в которых с заданной достоверностью Р находит- I ся генеральная совокупность.I
Заданная степень достоверности свидетельствует о том, что при Л достаточно большом количестве последовательных испытаний будут ■ получены предельные значения интенсивности отказов (^тах и Клип).
Так, при степени достоверности 0,9 90% приборов характеризуется интенсивностью отказов, заключенных между Хтщ и Атах-
Граничные значения доверительного интервала тем ближе нахо-, дятсякХи выборки, чем большее число отказов получено при испытаниях. Данные, необходимые для расчета, приведены в табл. 1.4.
ТАБЛИЦА 1.4
Двусторонние доверительные границы
Число отказов в выборке
Р = 0,7
Р=0,8
Р=0,9
Р=0,95
^min
^тах
Xmin
^тах
^min
'max
^min
^тах
■ %
>и
2и
1
0,16
3,5
0,106
3,9
0,051
4,74
0,025
5,57
2
0,315
2,4
0,266
2,65
0,177
3,15
0,121
3,61
3
0^467
2,0
0,367
2,233
0,273
2,583
0,205
2,92»
4
0,5
1,85
' 0,435
2,0
0,342
2,033
0,252
2,56
, 5
0,62
1,74
0,486
1,85
0,394
2,10
0,324
2,334-
6
0,65
1,65
0,525
1,758
0,435
1,973
0,367
2,177
7
0,671
1,571
0,556
1,68
0,47
1,878
0,401
2,06
8
0,687
1,525
0,581
1,625
0,497
1,804
0,421
1,97
9
0,711
1,48
0,603
1,578
0,522
1,745
0,457
1,89»
10 •
0,72
1,45
0,622
1,54
0,543
1,696
0,480
1,83»
Чтобы не увеличивать объем выборки, степень достоверности часто принимают 0,9 и ограничиваются четырьмя отказами. Как следует из табл. 1.4, в этом случае величина X находится в пределах от 0,34 Хи до 2,04 Хи.
При Дп=4 объем выборки
где Хо—ожидаемая интенсивность отказов; т—длительность испытаний.
Испытания резисторов при производстве не определяют фактически их надежности, а подтверждают то, что интенсивность отказов, не превышает значения, указанного в технических условиях по выпуску изделий (Хт). Это возможно при малом числе отказов, а также при Дп=0. В этом случае объем выборки
Wo = .(1.102)
Ат т
С увеличением н необходимый объем выборки может быть опре Делен так:
NN^тахХтт^тахХтт^тах1-^ ’^тах1-^ ’
N
N
^тахХтт
^тахХтт
^тах
1-^ ’
^тах
1-^ ’
где птах — максимальное ожидаемое число отказов в генеральной совокупности, которое соответствует допустимому числу отказов в выборке (табл. 1.5); Рт —вероятность безотказной работы за время т.
ТАБЛИЦА 1.5
Максимальное ожидаемое число отказов в генеральной совокупности
Число отказов в выборке (приемное число)
«Значения Р
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,7
1,2
2,44
3,62
4,76
5,89
7
8,11
9,21
10,3
П Л
12,45
0,8
1,61
3
4,28
5,51
6,72
7,9
9,07
10,23
11,38
12,52
13,65
0,9
2,3
3,9
5,3
6,7
8
9,25
10,55
11,75
13
14,2
15,4
0,95
3
4,74
6,3
7,75
9,15
10,51
11,84
13,15
14,43
15,71
16,96
пг
)и выборочных испытаниях существует
опасность совершения
ошибки, т. е. забракования элементов, когда они удовлетворяют требованиям по надежности, и принятия элементов, не удовлетворяю
щих заданным требованиям. Эти вероятности называются ошибками первого и второго рода или риском поставщика и риском заказчика, соответственно. Величина интенсивности отказов показывает, какая часть резисторов по отношению к среднему числу нормально работающих может выйти из строя в единицу времени (обычно в 1 ч).
Надежность резисторов оценивают также с помощью такого критерия, как вероятность безотказной работы ^Р^ ).
Вероятность безотказной работы Р^ статистически определяется как отношение количества исправных изделий за время испыта-* ний к общему количеству изделий, поставленных на испытание.
Так, например, если за некоторый интервал времени (1000 ч) на каждую тысячу испытываемых резисторов приходится один отказ, то вероятность безотказной работы резистора за это время составляет 99,9%.
Вероятность безотказной работы Рх связана с интенсивностью отказов X следующим соотношением
Л = 1-е-х\ (1.103)
При X О 1
Nq
Испытания резисторов на надежность обычно проводят при максимальной температуре, при которой допускается нагрузка номинальной мощностью. В качестве критерия годности обычно принимают изменение величины сопротивления.
Различие понятий производственной и эксплуатационной надежности резисторов состоит в следующем. Производственная надеж-' ность характеризует качество отдельного резистора, а эксплуатаци-
онная надежность определяет работоспособность резистора в конкретной схеме и конкретных условиях применения.
Показатели производственной и эксплуатационной надежности резистора обычно значительно отличаются. Это обусловлено тем, что производственные испытания на надежность проводятся в режимах максимальной нагрузки, а эксплуатация резистора часто осуществляется с небольшой нагрузкой. Кроме того, при производственных испытаниях критерии годности бывают значительно более жесткими по сравнению с критериями годности при работе в различ- ■ ных конкретных схемах. Число критериев годности при определении эксплуатационной надежности значительно больше, чем при определении производственной надежности.
Для аппаратуры общего назначения, где большинство резисторов работает в недогруженных режимах, интенсивность их отказок- составляет в среднем для постоянных резисторов 1(Мщ10~7 ч-1 if для переменных резисторов 10~5-4-1(Н ч-1. При использовании резисторов в номинальных режимах интенсивность отказов возрастает в несколько раз.
Определение эксплуатационной надежности резисторов опытным путем считается нецелесообразным, поскольку для этого требуется? огромная программа испытаний и весьма значительные материальные средства. Поэтому показатели эксплуатационной надежности получают на основе обработки статистических материалов по использованию резисторов при конкретных режимах в различной аппаратуре.
Важное значение имеет правильный выбор методов определении надежности. Требования к надежности резисторов непрерывно возрастают в связи с усложнением схем и увеличением общего числа элементов в схемах. Чем выше заданная надежность резисторов,, тем труднее ее контролировать. Метод определения надежности резисторов путем их испытания в течение нескольких тысяч часов в номинальном режиме неэффективен и весьма трудоемок, так как при этом требуются большие площади, специальное оборудование и значительное количество электроэнергии. Данные о надежности отдельной партии резисторов могут быть получены иногда через 8—10 месяцев, т. е. когда резисторы уже переданы заказчику и израсходовали часть своего срока службы. Чтобы ускорить получение информации о надежности резисторов, для ряда типов резисторов разработаны ускоренные методы испытаний, позволяющие сократить объем и длительность испытаний. Однако, чтобы на основе ускоренных испытаний можно было судить о надежности резисторов при нормальных условиях эксплуатации, необходимы исследования по взаимосвязи между физическими процессами в элементах при нормальном и ускоренном старении.
Ускоренные испытания обычно проводят в режимах, при которых процессы, приводящие к отказам, развиваются интенсивно.
Для ускоренных испытаний резисторов определяют также режимы, при которых процессы старения и отказы идентичны длительным испытаниям. Так, например, при эксплуатации проволочных.
резисторов мал процент отказов, связанных с обрывом провода. Однако при повышенной влажности и нагрузке током отказы, связанные с обрывом провода, составляют довольно высокий процент, что связано с явлением электрохимической коррозии. Следовательно, данный режим не может быть рекомендован для ускоренных испытаний проволочных резисторов.
Довольно жестким режимом испытаний является режим включения— выключения с периодом в несколько минут, что соответствует примерно времени установления температурного равновесия резистора. Периодически повторяющийся тепловой переходный процесс способствует возникновению напряжений в различных элементах конструкций резистора и может привести к отказу.
Относительной оценкой качества резисторов можно считать уровень собственных шумов. Резисторы, обладающие повышенным уровнем собственных шумов, оказываются, как правило, менее надежными при эксплуатации.
ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЗИСТОРОВ
Переменные резисторы наряду с такими основными параметрами, как RH, Рн, э. д. с. шумов, Ки, обладают рядом специфических параметров: функциональная характеристика, начальный скачок сопротивления и т. п. Эти характеристики имеют важное значение, так как по ним определяют возможности использования переменного резистора в конкретной электрической схеме.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Функциональная характеристика переменного резистора показывает изменение сопротивления проводящего элемента в зависимости от положения подвижного контакта. Наиболее распространенные переменные резисторы имеют линейную функциональную характеристику, т. е. зависимость А7Дп=/(<р/фп) представляет собой прямую линию (А на рис. 1.28). В радиотехнической аппаратуре широко используют резисторы с логарифмической и обратно-логарифмической функциональными характеристиками (Б и В на рис. 1.28).
Качество функциональной характеристики резистора определяется границами допускаемых отклонений и ее плавностью.
Если с увеличением угла поворота подвижного контакта сопротивление резистора монотонно возрастает, характеристика считается плавной. Если же в проводящем элементе резистора имеются участки, неоднородные по удельному сопротивлению, или различные дефекты, окисные пленки, то плавность функциональной характеристики нарушается. Это нарушение выражается, например, в том, что при некотором малом перемещении подвижного контакта сопротивление резистора остается постоянным: резко увеличивается
или уменьшается. Когда резистор обладает неплавной функциональной характеристикой, затрудняется регулировка и подстройка схем электронной и радиоэлектронной аппаратуры.
Требования к плавности функциональных характеристик резисторов постоянно возрастают. Имеющиеся статистические материа
лы по исследованию функциональных характеристик резисторов позволяют устанавливать критерии плавности.
Проверку плавности функциональных характеристик можно производить омметрами при вращении подвижной системы резистора до упора и обратно. Ток в измерительной цепи для высокоомных резисторов устанавливают не более значения, соответствующего номинальной мощности рассеяния, и для низкоомных резисторов не более 10 ма.
Однако оценка на омметрах носит несколько субъективный характер, зависит от опытности и внимания оператора. Поэтому функциональные характеристики резисторов снимают обычно на специальных установках, предназначенных для их автоматической регистрации с помощью самописцев (рис. 1.29).
Работе установки с операционным усилителем, показанной на рис. 1.29,
Рис. 1.28. Функц" нальные характеристики переменных рези- сторов:А — линейная; Б — логарифмическая; В — обратно-логарифмическая; <р — угол поворота подвижной системы; срп — полный угол поворота подвижной системы; R — сопротивление при данном угле поворота подвижной системы;R — полное сопротивлениеРис. 1.28. Функц" нальные характеристики переменных рези- сторов:А — линейная; Б — логарифмическая; В — обратно-логарифмическая; <р — угол поворота подвижной системы; срп — полный угол поворота подвижной системы; R — сопротивление при данном угле поворота подвижной системы;R — полное сопротивлениеа, соответствует уравнениеа, соответствует уравнение^ВЫХ ~ ^ВХ-Э^ВЫХ ~ ^ВХ-ЭRR-лRR-лРис. 1.29. Блок-схемы установок для регистрации функциональных характеристик резисторов: с сопротивлением 47 ом — 4,7 Мом (а) и 0,1 ом — 1 ком (б)Рис. 1.29. Блок-схемы установок для регистрации функциональных характеристик резисторов: с сопротивлением 47 ом — 4,7 Мом (а) и 0,1 ом — 1 ком (б)(1.104)
Рис. 1.28. Функц" нальные характеристики переменных рези- сторов:
А — линейная; Б — логарифмическая; В — обратно-логарифмическая; <р — угол поворота подвижной системы; срп — полный угол поворота подвижной системы; R — сопротивление при данном угле поворота подвижной системы;
R — полное сопротивление
Рис. 1.28. Функц" нальные характеристики переменных рези- сторов:
А — линейная; Б — логарифмическая; В — обратно-логарифмическая; <р — угол поворота подвижной системы; срп — полный угол поворота подвижной системы; R — сопротивление при данном угле поворота подвижной системы;
R — полное сопротивление
а, соответствует уравнение
а, соответствует уравнение
^ВЫХ ~ ^ВХ-Э
^ВЫХ ~ ^ВХ-Э
R
R-л
R
R-л
Рис. 1.29. Блок-схемы установок для регистрации функциональных характеристик резисторов: с сопротивлением 47 ом — 4,7 Мом (а) и 0,1 ом — 1 ком (б)
Рис. 1.29. Блок-схемы установок для регистрации функциональных характеристик резисторов: с сопротивлением 47 ом — 4,7 Мом (а) и 0,1 ом — 1 ком (б)
где t/вых — выходное напряжение, подаваемое на вход самопишущего милливольтметра ЭПП-0,9; ивхя—входное эталонное напряжение.
Схема с операционным усилителем способна воспроизводить функциональные характеристики резисторов с номинальными сопротивлениями 47 олч-4,7 Мом.
Командное устройство обеспечивает одновременное включение привода для вращения оси испытуемого резистора, схемы на режим
Рис. 1.30. Линейные функциональные характеристики переменных резисторов:о» б — границы допустимых откло-Рис. 1.30. Линейные функциональные характеристики переменных резисторов:о» б — границы допустимых откло-измерения и привода движения диаграммной бумаги самописца. Когда ось резистора поворачивается на заданный оператором угол, устройство автоматически останавливает вращение оси, движение диаграммной бумаги и переключает операционный усилитель в режим компенсации дрейфа. Функциональные характеристики переменных резисторов, снятые на этой установке, показаны на рис. 1.30.
Рис. 1.30. Линейные функциональные характеристики переменных резисторов:
о» б — границы допустимых откло-
Рис. 1.30. Линейные функциональные характеристики переменных резисторов:
о» б — границы допустимых откло-
На рис. 1.29, б приведена разработанная авторами установка для регистрации функциональных характеристик резисторов с номинальными сопротивлениями 0,1 омч-1 ком. Особенностью этой установки явля-
ется наличие стабилизатора тока и блока дополнительной стабилизации.
Стабилизатор тока обеспечивает
иенийток, протекающий через резистор, с
заданной точностью. При увеличении сопротивления исследуемых резисторов дополнительная стаби
лизация осуществляется специальным блоком, основным эле
ментом которого является дополнительный переменный резистор R^; его сопротивление равно сопротивлению исследуемого резистора R.
Электрический привод вращает одновременно оси этих резисторов, включенных последовательно. Сопротивление резистора R при этом увеличивается, a Rr уменьшается. Если бы функциональные характеристики резисторов были полностью идентичны, то ток в цепи оставался бы постоянным и напряжение на входе самописца определялось сопротивлением исследуемого резистора.
Колебания тока в цепи, вызванные различием функциональных характеристик и номинальных значений резисторов R^ и R, компенсируются стабилизатором тока. Таким образом, блок дополнительной стабилизации позволяет расширить диапазон сопротивлений измеряемых резисторов от 47 ом до 1 ком.
НАЧАЛЬНЫЙ скачок сопротивления
Начальный скачок сопротивления — это величина сопротивления, начиная с которой имеет место плавное изменение сопротивления при перемещении подвижного контакта по проводящему элементу резистора. Начальный скачок сопротивления зависит от материала проводящего элемента, подвижного контакта и конструктивного выполнения резистора.
Рис. 1.31. Часть проводящего элемента около контактного вывода резистора (а) и распределение поля по проводящему элементу (б):
/ — изоляционное основание; 2 — проводящий слой; 3 — низкоомный контактный слой; К— подвижный контакт; оу— граница между контактом и проводящим слоем
Часть проводящего элемента около контактного вывода у большинства переменных резисторов конструктивно оформляется, как показано на рис. 1.31, а. Начальный скачок сопротивления возникает при переходе подвижного контакта с контактного слоя 3 на основной проводящий слой 2. Следовательно, расчет начального скачка сопротивления сводится к расчету сопротивления между подвижным контактом и границей низкоомного контактного слоя. При этом необходимо учитывать распределение поля в проводящем элементе.
Существуют несколько распространенных теоретических методов расчета потенциальных полей в области заданной конфигурации: с помощью функций Фурье, функций Грина, конформным преобразованием областей.
На рис. 1.31, б показано распределение поля в проводящем элементе резистора, когда подвижный контакт расположен вблизи контактного слоя. Зная распределение потенциала в проводящем элементе, определяем начальный скачок сопротивления.
При построении сетки поля проводят эквипотенциальные линии с постоянным интервалом потенциала t/ф и силовые линии так, чтобы поле было разделено на полосы равного тока. Полученные при 3* 67
этом ячейки представляют собой криволинейные квадраты, имеющие равное сопротивление.
Если интервал потенциала d^ составляет 1/п часть общего напряжения, то каждая полоса тока будет состоять из п квадратов с сопротивлением 7?кв, соединенных последовательно, а ее сопротивление будет -равно пЯта.
(1.105)(1.105)Когда число полос тока, соединенных -между собой параллельно, равно Ь, то общее сопротивление между подвижным контактом и границей контактного слоя
(1.105)
(1.105)
b b h
Таким образом, для расчета начального скачка сопротивления ' Необходимо знать п и Ь. Обычно п выбирают равным 10, 20 и т. п., а b находят из расчета. При этом можно не строить сетку поля на всей модели и проводить все эквипотенциальные линии. Достаточно найти расположение двух соседних эквипотенциальных линий, од- ' ной из которых может служить плоскость неподвижного электрода и разделить ограниченную ими полосу на квадраты, число которых будет Ь. Если первая изопотенциальная линия параллельна плоскости электрода, то
Ь=— ,
где d— ширина проводящего элемента; лу— расстояние от первой эквипотенциальной линии до плоскости электрода.
Выражение для расчета начального скачка сопротивления можно получить методом зеркальных изображений.
По методу зеркальных изображений сначала рассчитывают потенциал одного проводника в плоской решетке проводников, параллельных друг другу и проводящей плоскости. Каждый проводник зеркально отражен в проводящей плоскости с изменением знака заряда. Затем рассматривают поле совокупности проводников и их зеркальных изображений (рис. 1.32).
Рис. 1.32. Модель для расчета функциональной характеристики резистора, основанная на методе зеркальных изображений
Данную модель используют и для расчета функциональной характеристики переменного резистора, принимая, что расстояние между проводниками равно ширине элемента, а их диаметр равен диаметру контакта.
Потенциал к-го проводника
!A1£i + ^2g2<-kkgk +•■•+(1.106)
так кактак как
так как
так как
gl = gl = 1 1 1 = gk = 1 ' 1 = gn = g>
TO
Фа = g Vkl + 42 + " ‘1 + 4* + • • • + 4л), где i — потенциальные коэффициенты:
1 lkl'
l*1=w*ln hi :
1, 26
~ 2№aZ П а
1. ^кп*
"кп = 2яеа/ № 1кп •
В выражениях
hn-nd и lM = VWHW(1.108)
п— целое число.
Учитывая, что поле симметрично относительно кк можно записать
п /26Zm,Z^o-
^к =^к =—( In4- 2 In -у— 4- 2 1П +... + 2 In
^к =
^к =
2iuaZ \ ahihi
(1.109)(1.109)
(1.109)
(1.109)
На основании выражений (1.108), (1.109) потенциал запишем в следую
щем виде:
g2neaZg2neaZ(nd)2 + (26)2(nd)2 + (26)2ndndДля проводящей среды, заменив еа=еео на аДля проводящей среды, заменив еа=еео на а11=— иР=— иРg на I, получимg на I, получим(1.110)(1.110)
g
2neaZ
g
2neaZ
(nd)2 + (26)2
(nd)2 + (26)2
nd
nd
Для проводящей среды, заменив еа=еео на а
Для проводящей среды, заменив еа=еео на а
1
1
=— иР
=— иР
g на I, получим
g на I, получим
(1.110)
(1.110)
Если сумму логарифмов заменить логарифмом произведения, выражение (1.110) будет иметь вид
Гиперболический сииусГиперболический сииусП/д;2 \I 1 + — .6=1П/д;2 \I 1 + — .6=126Положим, что х =—— л, тогдаа26Положим, что х =—— л, тогдааОтсюдаОтсюдаПодставив выражение (1.112) в (1.110), получимПодставив выражение (1.112) в (1.110), получим(1.112)(1.112)илиили^2л/^2л/26In —+ Inа26In —+ Inа/р ■ 1 -In 2л//р ■ 1 -In 2л/(1.113)(1.113)
Гиперболический сииус
Гиперболический сииус
П/д;2 \
I 1 + — .
6=1
П/д;2 \
I 1 + — .
6=1
26Положим, что х =—— л, тогдаа
26Положим, что х =—— л, тогдаа
Отсюда
Отсюда
Подставив выражение (1.112) в (1.110), получим
Подставив выражение (1.112) в (1.110), получим
(1.112)
(1.112)
или
или
^2л/
^2л/
26
In —+ Inа
26
In —+ Inа
/р ■ 1 -In 2л/
/р ■ 1 -In 2л/
(1.113)
(1.113)
На основании полученных выражений величину начального скачка сопротивления проводящего элемента можно записать следующим образом:
R =R =(1.114)(1.114)
R =
R =
(1.114)
(1.114)
Экспериментально начальный скачок сопротивления резистора определяют омметром или по функциональной характеристике, записанной на установках рис. 1.29.
МИНИМАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Минимальным сопротивлением переменного резистора называют сопротивление между выводами 1^2 или 2 и 3 при повороте подвижного контакта против часовой стрелки /?j_2mln и по часовой стрелке/?2-зт1п, соответственно (рис. 1.33).
Минимальное сопротивление обусловливается сопротивлением растекания между токоподводом и подвижным контактом (поскольку расстояние между ними фиксируется ограничителем), контактными сопротивлениями стягивания токоподвода и подвижного контакта, сопротивлениями, обусловленными окисными пленками, об-
разующимися на поверхности слоев. В общем виде минимальное сопротивление резистора
7?min—^раст + ^к1+^2 + ^/1+/?/2,■ (1.115)
где 7?Раст ■— сопротивление растекания; /?кЬ /?к2 — сопротивления переходных контактов; Rfv, Rf2— сопротивления, обусловленные окисными пленками.
Рис. 1.33. Проводящий элемент переменного резистора: d —ширина элемента, подвергаемая истираниюРис. 1.33. Проводящий элемент переменного резистора: d —ширина элемента, подвергаемая истираниюДля упрощения расчетов считаем, что места контактов во время протекания тока нагреваются незначительно, окисные пленки на контактирующих поверхно* , стях не образуются и удельное сопротивление контактного покрытия постоянно. Если принять, что контактирующие поверхности соприкасаются отдельными участками, которые имеют круглую форму и расположены на расстояниях, большихчем их радиусы, то каждый участок имеет длинную область стягивания и проводимости a-участков (пятен) контактирования аддитивно складываются. Считаем, что пятна расположены равномерно
Рис. 1.33. Проводящий элемент переменного резистора: d —ширина элемента, подвергаемая истиранию
Рис. 1.33. Проводящий элемент переменного резистора: d —ширина элемента, подвергаемая истиранию
по контактирующей поверхности, и линии тока всех а-пятен рас- ’ пределены так, будто контакт является сплошным кругом.
(1.И6)(1.И6)Сопротивление между а-пятном и точкой вне контакта при условии, что контактная пленка настолько тонка, а ее удельное сопротивление настолько мало, что эквипотенциальные поверхности а-пятна представляют собой цилиндрические поверхности, можно, представить в следующем виде:
(1.И6)
(1.И6)
^0= 1п ,2 л Лао
где рк — удельное объемное сопротивление контактного слоя; h — толщина пленки; аи — радиус и-го контактного а-пятна; d— расстояние от центра v-го а-пятна до точки вне контакта.
1 Rk1 RkппЕсли считать, что поля близлежащих а-пятен не взаимодействуют друг с другом, то величина, обратная сопротивлению контакта,
1 Rk
1 Rk
п
п
(1.117)(1.117)Ink
(1.117)
(1.117)
—
Рк 1П
ппОбщая площадь а-пятен
п
п
2^=тг2,
где у— коэффициент эффективности контакта; г — радиус контакта.
Если принять, что а-пятна одинаковы, то
па1 = уг2;
где а — радиус пятна;/г — число а-пятен.
Контактное сопротивление стягивания в этом случае «.-с-™)
Минимальное сопротивление, резистора в соответствии с формулой (1.118)
/?min = — + ——— +У?раст. ( 1,119)
поd
2лйг271 In —2лйг то I*1—-
Я12а2
Считая a = ai=fl2, у=У1=У2, получим
Сопротивление растекания определяется следующим образом. Поскольку ri, r^<Cd, размеры неподвижного контакта с удельным объемным сопротивлением рк мало влияют на сопротивление между подвижным контактом и токоподводом, и их можно считать бесконечными. При этом сопротивление растекания является сопротивлением между двумя круглыми электродами радиусами ri и г2. Заменим поле двух круглых электродов полем точечных осей I и —/„ расположенных на расстоянии I от линии с потенциалом П = 0. Согласно условию, что поверхности электрода являются эквипотенциальными линиями, находим положение нулевой эквипотенциали,. т. е. Si, S2 и / (рис. 1.34).
Потенциал поля постоянен в точках, для которых справедливо равенство
h
где /1 и /2 — расстояние от рассматриваемой точки до осей.
Таким свойством обладают точки окружности по отношению к двум взаимно-обратным точкам. Две точки называются взаимнообратными по отношению к окружности радиусом г, центр который лежит на продолжении отрезка, соединяющего данные точки, если произведение расстояний этих точек до центра окружности равно квадр-ату радиуса:
(S-/)(S+Z)=A
Рис. 1.34. Модель для расчета минимального сопротивления резистораРис. 1.34. Модель для расчета минимального сопротивления резистора
Рис. 1.34. Модель для расчета минимального сопротивления резистора
Рис. 1.34. Модель для расчета минимального сопротивления резистора
Для рассматриваемого случая это условие записывают следующим образом:
О1 — I = П,
о2 1 2,
0 2— < — Г2,
Si4-S2 — d.
Определив Sb S2 и d, находим потенциалы электродов и сопротивления между ними:
Z72 = -^'ln —
2лЛ S2 +1
Сопротивление растекания в этом случае
' (1.121)
Минимальное сопротивление резистора
О . РеAmin— _ .2лЛО . РеAmin— _ .2лЛ(1.122)(1.122)И^ , ln (Si + /)(S2 + Z)
О . РеAmin— _ .
2лЛ
О . РеAmin— _ .
2лЛ
(1.122)
(1.122)
, d , 2Г^
Tln—(r2 + r2)
Равенство (1.122) можно рассчитать, если известны размер контактных систем и эффективная площадь контактирования, которые
зависят от свойств используемых материалов, давления контактов на проводящий слой.
Измерение минимального сопротивления резистора производят омметром или другим прибором для измерения сопротивления. При этом ток в измерительной цепи не должен превышать тока, соответствующего номинальной мощности рассеяния.
ИЗНОСОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОВОДЯЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
Износоустойчивость — один из важных параметров переменного резистора, характеризующий его работоспособность при большом количестве циклов движения подвижного контакта.
Как известно, для снижения переходных контактных сопротивлений в конструкциях переменных резисторов часто предусматривается значительное давление подвижного контакта на проводящий элемент. Однако это приводит к увеличению износа последнего при большом числе циклов движения контакта.
Износоустойчивость проводящего элемента резистора зависит от материалов элемента и подвижного контакта, состояния их поверхностей, величины давления подвижного контакта на элемент и т. и.
Изменение сопротивления резистора, которое сопровождается разрушением проводящего элемента под действием подвижного контакта, зависит от формы этого элемента.
На рис. 1.33 показан проводящий элемент резистора шириной Ь, подвергаемый механическому воздействию подвижного контакта.
Расчет относительного изменения сопротивления при полном разрушении проводящего элемента под действием подвижного контакта легко выполнить преследующих допущениях:
сопротивление в местах соединения выводов с проводящим элементом после испытания на износоустойчивость изменяется незначительно;
подвижный контакт перемещается по средней части проводящего элемента резистора.
Как показано ранее, сопротивление проводящего элемента переменного резистора
Я=ЯКВ 21+1L.2У_
Г^ — Гх 360
контакта (рис. 1.33)К2 + Гз) (Г4 + Гр(г2 — г3) ОЧ-п) р лрГ2 + г3 , г^гхконтакта (рис. 1.33)К2 + Гз) (Г4 + Гр(г2 — г3) ОЧ-п) р лрГ2 + г3 , г^гхСопротивление резистора после износа части проводящего элемента под действием подвижного
контакта (рис. 1.33)
К2 + Гз) (Г4 + Гр
(г2 — г3) ОЧ-п) р лр
Г2 + г3 , г^гх
контакта (рис. 1.33)
К2 + Гз) (Г4 + Гр
(г2 — г3) ОЧ-п) р лр
Г2 + г3 , г^гх
^2 + Гй ЛерГ 4 + П Лу
Я' —~' 360 КВ г4 - Г] ' 360
. П ^ /г2 + г3 Г4 + Г] \ 360 \г2 — г3 Гь—Гх)
Здесь г3= 2.2+ П +Л ; r 322
где d — диаметр подвижного контакта.
Относительное изменение сопротивления резистора
8=8=R'R'RR■100%.■100%.
8=
8=
R'
R'
R
R
■100%.
■100%.
Выразив г3 и г4 через Гь г2 и d, получаем общее выражение для относительного изменения сопротивления резистора
8=11.1012 }
L 4(г2-г1-й')(г2 + п)2J ° I ,
Рис. 1.35. Схема включения резисторов при испытании на износоустойчивостьРис. 1.35. Схема включения резисторов при испытании на износоустойчивостьТаким образом, относительное изменение сопротивления резистора после испытания на износоустойчивость определяется размерами проводящего элемента и конструкцией подвижного контакта.
Рис. 1.35. Схема включения резисторов при испытании на износоустойчивость
Рис. 1.35. Схема включения резисторов при испытании на износоустойчивость
сопротивлением. Напряжениесопротивлением. НапряжениеИспытание резисторов на износоустойчивость проводят на специальных стендах, позволяющих перемещать подвижный контакт резистора в пределах полного угла поворота с заданной скоростью при подаче на проводящий элемент электрической нагрузки. На стенды обычно устанавливают несколько пар переменных резисторов с одинаковым номинальным
сопротивлением. Напряжение
сопротивлением. Напряжение
подводят к каждой паре резисторов, как показано на рис. 1.30. Величина напряжения, подаваемого на резисторы, должна соответствовать их номинальной мощности рассеяния.
КОНТАКТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
При конструировании переменных резисторов важное значение имеет выбор материала для подвижного контакта, поскольку от этого материала и величины контактного давления зависят такие параметры переменного резистора, как минимальное сопротивление, начальный скачок сопротивления, диапазон регулирования сопротивления, износоустойчивость.
Необходимо выбирать такой материал и такое давление подвижного контакта, которые позволяли бы получать минимальный износ пары контакт — проводящий элемент и обеспечивали бы стабильность электрических параметров изделия в течение заданного срока эксплуатации.
Конт актируется подвижный контакт резистора с проводящим элементом вследствие шероховатости поверхностей лишь отдельными участками, площадь которых может составлять незначительную часть от общей поверхности контакта.
Определим площадь фактического контактирования с учетом микрошероховатостей контактирования, полагая, что имеет место упругая деформация контактирующих участков.
Поверхность с определенным микрорельефом моделируется в виде набора сферических выступов радиусом г, расположенных с постоянной плотностью, закон распределения которых по высоте описываются степенной функцией. Будем считать число выступов* столь большим, что функция У непрерывна
П — \ Чах / ’П — \ Чах / ’(1.125)(1.125)
П — \ Чах / ’
П — \ Чах / ’
(1.125)
(1.125)
ГДе Чах £’ Пк’ п —ЧИСЛ0 контактирующих выступов и общее число выступов соответственно; ф— сближение, равное деформации наиболее высокого выступа; /гтах— максимальная высота выступов; У и Q — константы.
Рассмотрим случай контактирования щетки с заданным микрорельефом и гладкой абсолютно твердой поверхностью. В этом случае деформация отдельного единичного выступа ф^ под действием нагрузки pt определяется формулой Герца
^. = 0,83а?/3(1-Р-2) Е^г"3,(1.126)
где Pt — нагрузка на единичный выступ; ц— коэффициент Пуассона; Е — модуль Юнга; г—радиус сферы.
При относительной деформации Si нагрузка, воспринимаемая единичным выступом,
pt = kyii3=kx^1 — efa,
откуда
1 — (Л2
Так как йпк=пУйе?-х4е, величина полной нагрузки, приложенной к поверхности,
"к
^^^ P1 = S Pid^K^ к^Уа^-е^е8-1 de. оо
Выполнив интегрирование, получим
Р=кгкхпУе8**3,(1.127)
где кг— коэффициент, зависящий от Й.
Выражение для определения величины сближения в зависимости от нагрузки
22
e=P28+3(A2MZ) 22+3-
/Подставив значение &ь получим
2
(1.128)(1.128)/3/4(1—ц2)р р2+3
(1.128)
(1.128)
\ k^nYErW^S
Выражение (1.128) показывает, что величина сближения определяется распределением выступов по высоте, характеризуемым параметрами У, k-i, Е, г, Нтах; сближение зависит от нагрузки в сте- 2
пени: при Q = 0, 1, 2 показатель степени равен соответственно 2/3, 2/5, 2/7.
Используя кривую опорной поверхности с учетом продольной и поперечной шероховатости и зная величину сближения, можно определить площадь фактического контакта. В большинстве случаев начальную часть кривой опорной поверхности можно описать уравнением
«=-1-8е<»>(1.129)
где и = ——=— отношение -площади фактического контакта (примерно равной половине площади сечения выступов а) к номинальной площади Sa; б, ® — константы.
Уравнение (1.129) справедливо при иСД4, что имеет место в большинстве практических случаев. Если известна кривая распределения выступов по высоте, то, подставив в формулу (1.129) величину относительного сближения е, получим площадь касания. Так как опорная поверхность определяется формой выступов и распределением их по высоте, можно установить для рассматриваемой модели связь между кривой распределения выступов по высоте и кривой опорной поверхности. В соответствии с формулой Герца площадь единичного выступа пропорциональна его сближению, т. е.
S. = itrg6,., откуда
St = S'-^-=S'
Ф Ф
где S' — площадь контакта самого высокого выступа при сближении ф.
В этом случае -
5r=l S(dnK =- \ е2 1 (81 — e)de= ——— е"+Г (1.130)
оо
Из формулы (1.129) получим
Sr=-l-Sa8e->.(1.13Г
Сравнение формул (1.130) и (1.131) позволяет установить зависимость между коэффициентами кривой распределения выступов\и кривой опорной поверхности:
Q=w—1;(1.132)
у 8а6я Д5а6м. -
где AS0 — площадь одного выступа.
Подставив значение е, определенное по (1.128), в (1.129) и зная значения коэффициентов Й и У, получим выражение, описывающее площадь фактического контакта:
2ш+1,(1.134)2ш+1,(1.134) J3/4B^^itry^^
2ш+1
,(1.134)
2ш+1
,(1.134)
L 2№кг^хЕ
где рн — номинальное удельное давление; коэффициент ^2 при ©=:1, 2, 3 равен соответственно 1; 0,4; 0,22.
Упростим полученное выражение:
(Г \2о> + 1 / п \2«> + 1
\ "max /\ с /
где
ГL — 112^4-f
63=L3/4(l-^2)7t62a>2 ^(«-ij
Полученная формула относится к плоскому контакту. В случае сферического точечного контакта контурную площадь касания рассчитывают по формуле Герца, когда сфера и плоскость не имеют микрошероховатостей. Контурная площадь касания сферы радиусом гс с плоскостью [69]
5с = 2,6[гсР(1-р.2)£--1]2'3.(1.135)
Величина фактической площади контактирования
О)6о>+2
/ - \2<о"+1 -—/ р \6а>4-3
Sr=«Sc=W-^-) Гс“+,(1.136)
'"шах /\ Е ]
где
13
й4=2,62“+1й3(1-|12)6“+3.
Если микрорельефы обеих поверхностей идентичны, при расчете необходимо учитывать вероятность соприкасания отдельных выступов. Зависимость между площадью и сближением двух шерохо-
в^ых поверхностей описывается выражением [69]в^ых поверхностей описывается выражением [69](1.137)(1.137)гдегдеАб81$2 (^max 1 +I^max2)Аб81$2 (^max 1 +I^max2)^5 —^5 —"maxl'^axS
в^ых поверхностей описывается выражением [69]
в^ых поверхностей описывается выражением [69]
(1.137)
(1.137)
где
где
Аб81$2 (^max 1 +I^max2)
Аб81$2 (^max 1 +I^max2)
^5 —
^5 —
Sl’2 h
”maxl, 1 majqz
Индексы 1 и 2 имеют параметры, относящиеся к первой и второй поверхности соответственно. Зависимость параметра кв от ей и <bj дана в табл. 1.6 [69].
ТАБЛИЦА 1.6
о>1
1
. 2
3
2
3
0,50
0,33
0,25
0,33
0,16
0,10
0,25 0,10
0,05
Анализ формул (1.129) и (1.137) показывает, что контакт двух шероховатых поверхностей может быть описан формулой (1.134), если полагать, что ю^сщ + юг; 6 = кв; kmax = hmaxi + hmax2, а
1 —I4,2^2
Ё Ei + Е2
Когда контактирующие поверхности идентичны и
<0=2^; 8=22“8?^; ктах = 2ктах1,(1.138)
с помощью формул (1.125), (1.129), (1.132), (1.133) можно рассчитать среднюю величину пятна касания
А С S, _ Sa6e“ _ ^max „
До к=е.
ПК п¥гй щ
?^±А 2ш+2 2™ ,2т+1 2^+Г.2«>+1 I Г Мтах?^±А 2ш+2 2™ ,2т+1 2^+Г.2«>+1 I Г Мтах"3/4(1-tx2)/,H"l2m+1к^Е J"3/4(1-tx2)/,H"l2m+1к^Е J(1.139)(1.139)Подставив е из формулы (1.129),получим
?^±А 2ш+2 2™ ,2т+1 2^+Г.2«>+1 I Г Мтах
?^±А 2ш+2 2™ ,2т+1 2^+Г.2«>+1 I Г Мтах
"3/4(1-tx2)/,H"l2m+1к^Е J
"3/4(1-tx2)/,H"l2m+1к^Е J
(1.139)
(1.139)
Таким образом, средняя площадь пятна касания увеличивается с увеличением радиуса закруглений выступов микрорельефа макси-
мальной высоты /гтах и давления ра и уменьшается с увеличением модуля упругости материала. i
Профилограмма поверхности плоского контакта показана на рис. 1.36, а, по ней построена кривая опорной поверхности (рис. 1.36, б).
Приведенные соотношения позволяют рассчитывать фактическую площадь соприкосновения подвижного контакта резистора с проводящим элементом, оценить размер единичного контакта, что
Рис. 1. 36. Профилограмма п<№ерхности плоского контакта (а) и кривая опорной поверхности (6)
является весьма важным при конструировании резистора —при выборе контактного давления, материалов контактной пары, обработки поверхности контактирующих материалов.
Поскольку сопротивление единичного контакта,радиусом г равно R'=p/2r, то полное сопротивление контакта'
а где п —число контактных пятен.
Схема, поясняющая принцип измерения контактного сопротивления переменного резистора, показана на рис. 1.37, а. Измерение напряжения на контактном сопротивлении RK производят прибором с большим входным сопротивлением 7?вх. В этом случае
u^kRAKR".
Если 1г > /2, то п ^вх
Измерение контактного сопротивления резистора можно производить при номинальном или при меньшем значении тока, поскольку характерная зависимость контактного сопротивления от тока линейна в сравнительно широком диапазоне (0,1—Ином) (рис. 1.37,6).
Установка ИКС-1, разработанная авторами на кафедре электротехнических материалов МЭИ (рис. 1.38), состоит из стабилизатора переменного напряжения СН, с помощью которого производится нагрузка измеряемого резистора R заданным током, выпрямителя В с регулируемым напряжением на выходе и фильтра Ф.
Рис. 1.37. Схема измерения контактного сопротивления (а) и зависимость последнего от тока (б)
Рис. 1.38. Блок-схема установки для измерения контактных сопротивлений переменных резисторов
Измерение напряжения, возникающего на контактном сопротивлении, производится потенциометрам/3 (Р-336). С помощью командного устройства КУ осуществляется управление схемой, поворот подвижного контакта резистора на заданный угол.
Глава вторая
УГЛЕРОДИСТЫЕ РЕЗИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Углеродистые резисторы — это резисторы поверхностного типа, проводящий элемент которых представляет собой пленку пиролитического углерода, полученную разложением углеводородов при высокой температуре в вакууме или в среде инертного газа.
Как уже отмечалось, на протяжении более 20 лет углеродистые резисторы являются одним из наиболее распространенных типов по- J стоянных резисторов, выпускаемых в нашей стране .•j
Такое широкое применение в электронной и радиоэлектронной > аппаратуре углеродистые резисторы получили благодаря ряду цен- J ных свойств: высокой стабильности параметров, стойкости к им- | пульсным перегрузкам, низкому уровню шумов, небольшому и од- | нозначному температурному коэффициенту сопротивления, малой зависимости сопротивления от напряжения и частоты и относительно низкой себестоимости. Эти преимущества резисторов обусловлены свойствами пиролитического углерода —его теплостойкостью, химической стойкостью, сравнительно большим удельным сопротивлением, возможностью получения проводящих слоев с регулируемой величиной сопротивления и низким ТКр.
На основе пленок пиролитического углерода сконструированы мощные резисторы, используемые большей частью в радиопередающей аппаратуре. Малая толщина и высокая степень однородности проводящих пленок пиролитического углерода позволили использовать их для создания серии высокочастотных резисторов.
Очень тонкие слои пиролитического углерода имеют сравнительно малую стабильность характеристик, поэтому предельные величины сопротивлений углеродистых резисторов ограничены значениями 9—10 Моя.
- § 2.2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПИРОЛИТИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА1
Пиролитический углерод получают термическим разложением паров углеводородов без доступа воздуха. В качестве веществ, подвергаемых пиролизу, выбирают, нак правило, углеводороды метанового ряда, обладающие способностью при высокой температуре раз-
лагаться с образованием на раскаленной поверхности изоляционных оснований пиролитического углерода
сл=лсф|Н,
В отечественной технологии троизводства углеродистых резисторов наибольшее распространение получил метод пиролитического разложения гептана (СуН16).
Пиролитический углерод по структуре и свойствам близок к графиту— одной из аллотропных форм чистого углерода.
Атомные слоиАтомные слоиРис. 2.1. Структура монокристаллического графитаРис. 2.1. Структура монокристаллического графитаГрафит кристаллизуется по гексагональной системе. Атомы углерода расположены в параллельных слоях (рис. 2.1) решетки монокристалла графита, расстояние между которыми составляет 3,34—3,39 А. Связь между отдельными слоями атомов очень слабая, однако в пределах одной плоскости каждый атом имеет сильную го- меополярную связь с тремя ближайшими атомами. Такая структура кристаллов графита обусловливает анизотропию его физических и механических свойств.
Атомные слои
Атомные слои
Рис. 2.1. Структура монокристаллического графита
Рис. 2.1. Структура монокристаллического графита
атомных слоев по своей природеатомных слоев по своей природеПроводимость графита в направлении базисной плоскости
атомных слоев по своей природе
атомных слоев по своей природе
близка к проводимости металлов. Удельное сопротивление в этом направлении составляет (3—5) • 10-7 ом-м, температурный коэффициент сопротивления — положительный. Проводимость монокристалла графита в направлении, перпендикулярном базисной плоскости атомных слоев, значительно меньше. В этом направлении удельное сопротивление около 10-4 ом-м, а температурный коэффициент сопротивления — отрицательный.
Структура пиролитического углерода отличается от структуры монокристаллического графита уменьшенным расстоянием между 'атомами углерода в базисной плоскости гексагональной структуры (1,39А вместо 1,42А), а также отсутствием строгой периодичности в расположении атомных слоев. Расстояния между параллельно расположенными слоями несколько больше, чем у монокристаллов графита, и достигают величины 3,7 А.
Пиролитический углерод состоит из отдельных поликристалли- ческих конгломератов, осажденных .на поверхность керамического основания.
Удельное объемное сопротивление пиролитического углерода равно (1—2) • 10~5 ом-м, температурный коэффициент сопротивления в широком интервале температур всегда отрицателен и равен — (2—4) ■ 10-4 грасН.
Электрические свойства пленки пиролитического углерода занимают как бы промежуточное положение между свойствами графита в двух взаимно перпендикулярных направлениях — обладают значительным удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления (табл. 2.1).
ТАБЛИЦА 2.1
Характеристики различных модификаций углерода
Характеристика
Монокристалл графита
Поликристал- лический графит
Пиролитический углерод
вдоль базисных плоскостей
поперек базисных плоскостей
Удельное сопротивление, ом -м
(3-5). 10-7
10-4
(1—50). 10-6
(1—2). 10-5
Температурный коэффициент удельного сопротивления, град-1
Температурныйкоэффи
циент линейного расширения аг-106, град-1 . . .
+(7-10)Х ХЮ-з
-4-10-2
—1-10-3
—(2—4)х Х10-4
6,6
26
7,5
6,5-7 -
Плотность, кг/м3 . . . . .
2240
2240
2260
2050—2070
Величины удельного сопротивления и ТКр, приведенные в табл. 2.1, относятся к пленкам пиролитического углерода толщиной
Рис. 2.2. Зависимость сопротивления R и ТКр пленок от количества осажденного пиролитического углерода (элементы для резисторов мощностью 0,5 вт):/, 2—фарфоровое основание, обработанное плавиковой кислотой; 3, 4— фарфоровое основание, шлифованное кварцевым пескомРис. 2.2. Зависимость сопротивления R и ТКр пленок от количества осажденного пиролитического углерода (элементы для резисторов мощностью 0,5 вт):/, 2—фарфоровое основание, обработанное плавиковой кислотой; 3, 4— фарфоровое основание, шлифованное кварцевым пескомболее Ю-6 см. С уменьшением толщины пленки пропорциональность между проводимостью и количеством осажденного углерода нарушается, а абсолютное значение ТКр пленки начинает резко увеличиваться (рис. 2.2). Это происходит вследствие ухудшения ориентации кристаллитов в пленке, нарушения ее цельности. Электропроводность пленки
Рис. 2.2. Зависимость сопротивления R и ТКр пленок от количества осажденного пиролитического углерода (элементы для резисторов мощностью 0,5 вт):
/, 2—фарфоровое основание, обработанное плавиковой кислотой; 3, 4— фарфоровое основание, шлифованное кварцевым песком
Рис. 2.2. Зависимость сопротивления R и ТКр пленок от количества осажденного пиролитического углерода (элементы для резисторов мощностью 0,5 вт):
/, 2—фарфоровое основание, обработанное плавиковой кислотой; 3, 4— фарфоровое основание, шлифованное кварцевым песком
при малом количестве пиролитического углерода осуществляется через соединительные мостики между отдельными скоплениями углерода, осаждающимися в
наиболее низких участках микрорельефа изоляционного основания.
Увеличение ТКр и -нарушение пропорциональности между проводимостью и количеством осажденного углерода начинается при поверхностных сопротивлениях Rkb — 1,5—2 ком. По мере сглаживания
рельефа изоляционного основания величина сопротивления, с которой начинается рост ТКр, повышается.
Структура и свойства пленки пиролитического углерода зависят от температуры процесса разложения углеводородов, степени вакуума, скорости проведения реакции и от степени шероховатости рельефа поверхности изоляционного основания. С увеличением температуры пиролиза происходит -увеличение размеров кристаллов, уменьшение содержания различных примесей в углероде и уменьшение- величины удельного сопротивления (рис. 2.3).
Образование пленки в процессе реакции, по мере увеличения количества вступившего в реакцию углеводорода, можно иллюстрировать зависимостью проводимости пленки от времени осаждения Т
Рис. 2.3. Зависимость удельного сопро- Рис. 2.4. Зависимость проводимо- тивления пиролитического углерода от сти пленки, осаждаемой на кера- температуры пиролизамическом основании, от времени!
осаждения
при условии постоянства скорости процесса пиролиза (рис. 2.4). В течение времени осаждения, соответствующего участку ОА, осаждающийся углерод в виде поликристаллических конгломератов заполняет низины рельефа шовержости, не создавая сплошных цепей электропроводности. Участок кривой АБ соответствует образованию цепей электропроводности, в том числе за счет электропроводности контактных зазоров и очень тонких пленок, образованных на выпуклых частях рельефа. Сплошная пленка углерода на участке АБ в этот период еще не сформировалась.
Величина ТКр очень большая по абсолютному значению у пленок вблизи точки А, постепенно уменьшается и становится равной — (2—3) • 10~4 град^х при толщинах пленки, сравнимых с величиной неравномерности рельефа (в точке Б).
Участок БВ соответствует периоду утолщения сплошной пленки. При одинаковых условиях реакции пиролиза скорость отложения пленки углерода не зависит от природы подложки, но форма участка кривой АБ изменяется в зависимости от состояния поверхности. При идеальной поверхности подложки изменение проводимости от времени будет соответствовать прямой МВ.
При пиролизе бороорганических соединений получают проводящие пленки, мало отличающиеся по внешнему виду от углеродистых
пленок, но имеющие значительно меньший ТКр. Считается, что бор способствует более полному разложению углеводородов, при этом уменьшаются межкристаллические прослойки и увеличиваются размеры отдельных кристаллитов.
Бороуглеродистые пленки получают пиролизом бороорганиче
Рис. 2.5. Зависимость удельного объемного сопротивления и температурного коэффициента бороуглеродистых пленок от содержания бора и температуры пиролизаРис. 2.5. Зависимость удельного объемного сопротивления и температурного коэффициента бороуглеродистых пленок от содержания бора и температуры пиролизаских соединений: трипропилбора (СзН7)3В, триизобутилбора (С4Н9)зВ или трихлорида бора в сочетании с метаном или органическим растворителем. ТКр бороуглеродистых пленок имеет наименьшее значение при некотором оптимальном содержании бора, причем
Рис. 2.5. Зависимость удельного объемного сопротивления и температурного коэффициента бороуглеродистых пленок от содержания бора и температуры пиролиза
Рис. 2.5. Зависимость удельного объемного сопротивления и температурного коэффициента бороуглеродистых пленок от содержания бора и температуры пиролиза
этому значению примерно соответствует также минимальное удельное объемное со
противление (рис. 2.5). С уменьшением толщины бороуглеродистой пленки, как и в случае углеродистых пленок, ТКр увеличивается.
На основе бороуглеродистых пленок разработаны прецизионные резисторы с повышенной стабильностью параметров и низким ТКр.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕЗИСТОРОВ
Одной из основных операций в технологии производства углеродистых резисторов является создание проводящего слоя пиролитического углерода на поверхности керамических оснований. Схема установки для проведения процесса пиролиза дана на рис. 2.6.
Процесс пиролиза осуществляется в специальных печах, которые представляют собой глазурованную керамическую трубу длиной 1,7—2 м и диаметром 70—100 мм. Концы трубы плотно закрываются съемными вакуумно-плотными крышками, которые имеют штуцера для подсоединения системы, обеспечивающей подачу паров углеводорода при одновременной откачке воздуха. С целью получения необходимого вакуумного уплотнения концы трубы обычно имеют воздушное или водяное охлаждение.
В качестве нагревательного элемента вакуумной печи служит нихромовая обмотка, расположенная поверх средней части трубы. Обмотку выполняют вдоль керамической трубы с неравномерным шагом для обеспечения равномерного распределения температуры в рабочей зоне печи. Измерение и контроль температуры в камере, где проводится пиролиз, осуществляется оптическим пирометром и термопарой, которая используется для автоматического поддержа-
ния необходимой температуры пиролиза с помощью терморегулятора.
Для проведения пиролиза в печь загружают керамические основания, труба нагревается до температуры 1200—1300° К, одновременно в печи создается вакуум 10—20 н/м2. Желательно, чтобы в процессе пиролиза в рабочую камеру был минимальный доступ кислорода. Обычно возникают трудности получения высокого вакуума в термических печах большого объема при температурах порядка 1300°К.
Рис. 2.6. Схема установки для проведения процесса пиролиза: / — вакуумный шланг; 2— стекло смотрового окна; 3—-заслонка; 4 — герметизирующая прокладка; 5— фланец; 6— труба из керамики; 7 — трубки водяного охлаждения; 8— кожух, наполненный теплоизоляцией; 9— спираль нагревателя; 10 — термопара; // — механизм поворота печи вокруг продольной оси; 12 — неподвижное основание печн; 13—керамические вкладыши; 14— датчик' измерения вакуума; 15 — капилляр, регулирующий интенсивность подачи гептана; 16 — градуированный сосуд с гептаном; /7 — форвакуумный насос; /8 — автоматический регулятор температуры; 19— ультратермостат для поддержания постоянной температуры гептана; А и Б — краны для изменения направления подачи гептана
Скорость реакции пиролиза регулируется специальными устройствами (капиллярами) дифференцированно в зависимости от толщины пленки углерода для каждого типа резистора.
Для получения заданного сопротивления оснований резисторов количество заготовок строго регламентируется. Так, например, для резисторов с номинальной мощностью 0,25 вт загружают 5000 шт. керамических оснований, а для резисторов мощностью 2 вт — всего 450 шт.
При достижении необходимой температуры производится подача паров углеводорода (гептана) с одновременной откачкой продуктов разложения. Для равномерного науглероживания всех -керамических оснований в процессе пиролиза направление подачи гепта-
на меняется и производится перемешивание оснований путем вращения печи вокруг своей продольной оси. При вакуумном спосо- ■бе науглероживания получают сравнительно большой разброс величин сопротивлений.
Процесс науглероживания может продолжаться от 0,3 до 8 ч. В зависимости от продолжительности науглероживания и количества испаренного гептана на керамических оонованих получают слои пиролитического углерода с поверхностным сопротивлением от десятых долей о.ма на квадрат поверхности до 30—35 ком.
Заготовки с поверхностным сопротивлением выше этих значений •исключаются из дальнейшего производственного процесса, так как значения ТКр, уровень шумов и стабильность очень тонких пленок не соответствуют техническим условиям.
Состояние поверхности керамического основания, степень его шероховатости или микрорельеф играют очень важную роль в процессе образования углеродистой пленки и определяют в основном электрические параметры проводящих элементов.
Слой пиролитического углерода, осажденный на поверхность глазурованной керамики, не обладает достаточной адгезией и разрушается при незначительных механических воздействиях. Это может быть из-за несоответствия коэффициентов термического расширения пиролитического углерода и материала подложки и отсутствия химической связи пленки с основанием. Следовательно, необходима максимальная согласованность коэффициентов термического расширения керамики и проводящей пленки.
Для получения высокой стабильности резисторов керамические ■основания, используемые при изготовлении резисторов, должны обладать соответствующими свойствами. Поверхность керамических •оснований должна быть химически однородной и не иметь механических дефектов (трещин, сколов). Однородность микрорельефа керамики достигается специальной обработкой — травлением в растворе плавиковой кислоты или механической обработкой мелкодисперсным абразивом. Керамический материал должен быть плотным и не иметь открытых и закрытых пор. В составе керамического материала не должно быть в значительных количествах окислов щелочных металлов, поскольку в керамике, содержащей окислы калия и натрия, развиваются интенсивные электрохимические процессы, которые могут приводить к разрушению проводящей пленки.
Разработаны и выпускаются в массовом производстве цилиндрические основания из специальных керамических материалов. Получение нужных свойств оснований для резисторов сопряжено с некоторыми трудностями, так как отсутствуют достаточно эффективные методы контроля качества поверхности оснований.
Свойства пленки пиролитического углерода, как указывалось, зависят от состава и состояния поверхности керамического основания, температуры и давления в зоне реакции, степени вакуума, времени протекания процесса, состава углеводородов, подвергаемых пиролизу, и т. д. Поэтому технологический процесс поверхностной обработки керамических оснований резисторов, подготовки и проверки
вакуумной печи, загрузки и проведения реакции пиролиза строго регламентирован специальными технологическими инструкциями.
В этих инструкциях определены все необходимые режимы: длительность травления или абразивной обработки заготовок, промывка и центрифугирование, количество заготовок и порядок их загрузки в рабочую камеру, разогрев и вакуумирование печи, размер капилляра, количество гептана, подлежащего пиролизу, частота смены направлений подачи гептана, необходимый вакуум и режим охлаждения.
В технологии производства резисторов применяют также поточный метод науглероживания (схема устройства для такого метода приведена на рис. 2.7).
Рис. 2.7. Схема устройства печи поточного науглероживания:
1— нагреватель; 2— керамическая труба; 3— окно подач» стержней; 4— трубка; 5 — ввод для нейтрального газа; 6 — ввод для рабочей смеси; 7 — продольные прорези в печной трубе; 8 — ввод нейтрального газа
При поточном методе науглероживания керамические основания непрерывно пропускаются через камеру пиролиза, заполненную нейтральным газом. В качестве исходного продукта разложения обычно используют газообразный углеводород — метан (СН4), нейтральным газом служит азот. Для получения необходимого поверхностнб-- го сопротивления количество осаждающегося углерода регулируется путем изменения концентрации углеводорода в рабочей смеси, скорости ее подачи и скорости прохождения заготовок через камеру пиролиза. Режим науглероживания можно регулировать автоматически.
Чтобы получить однородные по толщине пленки углерода на ос: нованиях рабочая "камера, в которой проводится пиролиз, периодически поворачивается вокруг своей оси.
При поточном методе повышается производительность операции науглероживания, особенно для высокоомных резисторов. Однако электрические параметры резисторов, получаемых с помощью этого метода, уступают параметрам резисторов, получаемых методом науглероживания в вакуумных камерах.
После науглероживания • с целью предохранения проводящего- слоя от механических повреждений и от воздействия атмосферы среднюю часть заготовок, используемых для высокоомных резисторов, покрывают лаком. Нанесение лакового покрытия осуществляют
на конвейерах. Далее заготовки сушат инфракрасными лучами при движении по конвейеру. После покрытия лаком производят арми-
ровку выводов.
На края заготовок, используемых для производства прецизион
ных и низкоомных резисторов, наносится суспензия коллоидного графита или молекулярного серебра для создания надеж
Рис. 2.8. Зависимость [ТК р] углеродистых (7) и бороуглеродистых (2) пленок от величины сопротивления заготовокРис. 2.8. Зависимость [ТК р] углеродистых (7) и бороуглеродистых (2) пленок от величины сопротивления заготовокного контакта с малым переходным сопротивлением между проводящим слоем углерода и металлическим выводом, затем производится армировка выводов.
Рис. 2.8. Зависимость [ТК р] углеродистых (7) и бороуглеродистых (2) пленок от величины сопротивления заготовок
Рис. 2.8. Зависимость [ТК р] углеродистых (7) и бороуглеродистых (2) пленок от величины сопротивления заготовок
После армировки выводов на специальных автоматических устройствах выполняют раскалибровку заготовок на
зисторы УЛМ с сопротивлениемзисторы УЛМ с сопротивлениемгруппы по величине сопротивления.
зисторы УЛМ с сопротивлением
зисторы УЛМ с сопротивлением
Низкоомные резисторы получают непосредственно из армированных заготовок. Так ре- 220 ом, BG-0,25 и ВС-0,5 — до
510 ом, ВС-1 и ВС-2 — до 750 ом и резисторы ВС-5 и ВС-10 — до 1000 ом выполняют без нарезки.
Резисторы без спиральной нарезки с более высокими сопротивле- нями не могут быть использованы, так как у них будут большие значения ТКр и коэффициента нагрузки (рис. 2.8). Из кривой, показанной на рис. 2.8, следу
ет, что для получения высокого номинального сопротивления при малом ТКС целесообразно использовать заготовки для низкоомных резисторов. При этом увеличивается длина спирали, что приводит к снижению градиентов напряжения в проводящем элементе. Однако при очень малом шаге нарезки снижается механическая прочность проводящего слоя, поэтому
Рис. 2.9. Схема станка для спиральной нарезки на заготовках (а) и спиральная лента нарезанного резистора (б): / — заготовка; 2 — пружинные цанги; 3 — алмазный диск; 4 — сменный червяк (копир); 5— изолирующая стойка; 6 — омметрРис. 2.9. Схема станка для спиральной нарезки на заготовках (а) и спиральная лента нарезанного резистора (б): / — заготовка; 2 — пружинные цанги; 3 — алмазный диск; 4 — сменный червяк (копир); 5— изолирующая стойка; 6 — омметриспользуют заготовки с большими сопротивлениями и соответственно с большими ТКС.
Рис. 2.9. Схема станка для спиральной нарезки на заготовках (а) и спиральная лента нарезанного резистора (б): / — заготовка; 2 — пружинные цанги; 3 — алмазный диск; 4 — сменный червяк (копир); 5— изолирующая стойка; 6 — омметр
Рис. 2.9. Схема станка для спиральной нарезки на заготовках (а) и спиральная лента нарезанного резистора (б): / — заготовка; 2 — пружинные цанги; 3 — алмазный диск; 4 — сменный червяк (копир); 5— изолирующая стойка; 6 — омметр
Наиболее высокие но-
минальные сопротивления получают при нарезке заготовок по винтовой линии с различным (переменным) шагом (0,6—4,2 мм). При нарезке возникает спиральная лента из проводящего слоя, ширина которой определяется шагом нарезки, а длина зависит от числа витков (рис. 2.9). Нарезка позволяет увеличить сопротивление проводящих элементов в несколько сотен и даже тысяч раз.
Расчет шага нарезки производится следующим образом. Определяется длина витка нарезки через шаг нарезки t и диаметр основания D. При /^а
Z'^VT^+K (2.1)
Длина всей опирали
l = l'N = NV^Df^-t\(2.2)
где N— число витков спирали. Сопротивление спиральной ленты
г
где р — удельное объемное сопротивление пленки пиролитического углерода (около 10~5 ом*м); h— толщина пленки; б — ширина спиральной ленты,
8—. (2.4)
Сопротивление армированной заготовки
yLhaDyLhaD„ р г' nD °ткуда т= —„ р г' nD °ткуда т= —
yLhaD
yLhaD
„ р г' nD °ткуда т= —
„ р г' nD °ткуда т= —
где —сопротивление квадрата пленки RKB. h
Подставив в выражение (2.3) значения 6 и р/А и учитывая, что N=L/t, получим
г—* 5)
Согласно выражению (2.5) шаг нарезки
-<—.(2.6)
2 (г— г') у г —г'1 J
В формуле (2.6) вводят обычно поправочный коэффициент, равный 0,9, так как заготовки нарезаются не полностью.
Для каждого номинального сопротивления с учетом указанных факторов устанавливают оптимальные значения шага нарезки и сопротивление исходной заготовки по таблицам нарезки, которые рассчитывают и корректируют опытным путем.
Резисторы с высокими номинальными сопротивлениями получают в результате нарезки заготовок на автоматах или полуавтоматах, фиксирующих заданные сопротивления с точностью до 2—5% (рис. 2.9). Для спиральной нарезки используют высокопроизводительные станки. В ряде случаев осуществляют юстировку резисторов путем частичного снятия слоя углерода с поверхности основания. При этом изменение величины сопротивления непрерывно контролируется измерительным прибором. Увеличение сопротивления резистора при юстировке составляет 10—30%.
Рис. 2.10. Схема автоматизированной линии для производства резисторов ВС-0,25:
1— печь науглероживания; 2—автомат лакировки и сушки; 3— автомат раскалибровки (предварительной) по группам; 4 — касса; 5 — автомат армировки; 6 — автомат раскалибровки (окончательной) по группам; 7 — автомат иарезки; 8 — автомат электротренировки; 9—автомат промежуточного контроля; 10 — автомат приварки проволочных выводов; 11 — автомат окраски и сушки; 12— автомат раскалибровки по классам точности; 13— автомат маркировки и сушки; 14 — автомат упаковки; Т — транспортер
После спиральной нарезки резисторы подвергают кратковременной электрической тренировке при подаче электрической нагрузки, в несколько раз превышающей номинальную мощность. Электрическая тренировка позволяет отбраковывать изделия со скрытыми дефектами и осуществлять стабилизацию сопротивления.
Следующая технологическая операция—покрытие поверхности резистора двумя или тремя слоями эмали — осуществляется на высокопроизводительных конвейерных установках с одновременной сушкой. Покрытие осуществляют методом окунания изделий, укрепленных в специальных кассетах. В этих же кассетах производят и сушку потоком воздуха, нагретого до 430—440° К- У резисторов с осевыми выводами эмаль на поверхность наносят путем прокатывания по ванночке с эмалью во время движения ио конвейерной ленте.
После высыхания защитного покрытия резисторы подвергают раскалибровке по классам точности и по уровню собственных шумов.
Маркировку резисторов выполняют на специальных маркировочных станках. Затем резисторы укладывают в упаковочные карты и сушат в конвейерной печи с инфракрасными лампами в течение 20— 30 мин при температуре 440° К.
Большинство технологических и контрольно-измерительных операций производится на автоматах-и полуавтоматах, например сборка резисторов, которая составляет 70—90% общей трудоемкости изготовления изделия.
На рис. 2.10 приведена схема автоматизированной линии для производства углеродистых резисторов ВС-0,25, состоящая из отдельных машин, соединенных транспортерами. Проектная производительность автоматизированной линии составляет 4800 iut/ч и может быть значительно выше, если ее специализировать на производстве резисторов с определенным номинальным сопротивлением.
КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРЫРЕЗИСТОРОВ
РЕЗИСТОРЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
К углеродистым резисторам общего назначения относятся резисторы ВС (конструктивное оформление их показано на рис. 2.11).
У резисторов малой мощности основаниями служат керамические стержни, для более мощных резисторов с целью улучшения теплоотвода и уменьшения веса используют керамические трубки.
Рис. 2.11. Конструкции резисторов общего назначения ВС (а, б, в) и высокочастотных резисторов (г):1 — слой углерода; 2 — контактный слойРис. 2.11. Конструкции резисторов общего назначения ВС (а, б, в) и высокочастотных резисторов (г):1 — слой углерода; 2 — контактный слой
Рис. 2.11. Конструкции резисторов общего назначения ВС (а, б, в) и высокочастотных резисторов (г):
1 — слой углерода; 2 — контактный слой
Рис. 2.11. Конструкции резисторов общего назначения ВС (а, б, в) и высокочастотных резисторов (г):
1 — слой углерода; 2 — контактный слой
Углеродистые резисторы ВС предназначены для работы при 213—373° К и в условиях относительной влажности окружающего воздуха до 98% при 313° К.
Параметры углеродистых резисторов ВС приведены в табл. 2.2.
Допустимые отклонения от .номинальных сопротивлений составляют ±5, ±10, ±20%. Номинальная мощность рассеяния резисто-
ТАБЛИЦА 2.2
Параметры углеродистых резисторов ВС
Тин резистора
Номинальная мощность рассеяния, вт
Номинальные сопротивления, ОЛГ
Предельное рабочее напряжение*, в
Размеры, мм
постоянного илн переменного тока
импульсного тока
L
D
ВС-0,125 (УЛМ)
0,125
10—106
100
400
7
2,5
ВС-0,25
0,25
27-5,1-106
350
750
18,5
5,4
ВС-0,5
0,5
27—10?
500
1000
28,5
5,4
ВС-1
1
47-Ю?
750
1500
32,5
7,2
ВС-2
2
47-107
1000
2000
53
9,5
ВС-5
5
47—107
1500
5000
77
18,5
ВС-10
10
75—107
3000
10000
123
28,5
аитял»и^ЛЯ высокоомных резисторов, у которых нагрев при номинальной мощности незна- ЧИ1СЛСП,
ров указывается для температуры окружающего -воздуха 313° К и нормального атмосферного давления. При увеличении температуры окружающего воздуха необходимо снижать электрическую нагрузку резисторов в соответствии с графиком рис. 2.12.
Рис. 2.12. Зависимость допустимой- электрической нагрузки для резисторов ВС от температуры окружающего воздуха:Р— допустимая величина нагрузки; Рн— номинальная мощность рассеяния резистораРис. 2.12. Зависимость допустимой- электрической нагрузки для резисторов ВС от температуры окружающего воздуха:Р— допустимая величина нагрузки; Рн— номинальная мощность рассеяния резистораРис. 2.13. Зависимость температуры пе-регрева резисторов ВС от электрическойнагрузки
Рис. 2.12. Зависимость допустимой- электрической нагрузки для резисторов ВС от температуры окружающего воздуха:
Р— допустимая величина нагрузки; Рн— номинальная мощность рассеяния резистора
Рис. 2.12. Зависимость допустимой- электрической нагрузки для резисторов ВС от температуры окружающего воздуха:
Р— допустимая величина нагрузки; Рн— номинальная мощность рассеяния резистора
Зависимость температуры перегрева резисторов ВС различной мощности от электрической нагрузки показана на рис. 2.13. Наибольший перегрев при номинальной мощности нагрузки имеет место у резисторов ВС-5 и ВС-2. Резисторы с номинальной мощностью рассеяния 0,25, 0,5 ет имеют более благоприятные тепловые режимы, их перегрев составляет 40—65° К.
В нормальных климатических условиях (при 293° К и давлении 105 н]м^ температура нагрева проводящего слоя резисторов ВС не превышает 395—400° К, что считается предельно-допустимым при эксплуатации резистора в течение нескольких тысяч часов. Ограни-^ чение температуры нагрева проводящего слоя пиролитического углерода обусловлено тем, что при повышенных температурах в нем происходят процессы окисления кислородом, а это приводит к увеличению удельного сопротивления проводящей пленки (с увеличением температуры процессы окисления ускоряются).
Кроме того, нагрев резистора приводит к порче защитного эмалевого покрытия, которое при воздействии повышенных температур становится хрупким, может отслаиваться или обугливаться.
Предельное рабочее напряжение у низкоомных резисторов определяется тепловыми процессами в проводящем слое, т. е. номиналь- ' ной мощностью и номинальным сопротивлением резистора. Обычно в качестве предельного рабочего напряжения резистора указывается напряжение, при котором обеспечивается его надежная работа без пробоя или перекрытия по поверхности между выводами резистора, а также в промежутках между витками спирали. Таким образом, предельное рабочее напряжение указывается только для высокоомных резисторов, у которых нагрев при номинальной мощности незначителен.
- Для обеспечения надежной работы резисторов ВС в условиях повышенной влажности и пониженного давления устанавливают рабочие напряжения, приведенные в табл. 2.2.
Кроме того, рабочее напряжение резистора связано с необходимостью ограничения:
градиента напряжения в проводящем слое, определяющего уровень собственных шумов и коэффициент напряжения резистора;
плотности тока через контакт проводящий элемент — вывод, что также определяет уровень собственных шумов резистора.
У высокоомных резисторов ТКС достигает в среднем при 210— 300° К—(14—16) • 10-4 град-1 и при 300—370° К — (8—12) X ХХО”Л град*' .
По уровню собственных шумов резисторы ВС делятся на две группы: у группы А уровень шумов не более 1 мкв]в\ у группы Б не более 5 мкв!в.
'Коэффициент напряжения углеродистых резисторов обычно не
превышает 1,5—2%. С повышением напряжения сопротивление ре- iзистора уменьшается, т. е. коэффициент напряжения при этом
■отрицательный. Это обусловлено увеличением проводимости зазо-
:ров между отдельными частицами пиролитического углерода.
.Коэффициент нагрузки, влияющий, как уже отмечалось, на изме-
» нение сопротивления проводящего элемента под действием приложенного напряжения и нагрева, зависит от электрической нагрузки
, резистора и ТКС. Разброс значений ТКС приводит к разбросу значений коэффициентов нагрузки как для резисторов с различными
I номинальными сопротивлениями, так и для резисторов с одинаковым номиналом. Коэффициент нагрузки углеродистых резисторов
не превышает 6%. Высокоомные углеродистые резисторы имеют более низкий коэффициент нагрузки в связи с тем, что при предельном рабочем напряжении они оказываются недогруженными по мощности. Коэффициент нагрузки углеродистых резисторов чаще всего бывает отрицательным, поскольку они обладают отрицательным ТКС. Положительные значения коэффициента нагрузки (обычно очень малые) встречаются у углеродистых резисторов сравнительно редко; они связаны, как правило, с дефектами в структуре проводящей пленки (дефекты науглероживания, нарезки) или в защитном покрытии.
РЕЗИСТОРЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
К углеродистым резисторам специального назначения относятся прецизионные, полупрецизионные и высокочастотные. Технология изготовления прецизионных и полупрецизионных резисторов имеет следующие особенности:
процесс пиролиза ведется при возможно более высоком вакууме;
не применяются очень тонкие слои углерода с пониженной стабильностью и большим ТКС;
производятся электрическая тренировка резисторов и искусственное временное старение;
берется -меньшая удельная -нагрузка -с целью уменьшения зависимости сопротивления от напряжения и нагрузки;
применяется герметизация резистора или опрессовка в пластмассу.<;
Прецизионные резисторы БЛП (бороуглеродистые, лакированные, прецизионные) предназначены для измерительной аппаратуры, работающей при температурах 213—373° К, а также -в условиях Относительной влажности окружающего -воздуха до 98% при .298° К.
Проводящий элемент резисторов БЛП содержит небольшое,кФ личество бора (2—5%), что позволяет значительно снизить темпе'- - ратурный коэффициент сопротивления.
Конструктивно резисторы БЛП аналогичны резисторам ВС.
В последние годы разработаны резисторы БЛП с осевыми проволочными выводами. Номинальная мощность рассеяния резисторов БЛП равна 0,1; 0,25; 0,5; 1 вт при температуре окружающего воздуха 343° К; при температуре 373° К допускаемая электрическая нагрузка ■ резисторов составляет 0,1 Рн. Пределы номинальных сопротивлений В резисторов 1 ом—100 ком при допускаемых отклонениях ±0,5 и ™ ±1%. По величине ТКС резисторы БЛП делятся на две группы: у группы А ТКС не более 15 • 10-5 град-1; у группы Б — не более —25- Н±5 град-1.
Уровень собственных шумов резисторов не превышает 0,5 мкв]в.
Полупрецизионные резисторы УЛИ (углеродистые, лакирован- В ные, измерительные) предназначены для измерительной аппарату- В
ры, работающей при температурах 213—353° Кив условиях относительной влажности окружающего воздуха до 98% при 293° К.
Габариты резисторов УЛИ 'Примерно в 1,5—2 раза больше габаритов резисторов ВС аналогичной мощности. Снижение удельной нагрузки позволяет повысить стабильность параметров резисторов, уменьшить зависимость сопротивления от приложенного напряжения. Улучшение контактного узла резисторов УЛИ достигается путем графитирования или серебрения концов заготовок в местах создания контактов. Повышение стабильности резисторов достигается путем длительной электрической и термической тренировки.
Основные параметры резисторов УЛИ приведены в табл. 2.3.
ТАБЛИЦА 2.3
Параметры углеродистых резисторов УЛИ
Тип резистора
Номинал' ная мощность' рассеяния, вт
Номинальные сопротивления,
Предельное рабочее напряжение, в
Размеры, j«m
L
о
УЛИ-0,1
0,1
1—0,5-106
200
16
5 4
УЛИ-0,25
0,25
1—106
350
27
7,2
УЛИ-0,5
0,5
0,75-106
500
30
9'5
УЛИ-1
1
1—106
700
48
11,5
Допустимые отклонения от номинальных сопротивлений составляют ±1, ±2 и ±3%. Номинальная мощность рассеяния резисторов указывается для температуры окружающего воздуха 333°К- При температуре окружающего воздуха 353° К допустимая электрическая нагрузка резисторов составляет 0,75 Рн- В интервале рабочих температур ТКС резисторов с сопротивлением до 10 оль не превышает 3- 10~4 грисН, а в остальных случаях — не более Y0-3 грасМ.
Высокочастотные резисторы широко применяют при высоких и сверхвысоких частотах в аттенюаторах и волноводах. В связи с этим конструктивное оформление резисторов может быть различным: в виде трубок, стержней, дисков, пластинок и т. п. (рис. 2.11). Кроме того, для уменьшения распределенной емкости и устранения дополнительных диэлектрических потерь их часто выполняют без защитного покрытия.
Высокочастотные резисторы обычно используют в схемах, работающих в условиях больших импульсных нагрузок; поэтому во избежание локальных перегрузок они должны иметь однородный проводящий слой. Для резисторов больших размеров важна также равномерность удельного сопротивления по длине проводящего элемента. В связи с этим процесс пиролиза проводится в печах, у которых длина рабочей зоны с равномерной температурой в несколько раз больше длины оснований. Омические контакты на краях оснований, покрытых углеродом, наносят методом вжигания коллоидного серебра.
Параметры резисторов УНУ (углеродистых, незащищенных, уль- травысокочастотных) приведены в табл. 2.4.
ТАБЛИЦА 2.4
Параметры углеродистых резисторов УНУ и УНУ-Ш
Тип резистра
Номинальная мощность рассеяния при 313° К, вт
Номинал! ное сопротивление,
Предельное напряжение при т=1 мксек, в
Максимальная испытательная мощность импульса, кет
Размеры, мм
длина
диаметр
УНУ-0,1
0,1
от 15 до 175
100
0,37
6,2
1,6
УНУ-0,15
0,15
от 7,5 до 75
100
0,74
9,2
3
УНУ-0,25
0,25
от 7,5 до 75
250
8,2
15
4,3
УНУ-0,5
0,5
62; 75
450
3,25
25
4,3
УНУ-1
1
62; 75
500
4,0
28
6,2
УНУ-2
2
75
750
7,5
46
8,2
УНУ-5
5
50; 75
750
7.5
75
15
УНУ-10
10
50; 75
4000
212
120
24
УНУ-25
25
■ 50; 75
6500
570
180
28
УНУ-50
50
50; 75
8700
1000
250
44
УНУ-100
100
75
12500
2000
350 толщина
65
УНУ-Ш-0,1
0,1
от 4,5 до 100
80
0,11
2,5
8
УНУ-Ш-0,1-5
0,15
от 4,5 до 100
95
0,15
3,2
12
УНУ-Ш-0,25
0,25
от4,5 до 75
120
0,33
4
16
Резисторы УНУ предназначены для работы при температурах 210^-400° К, а также в условиях относительной влажности окружающего воздуха до 98% при 313° К. Резисторы с мощностью рассеяния до 2 вт включительно выполняются на стержневых основаниях, а резисторы более .мощные — на трубчатых основаниях.
Допустимые отклонения от номинальных сопротивлений для резисторов УНУ составляют ±5, ±10%.
Резисторы УНУ-Ш (углеродистые, незащищенные, ультравысо- кочастотные, шайбовые) предназначены для работы в высокочастотных цепях в качестве активных нагрузок коаксиальных линий при температурах 210—350° К, а также в условиях относительной влажности окружающего воздуха до 80% при 400° К. Основные параметры резисторов УНУ-Ш приведены в табл. 2.4.
Допустимые отклонения от номинальных сопротивлений для резисторов УНУ-Ш составляют ±5%.
ТДС резисторов УНУ и УНУ-Ш не превышает 6-10-4 град~х.
В радиопередающих устройствах, работающих на частотах ультракоротковолнового диапазона, используют резисторы УВ (углеродистые, водоохлаждаемые) в качестве поглотителей высокочастотной энергии или в качестве широкополосных эквивалентов антенн. Основным элементом конструкции резистора УВ является керамическое трубчатое основание с нанесенным на его поверхность слоем пиролитического углерода.Основание помещают в цилиндри-
ческий кожух с металлическими фланцами, имеющими штуцер с вводами для водяного охлаждения. Конструкция резистора УВ, применяемого при несимметричных нагрузках, показана на рис. 2.14.
Номинальная мощность рассеяния резисторов УВ равна 5; 20; 50 кет. Номинальные сопротивления для резисторов УВ-50 равны 51—300 ом и для других типов резисторов — 47—510 ом. Допускаемые отклонения от номинальных сопротивлений составляют ±10 и ±20%.
Рис. 2.14. Конструкция водоохлаждаемого резистора УВ: 1 — каркас резистора; 2— стяжка; 3 —крышка; 4, 5 —золотник; б — прокладка; 7 — кожух
В качестве безреактивных 'балластных нагрузок радиопередающих устройств в цепях УВЧ используют также воздухоохлаждаемые резисторы СОВ-3 (углеродистые, охлаждаемые воздухом). Они выполняются в виде керамической трубки с нанесенной пленкой углерода, охлаждаемой воздушным потоком.
Номинальная мощность рассеяния резистора СОВ составляет 3 кет, номинальные сопротивления 51 — 150 ом, допускаемые отклонения от номинальных сопротивлений составляют ±5, ±10 и ±20%.
Глава третья
МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫЕИ МЕТАЛЛООКИСНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Металлопленочные и металлоокисные резисторы широко используют в электронной аппаратуре. Объем их производства в настоящее время составляет 40—50% общего объема постоянных резисторов. Основные типы металлопленочных постоянных резисторов разработаны Б. А. Бочкаревым. Значительное увеличение выпуска металлопленочных и металлоокисных резисторов вызвано повышением требований к термостойкости, стабильности и надежности радиокомпонентов.
Металлопленочные и металлоокисные резисторы обладают рядом положительных свойств: малыми коэффициентом напряжения и коэффициентом нагрузки, небольшим уровнем собственных шумов, хорошими частотными характеристиками. Используя различные сплавы и варьируя толщину проводящего элемента, получают резисторы с широким диапазоном номинальных сопротивлений.
Проводящий элемент металлопленочного или металлоокисного резистора представляет собой тонкую пленку из сплава, металла или окислов металлов, осужденную на изоляционное основание.
В качестве изоляционных оснований в этом случае используют различные материалы: керамику, стекло, слоистые пластики, ситал- лы и др. Размеры керамических оснований постоянных металлопленочных резисторов примерно в два-три раза меньше, а удельные нагрузки, соответственно, больше по сравнению с углеродистыми резисторами аналогичной мощности.
Проводящие пленки различных сплавов, металлов, окислов металлов обладают высокой адгезией к изоляционным основаниям, поэтому их можно использовать в качестве проводящих элементов переменных резисторов. Однако высокая степень адгезии пленки к изоляционному основанию ограничивает возможности точной под- \ гонки величины сопротивления до номинального значения методом ' механического снятия проводящего слоя.
По своим свойствам металлоокисные резисторы близки к металлопленочным резисторам. Технология получения проводящих пленок на основе окислов металлов проще технологии получения пленок на основе металлов и сплавов, но металлоокисные пленки в ряде случаев более термостойки.
Применение термостойких материалов обеспечивает работоспособность металлопленочных и металлоокисных резисторов при значительно более высоких температурах по сравнению с углеродистыми резисторами.
Одним из существенных недостатков металлопленочных резисторов является их сравнительно малая устойчивость к импульсной нагрузке вследствие неоднородности тонкой металлической пленки. В импульсном режиме работы резистора в местах микронеоднородностей возникают локальные перегревы, которые могут привести "к разрушению проводящего слоя.
ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК
В технологии производства металлопленочных резисторов используют различные методы получения тонких проводящих пленок:, термическое испарение в вакууме, катодное, реактивное и ионноплазменное распыление, термическое разложение, электрохимическое и химическое осаждение, вжигание и т. п.
МЕТОД ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ
Проводящие пленки на керамических основаниях для металлопленочных резисторов получают в основном методом термического испарения металлов или различных сплавов в вакуумных камерах (рис. 3.1) при давлении 10-2—10-4 н!мг. Необходимый вакуум в рабочей камере зависит от ее размеров, от расстояния между испарителем и изоляционными основаниями резисторов.
Для получения высококачественных пленок необходимо, чтобы частицы испаряемого материала на пути от испарителя до поверхности изоляционного основания не претерпевали столкновений с молекулами остаточных газов. Это условие выполняется в том случае, когда средняя длина свободного пробега испаряемых частиц превышает расстояние от поверхности основания до испарителя. Средняя длина свободного пробега
2 3582 358Рис. 3.1. Схема установки для термического испарения металлов и сплавов:) — металллический колпак; 2— держатель подложки с нагревателем; 3 — маска; 4 — заслонка; 5 — окно; 6 — ионный датчик скорости нанесения пленки; 7 — испаритель; 8 — основной клапан; 9— охлаждаемая ловушка; 10— диффузионный насос; 11—вспомогательный насос; 12 — основной форвакуумный насосРис. 3.1. Схема установки для термического испарения металлов и сплавов:) — металллический колпак; 2— держатель подложки с нагревателем; 3 — маска; 4 — заслонка; 5 — окно; 6 — ионный датчик скорости нанесения пленки; 7 — испаритель; 8 — основной клапан; 9— охлаждаемая ловушка; 10— диффузионный насос; 11—вспомогательный насос; 12 — основной форвакуумный насосс ]/2л</2„с ]/2л</2„(3.1)(3.1)где п — концентрация частиц, прямо пропорциональная давлению газа; d—размер частицы.
2 3
5
8
2 3
5
8
Рис. 3.1. Схема установки для термического испарения металлов и сплавов:
) — металллический колпак; 2— держатель подложки с нагревателем; 3 — маска; 4 — заслонка; 5 — окно; 6 — ионный датчик скорости нанесения пленки; 7 — испаритель; 8 — основной клапан; 9— охлаждаемая ловушка; 10— диффузионный насос; 11—вспомогательный насос; 12 — основной форвакуумный насос
Рис. 3.1. Схема установки для термического испарения металлов и сплавов:
) — металллический колпак; 2— держатель подложки с нагревателем; 3 — маска; 4 — заслонка; 5 — окно; 6 — ионный датчик скорости нанесения пленки; 7 — испаритель; 8 — основной клапан; 9— охлаждаемая ловушка; 10— диффузионный насос; 11—вспомогательный насос; 12 — основной форвакуумный насос
с ]/2л</2„
с ]/2л</2„
(3.1)
(3.1)
С увеличением расстояния между испарителем и поверхностью, на которую происходит осаждение, необходимо увеличивать степень разряжения.
Испаряемый сплав или металл наносится на спираль или помещается в лодочку из тугоплавкого металла (тантала, вольфрама, молибдена). Испарение материала происходит при нагревании спирали или лодочки электрическим током.
Когда температура испарения исходного материала ниже температуры плавления, то испарение можно осуществить путем пропускания тока непосредственно через испаряемый материал, выполненный в виде ленты или спирали.
Режим испарения контролируется амперметром и вольтметром, подключенными к цепи питания испарителя, поскольку сопротивление молибденовых и вольфрамовых испарителей при нагревании до 1300° К увеличивается в 5—6 раз по сравнению с сопротивлением при комнатной температуре. При испарении сплав или металл осаждается на поверхности оснований, образуя проводящий слой. Толщина слоя зависит от времени напыления, свойств испаряемого материала и степени вакуума.
Тонкие пленки из металлов и сплавов получают также методом испарения в специальных камерах с помощью электронного луча. При этом можно испарять многие тугоплавкие металлы и сплавы. Скорость испарения легко регулируется изменением мощности электронного луча или изменением размеров нагреваемого участка. Этот метод испарения ценен тем, что позволяет избежать контакта испаряемого материала с материалом испарителя, благодаря чему удается получить пленки, идентичные по составу с испаряемым материалом.
Электронный луч используют также для очистки подложек перед испарением.
Метод термического испарения с помощью электронного луча перспективен, но требует разработки специального оборудования и технически сложен.
Метод термического испарения характеризуется следующими положительными особенностями:
возможностью получения пленок сложного состава путем одновременного испарения различных материалов;
возможностью получения тонких слоев сплавов, металлов, а также диэлектриков и полупроводников;
®) высокой чистотой проведения процесса; .
возможностью получения проводящих элементов сложной конфигурации при использовании соответствующих трафаретов.
Недостаток метода термического испарения заключается в том, что испаряемый материал осаждается по всей поверхности рабочей камеры, т. е. имеют место непроизводительные потери материала. При напылении ценных сплавов и .металлов в рабочих камерах устанавливают специальные экраны, с которых после проведения процесса металлы удаляют химическим способом и выделяют их в чистом виде из полученных химических соединений.
Нанесение тонких проводящих пленок некоторых металлов и сплавов может быть выполнено путем непосредственной сублимаций материала и осаждения его частиц на изоляционное основание. Параметры этого процесса контролируются и регулируются проще, чем параметры процессов термического испарения или катодного распыления; метод обеспечивает сравнительно высокую воспроизводимость электрических параметров получаемых проводящих элементов.
Сублимация материала обычно производится в вакуумных камерах при давлении 1СН—1СН н(м2 с тонких лент, нагреваемых до высокой температуры прямым пропусканием тока.
МЕТОД КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Метод катодного распыления появился раньше, чем метод термического испарения, и имеет по сравнению с последним ряд преимуществ:при низком вакууме (1—Метод катодного распыления появился раньше, чем метод термического испарения, и имеет по сравнению с последним ряд преимуществ:при низком вакууме (1—возможность получения ш 10 н/м2), что позволяет использовать простую аппаратуру;
Метод катодного распыления появился раньше, чем метод термического испарения, и имеет по сравнению с последним ряд преимуществ:
при низком вакууме (1—
Метод катодного распыления появился раньше, чем метод термического испарения, и имеет по сравнению с последним ряд преимуществ:
при низком вакууме (1—
-сравнительно легкое получение пленок ряда тугоплавких металлов;
хорошее управление процессом.
Осаждение проводящих пленок методом катодного распыления основано на явлении переноса частиц металла -с катода на анод при тлеющем разряде в газах. Схема установки катодного распыления показана на рис. 3.2.
Катодное распыление материалов проводится в вакуумных камерах, в которых можно создавать давление порядка 1 — \0н1м\ Катод 4 выполняют из материала, подлежащего распылению, анод 1-—из алюминия или железа. Изоляционное основание 2, на которое наносится проводящая
ВоВа Вля охлаждения I катоВаВоВа Вля охлаждения I катоВак мано- к насосу напряжение ■метрук мано- к насосу напряжение ■метруРис. 3.2. Схема установки для катодного распыления:Рис. 3.2. Схема установки для катодного распыления:1 — анод; 2 — изоляционное основание;3— экран; 4 — катод; 5 — изолирую-щая рубашка; 6 — колпак; 7— резино-вое уплотнение; 8 — металлическаяплита; у — изолятор1 — анод; 2 — изоляционное основание;3— экран; 4 — катод; 5 — изолирую-щая рубашка; 6 — колпак; 7— резино-вое уплотнение; 8 — металлическаяплита; у — изоляторпленка, помещают около анода вблизи темного катодного пространства.
ВоВа Вля охлаждения I катоВа
ВоВа Вля охлаждения I катоВа
к мано- к насосу напряжение ■метру
к мано- к насосу напряжение ■метру
Рис. 3.2. Схема установки для катодного распыления:
Рис. 3.2. Схема установки для катодного распыления:
1 — анод; 2 — изоляционное основание;3— экран; 4 — катод; 5 — изолирую-щая рубашка; 6 — колпак; 7— резино-вое уплотнение; 8 — металлическаяплита; у — изолятор
1 — анод; 2 — изоляционное основание;3— экран; 4 — катод; 5 — изолирую-щая рубашка; 6 — колпак; 7— резино-вое уплотнение; 8 — металлическаяплита; у — изолятор
Осаждение происходит наиболее интенсивно, когда темное катодное пространство занимает от V2 до 7з расстояния между катодом и поверхностью изоляционного основания. Размер темного пространства вблизи катода регулируется степенью разряжения. Разность потенциалов между анодом и катодом зависит от расстояния
между ними, степени разряжения и обычно находится в пределах от 1 до 5 кв.
Распыление материала катода осуществляется вследствие термического испарения его частиц при бомбардировке поверхности катода ионами газа, образующимися в тлеющем разряде под действием большого падения напряжения в темном катодном пространстве.
Процесс катодного распыления происходит более интенсивно при увеличении напряжения между анодом и катодом, а также при введении в рабочую камеру газов, ионы которых имеют большой молекулярный вес. Так, например, распыление металлов в аргоне происходит значительно быстрее, чем в водороде, поскольку молекулярный вес их ионов больше молекулярного веса ионов водорода.
Допустимая величина тока между анодом и катодом ограничивается из-за нагрева катода, в результате чего может иметь место интенсивное газовыделение.
Способ катодного распыления удобен тем, что скорость процесса можно легко регулировать, изменяя величину тока. Кроме того, с помощью тлеющего разряда при небольшом разряжении до процесса распыления можно осуществить очистку поверхности, на которую производится осаждение.
Необходимость тщательного предварительного обезгаживания всех деталей системы, наличие специальной системы охлаждения катода, работа с высокими напряжениями несколько ограничивают применение этого метода.
МЕТОД РЕАКТИВНОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Метод реактивного распыления для получения проводящих пленок резисторов заключается в том, что, проводя катодное распыление, добавляют реактивный газ (азот, кислород, окись углерода). Добавление к основному газу даже небольшого количества реактивного газа в значительной степени изменяет свойства получаемых пленок.
Зависимости удельного сопротивления и ТКр пленок, полученных при катодном распылении тантала в атмосфере аргона, от парциальных давлений реактивных газов, введенных в рабочую камеру, даны на рис. 3.3 Таким образом, состав и свойства пленок изменяют, регулируя содержание оксидов, нитридов и карбидов, образующихся при проведении процесса катодного распыления в соответствующей среде.
: МЕТОД ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Нанесение тонких пленок осуществляют также с помощью ионноплазменной технологии (схема установки показана на рис. 3.4). В. верхней части вакуумной камеры расположен анод 1, в нижней
части—вольфрамовый катод 2. В качестве источника распыляемого материала служит третий электрод 3 (мишень). Распыляемый материал конденсируется на поверхности изоляционной подложки 4, расположенной напротив третьего электрода 3 (мишени).
Для подогрева подложки служит нагреватель 5; перед подложкой установлен подвижный экран 6. Рядом с третьим электродом установлен неподвижный экран 7.
В рабочей камере создается давление до 10~4— 10-5 н/л<2, после чего включается нагреватель 5 и подается ток накала на катод 2. Температуру катода доводят до значения, достаточного, чтобы полу-
И/м^И/м^Рис. 3:3. Зависимости удельного сопротивления и ТКр пленок, полученных катодным распылением тантала в аргоне, от пар- ционального давления кислорода или азота-. / и 1а — при введении азота; 2 и 2а — при введении кислородаРис. 3:3. Зависимости удельного сопротивления и ТКр пленок, полученных катодным распылением тантала в аргоне, от пар- ционального давления кислорода или азота-. / и 1а — при введении азота; 2 и 2а — при введении кислородаРис. 3.4. Схема установки - для ионно-плазменного распыления:1— амод; 2 — катод: 3 — третий электрод (мишень); 4— изоляционная подложка; 5 — нагреватель; 6 — подвижный экран; 7— неподвижный экранРис. 3.4. Схема установки - для ионно-плазменного распыления:1— амод; 2 — катод: 3 — третий электрод (мишень); 4— изоляционная подложка; 5 — нагреватель; 6 — подвижный экран; 7— неподвижный экран
И/м^
И/м^
Рис. 3:3. Зависимости удельного сопротивления и ТКр пленок, полученных катодным распылением тантала в аргоне, от пар- ционального давления кислорода или азота-. / и 1а — при введении азота; 2 и 2а — при введении кислорода
Рис. 3:3. Зависимости удельного сопротивления и ТКр пленок, полученных катодным распылением тантала в аргоне, от пар- ционального давления кислорода или азота-. / и 1а — при введении азота; 2 и 2а — при введении кислорода
Рис. 3.4. Схема установки - для ионно-плазменного распыления:
1— амод; 2 — катод: 3 — третий электрод (мишень); 4— изоляционная подложка; 5 — нагреватель; 6 — подвижный экран; 7— неподвижный экран
Рис. 3.4. Схема установки - для ионно-плазменного распыления:
1— амод; 2 — катод: 3 — третий электрод (мишень); 4— изоляционная подложка; 5 — нагреватель; 6 — подвижный экран; 7— неподвижный экран
чить термоэлектронный ток в несколько ампер на квадратный сантиметр площади и между катодом и анодом прикладывают напряже- ние. Далее в камеру подается инертный газ при давлении 0,01—0,1 н!м\
Разряд получают с помощью высокочастотного трансформатора, однако при достаточно большой плотности термоэлектронного тока разряд может возникнуть сам или при небольшом повышении анодного напряжения. С появлением разряда ток достигает нескольких ампер, а напряжение на аноде падает до 40—60 в.
Положительные ионы, возникающие в разряде, бомбардируют подложку 4, удаляя с ее поверхности загрязнения. После этого на источник распыляемого материала 3 (мишень) подается отрицательный потенциал. При бомбардировке ионами распыляемого материала 3 выбитые атомы двигаются преимущественно перпендикуляр-
но к поверхности электрода и конденсируются на изоляционной подложке 4, расположенной вблизи электрода 3.
Подвижный экран 6 позволяет последовательно или одновременно производить очистку поверхности подложки 4 и мишени 3.
Важной положительной особенностью ионно-плазменного распыления является его универсальность. Этим методом распыляют различные по своим свойствам материалы, например, золото и вольфрам. Распылению могут быть подвергнуты полупроводниковые материалы (кремний, германий), полупроводниковые соединения (сульфид кадмия и др.) и диэлектрики.
Особенностью ионно-плазменного метода по сравнению с другими методами является его безынерционность — после выключения напряжения распыление материала сразу же прекращается. При термическом испарении в вакууме процесс конденсации пленки на подложке происходит после выключения нагрева испарителя.
Плотность ионного пучка легко регулируется путем изменения тока эмиссии вольфрамового катода и давления инертного газа. Интенсивность осаждения материала можно изменять в очень широких пределах — от нескольких единиц до нескольких тысяч ангстрем в минуту.
Толщина наносимой пленки при постоянном режиме разряда определяется соотношением между током мишени и напряжением на ней и временем распыления. Для получения очень тонких пленок на мишень подается небольшое напряжение (200—250 в), при этом скорость осаждения мала и хорошо регулируема.
При ионно-плазменном распылении равномерность толщины пленки на подложке составляет 1—5%, что значительно лучше, чем при распылении в тлеющем разряде.
Давление в рабочей камере при ионно-плазменном распыленнии лежит в диапазоне 0,05—0,15 н/м2, длина свободного пробега ионов при этом 10—20 см.
Если расстояние между источником распыления и подложкой меньше длины свободного пробега, то атомы почти не взаимодействуют с молекулами газа и ионами в пространстве между подложкой и мишенью и состав пленки близок к составу исходного материала.
Распыление мишени происходит медленно — обычно материала мишени хватает на несколько тысяч циклов, что обеспечивает хорошую повторяемость состава пленок.
Пленки, нанесенные ионно-плазменным методом, имеют очень высокую адгезию к подложкам, что обусловлено большой энергией попадающих на подложку атомов. Их энергия примерно в 20—25 раз больше энергии атомов, попадающих на подложку в процессе термического испарения. Высокая адгезия пленки к подложке объясняется еще тем, что поверхность подложки до ионно-плазменного распыления хорошо очищается в тлеющем разряде. При катодном распылении, которое начинается почти сразу после появления разряда, такую очистку осуществить труднее.
МЕТОД ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ
Проводящие пленки с малым удельным сопротивлением можно получить методом термического разложения металлоорганических соединений при сравнительно низком вакууме (10—30 н/м2) и невысоких температурах. Пленки, полученные этим методом, обладают' удовлетворительной прочностью, стабильностью и стойкостью к коррозии.
Одним из металлоорганических соединений, используемых для получения проводящих пленок, является бисэтилбензолхром'
Рис. 3.5. Схема установки для разложения металлоорганического соединения:Рис. 3.5. Схема установки для разложения металлоорганического соединения:/ — кассета; 2— керамические основания; 3— кожух; 4 — крышка; 5— холодильник; 6 — элементы подогрева; БП—блок питания/ — кассета; 2— керамические основания; 3— кожух; 4 — крышка; 5— холодильник; 6 — элементы подогрева; БП—блок питания
Рис. 3.5. Схема установки для разложения металлоорганического соединения:
Рис. 3.5. Схема установки для разложения металлоорганического соединения:
/ — кассета; 2— керамические основания; 3— кожух; 4 — крышка; 5— холодильник; 6 — элементы подогрева; БП—блок питания
/ — кассета; 2— керамические основания; 3— кожух; 4 — крышка; 5— холодильник; 6 — элементы подогрева; БП—блок питания
(С16Н20Сг)—маслянистая жидкость темно-коричневого цвета; ее молекулярный вес равен 264; она растворима в неполярных растворителях (бензоле, этилбензоле).
Вследствие того, что бисэтилбензолхром окисляется при соприкосновении с воздухом и скорость его испарения мала при атмосферном давлении и комнатной температуре, в рабочей камере создается давление порядка 10 н]м2 и температура 370—400° К. Температура разложения бисэтилбензолхрома выше 570° К, поэтому температура керамических оснований, на которые производится осаждение, должно быть не ниже указанной.
Схема установки для разложения металлоорганических соединений показана на рис. 3.5.
Установка представляет собой цилиндрическую вакуумную камеру, внутри ее имеется кассета 1 с керамическими основаниями 2. Нихромовые спицы, на которых укреплены основания, являются элементами электрической цепи, соединенной с блоком питания БП. Кассета приводится во вращение электродвигателем. В нижней части рабочей камеры имеется прямоугольный канал, связанный со' штуцером, через который металлоорганическое соединение подается в камеру.
Корпус рабочей камеры нагревается специальными подогрева-- телями, чтобы исключить конденсацию паров на стенках. На штуце-
ре, соединенном с вакуумным насосом, расположен холодильник, на стенках которого пары конденсируются и соединение в жидком виде возвращается в камеру. Соприкасаясь с горячими керамическими основаниями, металлоорганическое соединение разлагается с образованием на поверхности оснований пленки металла. Продукты разложения удаляются из рабочей камеры через откачной штуцер.
Технологический процесс разложения металлоорганических соединений может быть автоматизирован; разработаны установки для непрерывной металлизации керамических оснований. При непрерывной металлизации керамические основания поступают в рабочую камеру через специальную шлюзовую систему, соединенную с вакуумными агрегатами.
Метод разложения одного из металлоорганических соединений (бисэтилбензолхрома) позволил разработать низкоомные резисторы с хорошими электрическими параметрами.
МЕТОД ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ
Своеобразным и весьма интересным методом создания проводящих пленок с малым удельным сопротивлением является метод электрохимического осаждения •— переноса и осаждения заряжен-
Рис. 3.6. Схематическое изображение движения потока частиц между коронирующей точкой и анодом:/ — короиирующая точка; 2 — подложка; J ;— анодРис. 3.6. Схематическое изображение движения потока частиц между коронирующей точкой и анодом:/ — короиирующая точка; 2 — подложка; J ;— анодных частиц в электрическом поле коронного разряда, возникающего между двумя электродами при приложении высокого напряжения (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Схематическое изображение движения потока частиц между коронирующей точкой и анодом:
/ — короиирующая точка; 2 — подложка; J ;— анод
Рис. 3.6. Схематическое изображение движения потока частиц между коронирующей точкой и анодом:
/ — короиирующая точка; 2 — подложка; J ;— анод
Коронирующие электроды, с помощью которых производится осаждение, обычно представляют собой острую кромку, конфигурация которой определяется размерами и формой подложки. Величина корони- рующего тока зависит от длины коронирующей кромки и в основном от числа коронирующих на ней точек.
В зоне коронного разряда у отрицательного острия в воздухе происходят следующие процессы. Когда поле отрицательного острия становится настолько сильным, что поло
жительный ион может выбить вторичный электрон при ударе о поверхность катода, то этот электрон начинает удаляться от острия, ионизируя газ на своем пути и создавая электронную лавину. Вблизи острия в сильном поле электрон производит усиленную ионизацию. По мере того как лавина удаляется, поле, заставляющее электроны ионизировать газ, ослабевает вследствие уменьшения напряженности электрического поля Е, а также потому, что элект-
роны, удаляясь, оставляют положительные малоподвижные ионы, образующие пространственный заряд.
В результате влияния пространственного заряда движение электронов замедляется; они взаимодействуют с молекулами кислорода, образуя отрицательные ионы, которые дрейфуют к положительно заряженной пластине; возникает так называемый электрический ветер. Положительные ионы достигают катода и, выбивая электроны, создают новые электронные лавины.
Частицы твердого или жидкого материала, вносимые в зону коронного разряда, приобретают, как и молекулы кислорода, отрицательный заряд и перемещаются к положительно заряженному электроду.
Увеличение размера частиц приводит к увеличению их веса, поэтому необходимо использовать материал с определенной степенью дисперсности для удовлетворительного переноса от корониру- ющего электрода к изоляционному основанию.
Движение заряженных частиц можно представить в виде сложных турбулентных потоков, выбрасываемых коронирующими точками (рис. 3.6). Частицы порошка подхватываются потоком и осаждаются на подложку, располагаемую около положительно заряженного электрода.
Часть распыляемых частиц не будет осаждена на подложке. Потери осаждаемого материала повышают стоимость производства. Кроме того, в отдельных участках помещения могут скопиться весьма значительные электростатические заряды.
Потери осаждаемого материала снижают путем специального расположения экранирующих электродов.
Процесс осаждения проводящих слоев в электрическом поле коронного разряда может быть легко автоматизирован. Осуществляя с помощью привода перемещение изоляционных подложек или слоистого пластика около анода, можно обеспечить непрерывный процесс нанесения проводящего слоя с высокой производительностью.
§ 3.3. СВОЙСТВА ТОНКИХ ПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОКИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ОСНОВАНИИ
Свойства тонких проводящих пленок из металлов и сплавов значительно отличаются от свойств исходных материалов.
Все металлы и сплавы имеют определенное удельное объемное сопротивление и в большинстве случаев положительный температурный коэффициент сопротивления.
Удельное объемное сопротивление тонкой проводящей пленки зависит от толщины и обычно больше удельного сопротивления исходного материала, а температурный коэффициент сопротивления ее при толщине порядка нескольких десятков ангстрем становится отрицательным. Зависимость удельного объемного сопротивления пленки р и ее ТКр от толщины пленки показана на рис. 3.7.
Объяснение зависимости удельного объемного сопротивления пленки от ее толщины было впервые дано английским ученым Д. Томпсоном. Он исходил из предположения, что тонкие проводящие пленки имеют такую же структуру, как исходный материал, а длина свободного пробега электронов уменьшается вследствие их отражения от поверхности пленки. Удельное объемное сопротивление материала согласно уравнению Друде зависит от длины свободного пробега электронов:
Рис. 3.7. Зависимость удельного объемного сопротивления р и ТКр от толщины пленки кРис. 3.7. Зависимость удельного объемного сопротивления р и ТКр от толщины пленки к2ти
Рис. 3.7. Зависимость удельного объемного сопротивления р и ТКр от толщины пленки к
Рис. 3.7. Зависимость удельного объемного сопротивления р и ТКр от толщины пленки к
Р =е^Ш
(3.2)(3.2)где е, т, и — соответственно заряд, масса и средняя скорость электронов; N— концентрация электронов; / — средняя длина свободного пробега электронов в исходном материале.
(3.2)
(3.2)
Если / — средняя длина свободного пробега электронов в исходном материале, а р — его удельное объемное сопротивление, то зависимость удельного сопротивления пленки рп от тол-
щины h в двух предельных случаях можно представить в следую
щем виде:
при /г</
Рп = 2РРп = 2Р/I3 \ ’
Рп = 2Р
Рп = 2Р
к I In — 4- -—)\к2 /
(3.3)(3.3)при h>l
(3.3)
(3.3)
Приведенные соотношения применимы только к сплошным слоям, когда поверхности пленки расположены параллельно друг другу.
Электрические свойства тонких проводящих пленок в основном зависят от их структуры и наличия близко расположенных ограничивающих пленку поверхностей.
При современной технологии, обеспечивающей получение'высокого вакуума (10-7—10~8 н/л2) и тщательную очистку подложки, удалось на проводящих пленках никеля и вольфрама, а также на полупроводниковых пленках висмута и германия подтвердить теорию Томпсона об увеличении удельного объемного сопротивления пленки из-за рассеяния носителей заряда ограничивающими поверхностями.
Однако теория Томпсона не дает объяснения свойствам тонких проводящих пленок, если их структура существенно отличается от
структуры исходного материала, что имеет место в большинстве практических случаев.
При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление не стремится асимптотически к бесконечности, как это следует из ■теории Томпсона, а становится бесконечно большим при так называемой критической толщине пленки, величина которой зависит от свойств материала подложки и ряда других факторов. При большой толщине пленки ее удельное сопротивление может быть на несколько порядков выше удельного сопротивления исходного материала.
Очевидно, указанные свойства проводящих пленок являются следствием их зернистой структуры. Особенности электропроводности пленок, обусловленные их зернистой структурой, были объяснены советским ученым Я- И. Френкелем.
По теории Френкеля проводимость и температурный коэффициент сопротивления пленки определяются величиной контактных зазоров между отдельными кристаллами металла и работой выхода электронов. Согласно этой теории через контактный зазор между отдельными кристаллами проходят электроны в результате электронной эмиссии, уменьшенной благодаря работе выхода электрона, величина которой тем больше, чем уже зазор.
Теория Френкеля объясняет также отрицательный температурный коэффициент сопротивления поликристаллических тонких проводящих пленок металлов.
Работа выхода электрона из проводника связана с преодолением силы электрического изображения. Наличие электрического поля внутри зазора приводит к перераспределению термоэлектронных токов, текущих в противоположных направлениях с контактирующих между собой поверхностей проводника. С увеличением напряженности внешнего электрического поля Е результирующий термоэлектронный ток .возрастает. Удельную проводимость контактного зазора можно определить, как отношение плотности тока у к Е. При отсутствии внешнего электрического поля максимальное значение энергии активации, обусловленной переходом носителя заряда из одной контактирующей поверхности в другую, если учесть силы электрического изображения высшего порядка, связано с работой выхода электрона из одного проводника Wa следующим соотношением:
где 7=1-ЭД-Ь__^+_^]«о,9-коэфф»ц^ 1
та многократных отражений; е — заряд электрона; d— ширина зазора.
Приведенное выражение справедливо, если значение d велико по сравнению с междуатомными расстояниями. Влияние напряженности относительно слабого электрического поля Е приводит к уменьшению работы выхода электрона Wa на величину Ч^еЕй. При
этом работа перехода электронов от одного'контакта а к другому b может быть представлена в следующем виде:
в противоположном направлении;
W; = Wb-^Jr-^eEd.
Результирующий термоэлектронный ток в направлении поля при условии однофазной поликристаллической системы и при значениях eEd^kT
е2еЕ“ Ё dhT0 кТ
где k—постоянная Больцмана; Т— температура; io — термоэлектронный ток через грань контакта при отсутствии другой контактирующей поверхности,
w
10=СТ2а кт.
Удельная проводимость контакта
ааIЁIЁCdeT „— еХрCdeT „— еХркТкТ(3.4)(3.4)
а
а
I
Ё
I
Ё
CdeT „
— еХр
CdeT „
— еХр
кТ
кТ
(3.4)
(3.4)
Член у — характеризует величину силы электрического изо- d
боажения. Если d достаточно мало, то эта величина составляет не- е2
сколько электрон-вольт и разность W— у — может стать очень d
небольшой. В этом случае, если не учитывать зависимость от температуры предэкспоненциального члена,
е2
W-t —
ТКр=__«_.(3.5)
кТ
Туннельный эффект прохождения электронов между кристаллами очень тонких пленок, можно описать следующими выражениями:
Р=В ехрР=В ехрЁг) ’Ёг) ’(3.6)(3.6)
Р=В ехр
Р=В ехр
Ёг) ’
Ёг) ’
(3.6)
(3.6)
ткр =ткр =е2кТ^.г *е2кТ^.г *
ткр =
ткр =
е2
кТ^.г *
е2
кТ^.г *
где В — функция, зависящая от коэффициента туннельного эффекта и ширины промежутка между кристаллами; г — радиус кристаллов; в — диэлектрическая проницаемость в зазоре.
Практически встречаются пленки с зернистой структурой, имеющие положительный ТКр. Такие аномалии обусловлены зависимостью коэффициента В от температуры. Другой причиной положительного ТКр может быть различие температурных коэффициентов линейного расширения материалов пленки и подложки.
Большой отрицательный ТКр имеют пленки, структура которых содержит полупроводящие окислы, а также кристаллы, адсорбированные газами.
Температурный коэффициент сопротивления пленки является важнейшим параметром, характеризующим ее применимость в качестве проводящего элемента резистора. ТКр измеряют только у термообработанных пленок, которые при измерении температуры дают обратимые изменения сопротивления. Обычно ТКр определяют при более низкой температуре, чем температура нанесения или температура термической обработки пленки.
Структура и свойства пленки определяются физическими свойствами исходного материала, степенью вакуума в рабочей камере, температурой подложки и ее свойствами, степенью очистки подложки и микрорельефом ее поверхности, углом падения молекулярного потока, скоростью нанесения пленки на подложку и др.
Существуют различные структуры пленок:
аморфная, характеризующаяся отсутствием кристаллической решетки;
коллоидная (мелкозернистая), характеризующаяся наличием мелких кристаллов (менее 100 А);
гранулярная (крупнозернистая), характеризующаяся наличием сравнительно крупных кристаллов (100 А и более);
. г) монокристаллическая, когда пленка представляет собой сплошную кристаллическую решетку атомов.
Электропроводность пленок меняется с течением времени в результате изменений в структуре пленки, вызванных адсорбцией пленкой молекул газа из окружающей среды. Так, при методе термического испарения действие остаточных газов на структуру пленки происходит во время ее образования, когда молекулы остаточных газов взаимодействуют с испаряющимися частицами при их движении к подложке и после образования пленки на подложке.
Плотность проводящих пленок, осажденных при высоком вакууме (10~7—10~8 н/л<2) на достаточно чистые и гладкие подложки, практически не отличается от плотности исходных материалов. При давлении 0,1 — 1 н(м2 наблюдается значительное изменение структуры пленки и ее электрических свойств. При низком вакууме пленки, загрязненные частицами остаточных газов, обладают обычно меньшей плотностью и большим удельным сопротивлением по сравнению с исходным материалом. При давлении выше 1,5 н1м? большинство металлов при испарении образуют на подложке пленки темного цвета с высоким удельным сопротивлением.
В производстве резисторов широкое распространение получили проводящие пленки металлов и сплавов толщиной 10~5— 10~4 см. Пленки толщиной менее 10~6 см применяются редко из-за сильного влияния на их свойства сорбционных процессов, что затрудняет получение проводящих элементов с заданной точностью и хорошей стабильностью параметров.
При термическом испарении состав пленки может существенно отличаться от состава исходного сплава вследствие различных упругостей паров компонентов, входящих в состав сплава.
Рис. 3.8. Влияние температуры подложки на сопротивление проводящих пленок золота и толщинуРис. 3.8. Влияние температуры подложки на сопротивление проводящих пленок золота и толщинуРис. 3.9. Стабилизация сопротивления проводящих пленок нихрома на стеклянной подложке при термообработке:/ — при 420° К; 2 — при 670° КРис. 3.9. Стабилизация сопротивления проводящих пленок нихрома на стеклянной подложке при термообработке:/ — при 420° К; 2 — при 670° К
Рис. 3.8. Влияние температуры подложки на сопротивление проводящих пленок золота и толщину
Рис. 3.8. Влияние температуры подложки на сопротивление проводящих пленок золота и толщину
Рис. 3.9. Стабилизация сопротивления проводящих пленок нихрома на стеклянной подложке при термообработке:
/ — при 420° К; 2 — при 670° К
Рис. 3.9. Стабилизация сопротивления проводящих пленок нихрома на стеклянной подложке при термообработке:
/ — при 420° К; 2 — при 670° К
Пленки, полученные из одного исходного материала при различных температурных режимах, имеют различное удельное объемно^ сопротивление. Напыление пленки на подложку при повышенной температуре, а также термообработка пленок в вакууме способствуют образованию структуры с крупными кристаллами, с удельным сопротивлением и плотностью, близкими к удельному сопротивлению и плотности исходных материалов.
Повышение температуры подложки способствует образованию пленки из более крупных кристаллов, вследствие чего толщина пленки, соответствующая резкому увеличению сопротивления, уменьшается (рис. 3.8).
Значительное уменьшение сопротивления металлических пленок происходит при термообработке (рис. 3.9).
Материал подложки, на которую осаждается проводящая пленка, должен иметь гладкую поверхность, обладать высокой механической и электрической прочностью, высокой теплопроводностью, достаточной химической стойкостью. Физические свойства некоторых материалов, используемых в качестве подложек тонкопленочных резисторов, приведены в табл. 3.1.
В качестве подложек тонкопленочных элементов наиболее часто
Физические свойства материалов, используемых для подложек
Свойства
Материалы
о
я
ч
О о
S ч о £ < и
2
* ев
*
№
3
с
та
та
л =
Плотность, кг/м3 . . . .
2130
2530
3700
2320
4240
5500
зооо
Температура размягче-
ния, °К
970
1180
1920
1770
1870
1820
1870
Температура плавления,
°К
1370
1370
2320
2000
2190
1970
2820
Теплопроводность,
втЦм-град)
0,8
1.3
33,5
1.3
4,2
1.3
209
Температурный коэффи-
циент линейного рас-
ширения ас 106 . . . .
3,9
5,4
6,4
0,5
9,1
8,1
6,1
Диэлектрическая проии-
цаемость•.
4,1
6,3
10
3,8
800—
102-
6,3
—1000
—104
Удельное сопротивление,
ом-м
1015
। 10'2
1012
1’013
1012
юю
1013
Химическая стойкость .
Сред-
Сред-
От-
Сред-
Хоро-
Хоро-
Хоро-
няя
няя
личная
НЯЯ
шая
шая
шая
используют, как уже отмечалось, керамику, стекло, кварц, ситаллы. Применяемые для подложек стекла и керамика не должны содержать в своем составе легкоподвижных ионов щелочных металлов Na и К во избежание возникновения ионной электропроводности, которая приводит к необратимым изменениям проводимости пленок.
Для получения высококачественных пленок необходима предварительная очистка покрываемой поверхности. Хорошая адгезия пленки с подложкой получается при очистке подложки методом ионной, электронной бомбардировки или путем термообработки в вакууме. Шероховатость поверхности также значительно улучшает сцепление пленки с поверхностью, однако при этом ухудшаются электрические свойства пленки.
Даже при идеальной поверхности подложки пленки обладают неоднородностью вследствие статистического характера процесса осаждения. Уравнение Гамбургера для вероятной величины относительной поверхности подложки, покрытой Я-слоями атомов, записывают так:
(3.7)(3.7)д/7=е-
(3.7)
(3.7)
н\
где дсреднее расчетное количество атомных слоев, равное отношению общего количества осажденного металла к количеству ме
талла в одноатомном слое.
Для «моноатомного» слоя формула Гамбургера дает следующие результаты: 36,8% поверхности не будет покрыто частицами металла, 36,8% поверхности будет покрыто моноатомным слоем, 18,4% — слоем’в два атома, 6,1% — слоем в три атома и 1,5% — слоем в 4 атома. С увеличением числа испаряемых частиц (Л=Ю) неоднородность покрытия уменьшается (рис. 3.10).
Материалы, используемые для создания проводящих пленок, должны обеспечивать возможность регулирования величины сопротивления квадрата пленок путем введения различных добавок в исходный состав и изменением толщины пленок. Необходимо также, чтобы выбранные материалы
Рис. 3.10. Распределение атомов на поверхности подложки:1 — для Л-1; 2 — для Л=2; 3 — для Л=10Рис. 3.10. Распределение атомов на поверхности подложки:1 — для Л-1; 2 — для Л=2; 3 — для Л=10обеспечивали малое изменение проводимости пленок в большом диапазоне температур и при воздействии агрессивных сред. Для создания проводящих пленок в отечественной технологии применяют ферросилициевые сплавы, основными компонентами кото-
Рис. 3.10. Распределение атомов на поверхности подложки:
1 — для Л-1; 2 — для Л=2; 3 — для Л=10
Рис. 3.10. Распределение атомов на поверхности подложки:
1 — для Л-1; 2 — для Л=2; 3 — для Л=10
рых являются железо и кремний Большое удельное сопротивление проводящей пленки для высо
коомных резисторов получают,
уменьшая ее толщину или используя материалы с высоким удель- ны'М объемным сопротивлением. Тонкие пленки металлов и сплавов обычно недостаточно стабильны и их свойства существенно зависят от качества обработки изоляционного основания.
Для получения проводящих элементов широко используют нихром, хром, тантал, титан, рений, вольфрам.
Основные свойства тонких проводящих пленок из материалов, применяемых для получения тонкопленочных резисторов, приведены в табл. 3.2. Значения Дкв и ТКр носят ориентировочный характер, поскольку они определяются методом нанесения пленки, режимом ее термообработки и т. п.
Тонкие пленки из нихрома и тантала на стеклянных подложках получили наибольшее распространение в тонкопленочных резисторах, так как они обладают высокой стабильностью и малым значением ТК р. Удельная мощность рассеяния таких резисторов составляет 1 — 1,5 вт/см^ при Дкв=100 ом.
Использование титана и тантала для получения тонких пленок стало одним из главных направлений исследований, поскольку тонкие пленки этих металлов имеют значительное сопротивление, особенно после внедрения в них при реактивном распылении азота, ки
слорода или углерода.
При окислении на поверхности пленок из этих металлов образуются окислы Та2О5 и ТЮг, обладающие хорошими диэлектрически-
Свойства тонких проводящих пленок некоторых материалов
Материал
Диапазон поверхностных сопротивлений /?кв, олс
ТКрЮв град
Платина
15-20
2000-3000
Золото
5—10
2000—3000
Палладий
20-30
1000—2000
Хром
50-300
500—1000
Титан
50-100
500—800
Нихром
10-103
100-500
Тантал
10—104
100—500
Нитрид тантала
50—103
50—200
Танталовохромовый силикат
102 — 104
500-800
Рений
10-104
100-200
Углерод
10-104
200—2000
Никель
10-300
200-300
Вольфрам
102-104
100-200
Окись олова
10-103
200- 300
ми свойствами. Использование тонких пленок тантала и титана позволяет совместить такие операции микроэлектронной технологии, как создание проводящих и диэлектрических слоев в едином технологическом процессе с использованием одного и того же материала.
Особенно удобен для этих целей тантал. При анодировании танталовой пленки можно осуществить регулировку сопротивления, а также поверхностную защиту пленки пятиокисью тантала.
Проведение процесса катодного распыления в среде азота, кис-, лорода и углерода открывает широкие перспективы управления проводимостью проводящих пленок и улучшения их электрических параметров. Тонкие пленки нитрида тантала, полученные методом реактивного распыления и защищенные пятиокисью тантала, характеризуются высокой стабильностью параметров. После эксплуатации в течение 1000 ч изменение их проводимости (при удельной нагрузке 0,5 вт^см^ не превышает 0,1%.
Частичное окисление пленки тантала позволяет получать удель-. ное сопротивление с точностью до ±0,01% и одновременно защищать элемент от воздействия внешней среды.
В качестве инертного газа при реактивном распылении наиболее. - удобно использовать аргон, добавляя такие реакционно способные газы как азот, кислород, окись углерода и метан, что дает возможность изменять состав осаждаемой пленки.
При добавлении небольших количеств реакционно способных газов к аргону удельное сопротивление пленок возрастает в резуль- тате внедрения различных соединений в структуру исходного металла. Так, например, внедрение окислов тантала в пленку тантала Увеличивает сопротивление квадрата пленки до 1 ком. Температурный коэффициент сопротивления такой пленки составляет (30—50) • 105 град~х. Внедрение в пленку соединений тантала laN и Ta2N также сопровождается увеличением ее сопротивления.
Аналогичное воздействие оказывает частичное внедрение в пленку карбидов тантала. Регулировать сопротивление пленки тантала и осуществлять ее защиту можно электрическим анодированием.
Образование окислов, происходящее при электролитическом анодировании, зависит от миграции ионов тантала из металла через окисел и от вступления в реакцию с кислородом на поверхности раздела окисел — электролит.
Пленка из ТагОв представляет собой диэлектрик с химически устойчивой защитной поверхностью. Получение проводящих элементов сложной конфигурации из тантала, титана и их растворов, а также нитридов, окислов и карбидов тантала и титана осуществляется одним из известных способов. Обычно используется метод катодного распыления через трафареты.
Танталовые пленки осаждаются, как правило, на полированный пирекс, глазурованную керамику из AI2O3, окись бериллия или сапфир. Наилучшие результаты по удельным нагрузкам, стабильности и ТКС имеют тонкопленочные элементы, полученные при использовании в качестве подложки полированного сапфира, обладающего по сравнению с другими изоляционными материалами большей теплопроводностью.
Из нитрида и карбида тантала выполняют высококачественные, защищаемые анодированным покрытием тонкопленочные элементы с сопротивлением квадрата пленки до нескольких килоом и ТКС = ±(50—100) - 10~6 град-1.
Для создания тонкопленочных проводящих элементов в последнее время используют рений и вольфрам. Применение этих металлов позволяет получать методом катодного распыления пленки с сопротивлением в несколько тысяч ом на квадрат поверхности с очень малым ТК р. Пленки из вольфрама и рения обладают высокой стойкостью к окислению, способны работать при высоких значениях удельных нагрузок и повышенных температурах.
Рениевые пленки при сопротивлении RKB до 10 ком имеют ТКС около КН град-1. Для стабилизации сопротивления пленки защищают ее поверхность тонкой пленкой SiOg. Пленки рения с сопротивлением ДКв=1 ком, выдержанные в течение года после изготовления при нормальных климатических условиях, изменяют свое сопротивление менее, чем на 1 %.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫПОСТОЯННЫХ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
ТЕХНОЛОГИЯ РЕЗИСТОРОВ
Технологический процесс производства металлопленочных резисторов состоит из трех основных этапов:
изготовление изоляционных оснований и подготовка их поверхности;
создание проводящих элементов;
конструктивное оформление резисторов и измерение параметров.
Конструкция постоянного металлопленочного резистора показана на рис. 3.11.
В качестве оснований в конструкциях постоянных металлопленочных резисторов наиболее широко применяют керамические материалы. Это обусловлено их высокой нагревостойкостью и механической прочностью, хорошей стабильностью свойств при температурных воздействиях, изменениях влажности и давления, а также благодаря малому температурному коэффициенту линейного расширения и незначительным диэлектрическим потерям при высокой частоте.
Керамические основания большинства постоянных металлопле
Рис. 3.11. Конструкция металлопленочного резистора МЛТ:/ — изоляционное основание; 2 — проводящая пленка; 3 — контактный узел; 4 — защитное покрытие; 5 — выводыРис. 3.11. Конструкция металлопленочного резистора МЛТ:/ — изоляционное основание; 2 — проводящая пленка; 3 — контактный узел; 4 — защитное покрытие; 5 — выводыночных резисторов имеют форму цилиндрической трубки со сквозным отверстием, которое необходимо ввиду технологических особенностей нанесения проводящей пленки.
Рис. 3.11. Конструкция металлопленочного резистора МЛТ:
/ — изоляционное основание; 2 — проводящая пленка; 3 — контактный узел; 4 — защитное покрытие; 5 — выводы
Рис. 3.11. Конструкция металлопленочного резистора МЛТ:
/ — изоляционное основание; 2 — проводящая пленка; 3 — контактный узел; 4 — защитное покрытие; 5 — выводы
Качество резистора в значительной степени определяется составом керамического основания.
В керамике, содержащей большое количество окислов щелочных металлов, могут интенсивно развиваться
электрохимические процес-
сы. Наличие окислов щелочных металлов в керамическом основании при длительной эксплуатации приводит к необратимому изменению сопротивления резистора. При нагрузке резисторов постоянным током происходит процесс диффузии ионов щелочных металлов. Процесс накопления щелочных металлов сопровождается их окислением; объем продуктов электролиза под проводящей пленкой
увеличивается, что может привести к разрушению ее отдельных участков.
Старение резисторов, вызванное наличием в керамическом основании окислов щелочных металлов, можно значительно уменьшить, если на основание нанести слой окисла (который не имеет ионной электропроводности в области рабочих температур резистора) толщиной в несколько микрон.
Современная технология производства обеспечивает получение керамических оснований с высокой механической прочностью и хорошими изоляционными свойствами; значительно снижен процент окислов щелочных металлов. Исходные компоненты керамики подвергают помолу в течение 20—25 ч. Полученную массу сливают в бассейн при постоянном перемешивании, затем фильтруют и подвергают двукратному вакуумированию. Для получения керамических заготовок служат специальные установки, на которых осуществля-
ется протяжка, подвяливание до определенной влажности, калибровка и нарезка керамических оснований необходимых размеров.
При низком качестве обработки керамического основания возможны микроскопические неоднородности, существенно влияющие на свойства тонких проводящих пленок, а также разрывы в проводящем слое, что приводит к увеличению его сопротивления, снижению стабильности и повышению ТКр. Чрезмерная пористость основания в результате неправильного режима термической и химической обработки может привести к полной потере электропроводности.
Шлифовку керамических оснований производят на бесцентровошлифовальных станках. Подача оснований на станок осуществляется с помощью полуавтоматических загрузчиков; производительность обработки достигает 7000—8000 оснований в час.
Снятие фасок осуществляется в галтовочных барабанах. Керамические основания загружают в фарфоровые барабаны с абразивным порошком и водой в определенном процентном соотношении.
Последующая промывка заготовок производится в травильномоечной машине. После промывки холодной проточной водой заготовки подвергаются кипячению в дистиллированной воде в электрокотлах. Подача заготовок в травильно-моечную машину, а также соблюдение длительности отдельных операций и технологических режимов производится автоматически. После промывки вода с поверхности заготовок удаляется в центрифуге.
Для сглаживания поверхности оснований и удаления тонких трещин производится оплавление при высокой температуре.
Кроме состава керамических оснований важное значение имеет состояние их поверхности, которое изменяется в зависимости от условий обжига. Керамические основания, используемые для металлопленочных резисторов, с целью получения заданного микрорельефа перед нанесением проводящего слоя подвергают «огненной полировке». Эта операция проводится в канальных печах с автоматическим регулированием температуры и времени подачи тиглей с керамическими заготовками. В результате оплавления поверхность основания приобретает стекловидный характер, что позволяет получать высококачественный проводящий слой без разрывов.
Электрохимические свойства изоляционных оснований определяют путем измерения ионных токов, протекающих при заданном напряжении и температуре.
Перед металлизацией для некоторых типов резисторов проводится раскалибровка заготовок оснований по диаметру на высокопроизводительных одновалковых автоматах.
Для создания проводящего слоя в основном используют специальные сплавы, состоящие из нескольких компонентов (Fe, Si, Ni, Сг) в различных процентных соотношениях.
Использование новых материалов с высоким удельным сопротивлением (силицидов железа, никеля, хрома) позволило получить высокоомные проводящие элементы без значительного уменьшения толщины проводящей пленки.
Увеличение удельного сопротивления металлосилициевых сплавов получают введением в их состав до 20% лантаноидов. Исходные
материалы в виде порошка тщательно перемешивают и наносят на испаритель. При испарении смеси между окислом лантаноида и кремнием происходит реакция, в результате которой получают силицид лантаноида (LaSig) и моноокись кремния, испаряющиеся одно
временно с металлосилицием. Проводящие пленки, полученные таким образом, обладают высоким удельным сопротивлением и весьма малым ТКр.
Проводящие пленки с высоким удельным сопротивлением можно получить также при использовании в качестве исходного материала порошкообразной смеси сплава и окислов (двуокиси титана, кремния, окиси железа, алюминия, хрома, кадмия, кобальта, никеля), обладающих значительным удельным сопротивлением. Удельное -сопротивление пленки и ее ТК р определяется в этом случае соотношением между находящимися в смеси сплавами и окислами.
Как уже отмечалось, для создания проводящих пленок широко используют метод термического испарения различных сплавов в вакууме. Установка для нанесения проводящего слоя ме
Рис. 3.12. Схема установки для металлизации керамических осиоваиий резисторов МЛТ путем термического испарения сплава:1 — стеклянный колпак; 2 — блок управления и контроля рабочих режимов; 3— керамические основания; 4— спираль для испарения сплавов; 5 — корпус установки; 6 — диффузионный насос; 7 — форвакуумный иасосРис. 3.12. Схема установки для металлизации керамических осиоваиий резисторов МЛТ путем термического испарения сплава:1 — стеклянный колпак; 2 — блок управления и контроля рабочих режимов; 3— керамические основания; 4— спираль для испарения сплавов; 5 — корпус установки; 6 — диффузионный насос; 7 — форвакуумный иасосталлопленочных постоянных резисторов МЛТ указанным методом показана на рис. 3.12. Внутри каркаса установки находится система питания испарителей, мотор с редуктором, вращающим спицы с керамическими основаниями при проведении процесса испарения. Нанесение проводящего слоя осуществляется в рабочих камерах в виде стеклянных колпаков.
Рис. 3.12. Схема установки для металлизации керамических осиоваиий резисторов МЛТ путем термического испарения сплава:
1 — стеклянный колпак; 2 — блок управления и контроля рабочих режимов; 3— керамические основания; 4— спираль для испарения сплавов; 5 — корпус установки; 6 — диффузионный насос; 7 — форвакуумный иасос
Рис. 3.12. Схема установки для металлизации керамических осиоваиий резисторов МЛТ путем термического испарения сплава:
1 — стеклянный колпак; 2 — блок управления и контроля рабочих режимов; 3— керамические основания; 4— спираль для испарения сплавов; 5 — корпус установки; 6 — диффузионный насос; 7 — форвакуумный иасос
Для получения высокоомных про
водящих слоев с высокой степенью чистоты разработаны установки, в которых камера, предназначенная для испарения, разделена на рабочую камеру и камеру предварительного геттерирования. В камере геттерирования осуществляется холостое испарение сплавов, т. е. поглощение остаточных газов, которые активны к испаряемому сплаву. Это способствует повышению качества проводящих -пленок, получаемых при испарении -сплава в рабочей камере.
В центре рабочей камеры помещается испаритель в виде спирали, на которую наносится состав, приготовленный из -сплава, подле-
жащего испарению. Вокруг испарителя на спицах расположены трубчатые основания.
Конструкция и материал испарителя должны обеспечивать многократное проведение процесса. Наиболее предпочтительным материалом для спирали является вольфрам в связи с его высокой тугоплавкостью и чистотой. Необходимо также равномерное распределение сплава по всей поверхности испарителя. Если количество испаряемого сплава невелико, то он удерживается в расплавленном состоянии на испарителе благодаря смачиванию. Образование капель на испарителе в результате неравномерных покрытий вызывает преждевременный износ испарителя. При использовании испарителя в виде жгута из вольфрамовых проволок сплав равномерно растекается по его поверхности.
Испарение сплава начинается при температуре ниже температуры плавления, когда давление паров сплава превышает давление в рабочей камере. Материал испарителя должен обладать значительно меньшим давлением паров, чем испаряемый металл или сплав.
Чтобы плотность потока была достаточной для интенсивного оса- «•- ждения, частицы сплава не должны сталкиваться с частицами оставшегося в камере газа. С этой целью в рабочих камерах создается с помощью форвакуумного и диффузионного насосов разрежение порядка 10 2—10-3 н/м2.
Перед началом металлизации для уменьшения газовыделения в течение нескольких минут производят прокаливание испарителя ТОКОМ 0,4—0,5 /раб.
Равномерное покрытие поверхности оснований достигается путем вращения спиц с основаниями вокруг собственной оси. Передача вращательного движения в рабочую камеру испарителя производится с помощью специального механизма.
Для получения высококачественных проводящих пленок выбирают оптимальное время испарения. Длительное время испарения способствует более полному газопоглощению проводящим слоем, что приводит к увеличению его удельного сопротивления, уменьшению плотности структуры слоя и ухудшению электрических характеристик. Кроме того, некоторые компоненты сплавов в расплавленном состоянии взаимодействуют с 1вольфрамом, образуя химические соединения, а отдельные компоненты сплава имеют различную упругость паров, поэтому состав осажденной пленки может сильно отличаться от состава исходного сплава.
При повышенной скорости испарения получают однородные по составу проводящие слои и над поверхностью сплава область повышенной упругости пара, в которой происходит столкновение частиц испаряемого сплава, что приводит к саморассеянию потока частиц и усреднению плотностей потоков на различных участках испарителя.
Результат процесса при ускоренном испарении в значительной степени зависит от периода разогрева и охлаждения испарителя. Лучших результатов достигают, если скорость повышения и сниже-
ния температуры постоянна, а также при экранировании поверхности керамических оснований в период установления температуры испарителя. Для получения равномерного потока испаряемых частиц важно иметь одинаковую по всей длине температуру испарителя.
После проведения процесса металлизации определяют удельное сопротивление и ТКр полученных металлизированных оснований и в зависимости от их значений подбирают режим следующей термообработки.
С целью стабилизации свойств проводящей пленки и улучшения ее сцепления с керамическим основанием проводят термическую обработку металлизированных оснований в канальных печах с автоматической регулировкой и регистрацией температурного режима.
Армировка (установка выводов) резисторов производится на специальных автоматах.
После армировки осуществляется автоматическая разбраковка изделий на группы по величине сопротивления.
Для увеличения сопротивления и подгонки к требуемому номинальному значению на металлизированных основаниях создается спиральная канавка с помощью специально оборудованных нарезных станков. Станки.снабжены приборами для контроля сопротивления в процессе нарезки. Когда сопротивление резистора достигает расчетного значения, каретка с резистором автоматически отводится от абразивного диска. Существуют таблицы, в которых для каждого типа резистора приводятся требуемая и исходная величины сопротивлений резистора в соответствии с шагом нарезки.
Для уменьшения неравномерности распределения плотности тока по проводящему слою в некоторых случаях применяется двух- и трехзаходная нарезка проводящего слоя.
Контактные узлы металлопленочных резисторов выполняют из томпака (латуни) или титана. С целью улучшения электрического контакта между проводящим слоем и металлическим колпачком на концы проводящего слоя или на внутреннюю поверхность колпачка наносятся металлы: никель, кадмий и др.
При изготовлении резисторов, предназначенных для работы в импульсном режиме, применяют заготовки с максимально допустимым числом витков.
В целях стабилизации проводящей пленки и контактного сопротивления производится электрическая тренировка резисторов в импульсном режиме на стендах или автоматах импульсной тренировки.
Для защиты проводящего элемента от воздействия внешней среды используют теплостойкие кремнийорганические эмали. Качество защитного покрытия в значительной степени зависит от режима сушки; для каждого типа защитного покрытия определены оптимальные температурные режимы сушки. Влагозащитные свойства покрытия ухудшаются при наличии в защитной пленке различных дефектов.
При работе резистора в условиях повышенной влажности происходит необратимое изменение сопротивления вследствие механического разрушения проводящего слоя, которое обусловлено перемещением и разобщением проводящих частиц защитной пленки, набухающей во влажной среде и за счет возникновения процессов электролиза во влаге, проникшей к проводящему слою. Интенсивность разрушения проводящего слоя зависит не только от влажности окружающей среды, но и от температуры нагрева резистора.
Нанесение защитных покрытий и терморадиационная сушка осуществляются на специальных агрегатах. Резисторы с помощью транспортера погружаются в ванну с лаком, затем сушатся при движении транспортера в печи с трубчатыми нагревательными элементами. Температура в печи регулируется автоматическим потенциометром. После высыхания лака резисторы помещаются в ванночкх с эмалью и далее в терморадиационную печь, температура в которой поддерживается постоянной в каждой из трех температурных зон с помощью автоматических потенциометров. Защитное покрытие можно улучшить путем последовательного нанесения нескольких слоев. Наибольшего эффекта достигают при покрытии от 4 до 6 слоев.
Проводящий слой может быть защищен пленкой из неорганической стеклоэмали, полученной путем возгонки в вакууме легкоплавких стеклоэмалей или соответствующих смесей исходных окислов.
После конструктивного оформления резисторов производится измерение сопротивления и определение допуска. Рассортировку резисторов по величине допустимого отклонения сопротивления от номинального значения производят на автоматах.
Маркировку резисторов осуществляют на полуавтоматах, сушку маркировочной надписи — в инфракрасных конвейерных печах.
В настоящее время имеются автоматические линии, которые выполняют сборку конструкций резисторов, импульсную тренировку, покрытие лаком и эмалью, рассортировку по классам точности, маркировку, сушку и укладку резисторов в упаковочную тару.
К недостаткам технологии металлопленочных резисторов необходимо отнести получение неоднородных тонких пленок, большие трудности в осуществлении непрерывного процесса металлизации. Высокие требования к поверхности изоляционного основания связаны с необходимостью эффективных методов контроля.
Появление новых материалов и новых технологических способов позволило расширить диапазон номинальных сопротивлений металлопленочных резисторов, создать прецизионные металлопленочные резисторы с повышенной стабильностью, термостойкостью, низким ткс.
В связи с разработкой высокочастотных металлопленочных резисторов с небольшими номинальными сопротивлениями возникли проблемы по выбору новых исходных материалов для проводящего элемента, методам его юстировки и т. п. Промышленностью выпускаются высокочастотные низкоомные резисторы МОН.
В качестве оснований для высокочастотных металлопленочных
резисторов наибольшее распространение получили термостойкие керамические и стеклокерамические материалы (ситаллы), так как для стабилизации электрических характеристик и повышения прочности элементов производится термическая тренировка при температурах 600—700° К.
Микроминиатюризация электронной аппаратуры требует создания миниатюрных резисторов различной геометрической формы с номинальными сопротивлениями от долей ома до нескольких тераом. На основе сплавов, применяемых при производстве резисторов МЛТ, можно получить резисторы с наименьшим номинальным сопротивлением (9,1—10 ом).
При использовании проводящих элементов на основе карбонильных соединений хрома и никеля возникают определенные технологические трудности ввиду их высокой токсичности. Тонкие пленки, полученные термическим испарением благородных металлов (золота, платины, серебра), имеют нестабильные электрические характеристики и сравнительно высокий ТК р.
Чтобы получить металлопленочные резисторы с малым допуском на сопротивление, применяют различные методы подгонки величины сопротивления к номинальному значению. Для высокочастотных резисторов эти методы применять нежелательно, так как они связаны с разрушением, проводящего слоя.
Юстировку металлопленочных резисторов обычно осуществляют путем нарезки спирали или создания продольных изолирующих полос. С помощью луча квантового генератора можно получать проводящие элементы различной конфигурации с малым допуском по величине сопротивления.
Метод механической полировки (равномерное снятие определенной толщины пленки по всей поверхности элемента) используют редко, так как в большинстве случаев пленки обладают высокой адгезией к изоляционному основанию и в процессе полировки возможно механическое разрушение проводящей пленки, что приводит к ухудшению ее свойств.
Разрабатываются новые методы контроля качества резисторов, которые позволяют в условиях массового производства обнаруживать изделия с дефектами.
Дальнейшее совершенствование технологии производства постоянных металлопленочных резисторов, видимо, пойдет по пути создания автоматических линий, объединяющих основные технологические операции, а также создания принципиально новых конструкций и технологических схем, позволяющих осуществлять непрерывное поточное производство изделий.
ПАРАМЕТРЫ РЕЗИСТОРОВ
Отечественной промышленностью выпускаются следующие постоянные металлопленочные резисторы:
МТ — металлопленочные с повышенной теплостойкостью и механической прочностью (защищены эмалью);
Тип резистораНоминальная мощность рассеяния прн 343°К, 8ГПределы номинальных сопротивленийПредельное рабочее напряжение при давлении свыше4,4-Ю3 н^м2. вРазмеры. мм= -&импульсноеLDомМома."тСи”МТ-0,1250,1251001,120040030072МТ-0,250,25100220040030082,7МТ-0'50,51005,135075065010,84-, 2МТ-11100105001000900186,6МТ-221001070012001050288,6МЛТ-0.1250,125512,220035025062МЛТ-0,250,25513,325045030073МЛТ-0,50,51005,135075065010,84,2МЛТ-11100105001000900136,6МЛТ-22100107501200105018,58,6МУН-0,50,5240,000225045030010,84,2МУН-11240,0002350750650136,6МУН-22240,0002750100090018,58,6МГП-0,50,51055,1400*——3014Тип резистораНоминальная мощность рассеяния прн 343°К, 8ГПределы номинальных сопротивленийПредельное рабочее напряжение при давлении свыше4,4-Ю3 н^м2. вРазмеры. мм= -&импульсноеLDомМома."тСи”МТ-0,1250,1251001,120040030072МТ-0,250,25100220040030082,7МТ-0'50,51005,135075065010,84-, 2МТ-11100105001000900186,6МТ-221001070012001050288,6МЛТ-0.1250,125512,220035025062МЛТ-0,250,25513,325045030073МЛТ-0,50,51005,135075065010,84,2МЛТ-11100105001000900136,6МЛТ-22100107501200105018,58,6МУН-0,50,5240,000225045030010,84,2МУН-11240,0002350750650136,6МУН-22240,0002750100090018,58,6МГП-0,50,51055,1400*——3014ТАБЛИЦА 3.3ТАБЛИЦА 3.3Параметры постоянных металлопленочных резисторовПараметры постоянных металлопленочных резисторов* Прн давлении (9,6—10,4) * 104 н1м\* Прн давлении (9,6—10,4) * 104 н1м\Рис. 3.13. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов от температуры окружающего воз-Рис. 3.13. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов от температуры окружающего воз-духа:духа:1 — для МТ; 2 — для МЛТ, МГП1 — для МТ; 2 — для МЛТ, МГПОМЛТ, МУН,ОМЛТ, МУН,Рис. 3.14. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов МЛТ, ОМЛТ, MJ от атмосферного давленияРис. 3.14. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов МЛТ, ОМЛТ, MJ от атмосферного давления
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния прн 343°К, 8Г
Пределы номинальных сопротивлений
Предельное рабочее напряжение при давлении свыше
4,4-Ю3 н^м2. в
Размеры. мм
= -&
импульсное
L
D
ом
Мом
а."
т
Си”
МТ-0,125
0,125
100
1,1
200
400
300
7
2
МТ-0,25
0,25
100
2
200
400
300
8
2,7
МТ-0'5
0,5
100
5,1
350
750
650
10,8
4-, 2
МТ-1
1
100
10
500
1000
900
18
6,6
МТ-2
2
100
10
700
1200
1050
28
8,6
МЛТ-0.125
0,125
51
2,2
200
350
250
6
2
МЛТ-0,25
0,25
51
3,3
250
450
300
7
3
МЛТ-0,5
0,5
100
5,1
350
750
650
10,8
4,2
МЛТ-1
1
100
10
500
1000
900
13
6,6
МЛТ-2
2
100
10
750
1200
1050
18,5
8,6
МУН-0,5
0,5
24
0,0002
250
450
300
10,8
4,2
МУН-1
1
24
0,0002
350
750
650
13
6,6
МУН-2
2
24
0,0002
750
1000
900
18,5
8,6
МГП-0,5
0,5
105
5,1
400*
—
—
30
14
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния прн 343°К, 8Г
Пределы номинальных сопротивлений
Предельное рабочее напряжение при давлении свыше
4,4-Ю3 н^м2. в
Размеры. мм
= -&
импульсное
L
D
ом
Мом
а."
т
Си”
МТ-0,125
0,125
100
1,1
200
400
300
7
2
МТ-0,25
0,25
100
2
200
400
300
8
2,7
МТ-0'5
0,5
100
5,1
350
750
650
10,8
4-, 2
МТ-1
1
100
10
500
1000
900
18
6,6
МТ-2
2
100
10
700
1200
1050
28
8,6
МЛТ-0.125
0,125
51
2,2
200
350
250
6
2
МЛТ-0,25
0,25
51
3,3
250
450
300
7
3
МЛТ-0,5
0,5
100
5,1
350
750
650
10,8
4,2
МЛТ-1
1
100
10
500
1000
900
13
6,6
МЛТ-2
2
100
10
750
1200
1050
18,5
8,6
МУН-0,5
0,5
24
0,0002
250
450
300
10,8
4,2
МУН-1
1
24
0,0002
350
750
650
13
6,6
МУН-2
2
24
0,0002
750
1000
900
18,5
8,6
МГП-0,5
0,5
105
5,1
400*
—
—
30
14
ТАБЛИЦА 3.3
ТАБЛИЦА 3.3
Параметры постоянных металлопленочных резисторов
Параметры постоянных металлопленочных резисторов
* Прн давлении (9,6—10,4) * 104 н1м\
* Прн давлении (9,6—10,4) * 104 н1м\
Рис. 3.13. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов от температуры окружающего воз-
Рис. 3.13. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов от температуры окружающего воз-
духа:
духа:
1 — для МТ; 2 — для МЛТ, МГП
1 — для МТ; 2 — для МЛТ, МГП
ОМЛТ, МУН,
ОМЛТ, МУН,
Рис. 3.14. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов МЛТ, ОМЛТ, MJ от атмосферного давления
Рис. 3.14. Зависимость допустимой электрической нагрузки резисторов МЛТ, ОМЛТ, MJ от атмосферного давления
ОМЯТособые (с повышенной надежностью) металлопленочные, лакированные,теплостойкие;
МЛТ — металлопленочные, лакированные, теплостойкие;
МУН — металлопленочные, ультравысокочастотные, незащищенные;
МГП — металлопленочные, герметизированные, прецизионные;
С2-10 — металлопленочные, ультравысокочастотные, прецизионные.
Основные параметры постоянных металлопленочных резисторов приведены в табл. 3.3, условия эксплуатации — в табл. 3.4.
Резисторы МТ, ОМЛТ, МЛТ, МУН выпускают с допустимыми отклонениями сопротивления от номинального значения на ±5;
+ 10; ±20%; прецизионные резисторы МГП — на ±0,5; ±1; ±2%.
Допустимая электрическая нагрузка резисторов при различных температурах воздуха и при пониженном атмосферном давлении приведена на рис. 3.13 и 3.14 соответственно.
Температурный коэффициент сопротивления резисторов не превышает ±20-10—4 град^'. В отличие от углеродистых резисторов ; металлопленочные резисторы могут иметь как положительный, так и отрицательный ТКС.!
ТАБЛИЦА ЗА
Условия эксплуатации постоянных металлопленочных резисторов
Тип резистора
Температура окружающего воздуха, °К
Относительная влажность воздуха, %
Атмосферное давление р-10-3, н«?
Ускорение g (не более)
Диапазон . частот, гц
мт
213—473
до 98 при 313° К
0,6-304
15
5-6000
ОМЛТ
213-398
до 98 при 313°К
0,6-304
15
600 -2000
МЛТ
213-398
до 98 при 313° К
0,6-304
15
600-2000
МУН
213-398
до 98 при 313° К
4-102
15
5-600
МГП
233-328
до 98 при 298°К
94-102
4
5-80
По величине допустимого уровня собственных шумов постоян
ные металлопленочные резисторы подразделяют на две группы группу А с уровнем не бо
лее 1 мкв]в и группу Б—■ не более 5 мкв1в.
Срок службы резисторов МТ, ОМЛТ, МЛТ при условиях эксплуатации, указанных в табл. 3.4, составляет 10 000 ч и резисторов МУН, МГП и МУП — 5000 ч. Измене
ние сопротивления резисторов после трех термоциклов (с выдержкой при
крайних значениях температур в течение 30 мин^ не превышает 2—3%.
Резисторы ОМЛТ имеют такие же электрические параметры, как резисторы МЛТ. Использование высококачественных исходных материалов и дополнительный контроль технологических режимов и качества изделий в процессе производства обеспечивают резисторам ОМЛТ повышенную надежность при эксплуатации.
Резисторы МГП отли
чаются малым коэффициентом напряжения и ТКС, а также высокой стабильностью электрических параметров. В качестве основа- ний для резисторов МГП используют керамические трубки, приме-
няемые также для изготовления резисторов МЛТ-2, что обеспечивает удельную нагрузку не более 0,1 вт!см^.
Особенностью технологии производства резисторов МГП является более точный подбор сплавов и тщательное проведение и контроль технологических режимов. Для защиты от воздействия внешней среды резисторы МГП помещают в герметичную оболочку (высокоомные резисторы подвергают герметизации без предварительной защиты эмалью).
Конструкция резистора С2-10 аналогична конструкции МЛТ. Резисторы С2-10 выпускают с номинальной мощностью рассеяния 0,125—2 вт при температуре окружающего воздуха 323° К. Предназначены С2-10 для работы в цепях ультравысоких частот. Номинальные значения сопротивлений от 10 до 3000 ом; допустимое отклонение от номинальных значений ±0,5 и ±1%.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫ
ПЕРЕМЕННЫХ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Создание переменных металлопленочных резисторов — довольно сложная задача, требующая решения комплекса проблем, среди которых наиболее важной является получение проводящих слоев с достаточной износоустойчивостью, способных обеспечить широкий диапазон номинальных сопротивлений.
Для получения малого контактного сопротивления между проводящим элементом и подвижным контактом необходимо значительное давление, что приводит к быстрому износу проводящего элемента. Чтобы повысить износоустойчивость проводящего элемента, его контактирование с подвижным контактом осуществляется через конус, выполненный из металлической фольги. Однако в этом случае конструкция резистора усложняется, а в процессе эксплуатации , продукты износа, остающиеся под фольгой, ухудшают работоспособность элемента. Поэтому переменные металлопленочные резисторы пока не получили широкого распространения в радиоэлектронной аппаратуре.
В 1966—1968 гг. Московским заводом радиодеталей совместно с кафедрой электротехнических материалов МЭИ разработана технология производства переменных металлопленочных резисторов с двухслойным проводящим элементом.
Конструкция переменного металлопленочного резистора показана на рис. 3.15. Проводящий слой наносится на изоляционное основание'катодным распылением, химическим осаждением или термическим испарением в вакууме.
Параметры резистора (Лн, ТКС, уровень собственных шумов), показанного на рис. 3.15, определяются в основном свойствами проводящего слоя, а также методом его нанесения на изоляционное основание.
Проводящий элемент в виде тонкой металлической пленки (кадмия или никеля) позволяет получить переменные резисторы с
небольшим ТКС по -сравнению с ТКр исходных материалов. Проводящий элемент, состоящий из металлической пленки и слоя защитной композиции, механически прочен. Резисторы с таким проводящим элементом обладают высокой износоустойчивостью и хорошей влагостойкостью, так как слой защитной композиции предохраняет
металлическую пленку от внешних воздействий.
Рис. 3.15. Конструкция переменного металлопле- иочного резистора: / — изоляционное основание; 2 — проводящий слой; 3 — слой защитной композиции; 4 — слой контактной композицияРис. 3.15. Конструкция переменного металлопле- иочного резистора: / — изоляционное основание; 2 — проводящий слой; 3 — слой защитной композиции; 4 — слой контактной композицияРис. 3.16. Эквивалентная схема переменного металлопленочного резистора:RK — сопротивление переходных контактов; R .д — сопротивление ннзкоомного слоя металла; R3 — сопротивление защитной композиции; RH — сопротивление изоляционного основанияРис. 3.16. Эквивалентная схема переменного металлопленочного резистора:RK — сопротивление переходных контактов; R .д — сопротивление ннзкоомного слоя металла; R3 — сопротивление защитной композиции; RH — сопротивление изоляционного основанияЭквивалентная схема переменного металлопленочного резистора приведена на рис. 3.16. Сопротивление резистора определяется в основном сопротивлением проводящего слоя металла и слоя защитной композиции. Сопротивление переходных контактов зависит от конструкции контактного узла.
Рис. 3.15. Конструкция переменного металлопле- иочного резистора: / — изоляционное основание; 2 — проводящий слой; 3 — слой защитной композиции; 4 — слой контактной композиция
Рис. 3.15. Конструкция переменного металлопле- иочного резистора: / — изоляционное основание; 2 — проводящий слой; 3 — слой защитной композиции; 4 — слой контактной композиция
Рис. 3.16. Эквивалентная схема переменного металлопленочного резистора:
RK — сопротивление переходных контактов; R .д — сопротивление ннзкоомного слоя металла; R3 — сопротивление защитной композиции; RH — сопротивление изоляционного основания
Рис. 3.16. Эквивалентная схема переменного металлопленочного резистора:
RK — сопротивление переходных контактов; R .д — сопротивление ннзкоомного слоя металла; R3 — сопротивление защитной композиции; RH — сопротивление изоляционного основания
Сопротивление проводящего элемента в соответствии с приведенной эквивалентной схемой
Я„=2/?к +.(3.8)
(7?М + R3) R»
В качестве изоляционных оснований переменных металлопленочных резисторов обычно используют листовой электротехнический гетинакс марки VI или стеклотекстолит СТЭФ. Поверхностное сопротивление этих материалов составляет 1012—1013 ом. В этом случае сопротивление проводящего элемента
Сопротивление проводящего элемента, показанного на рис. 3.15, определяется сопротивлением нанесенных слоев. Так, сопротивление
квадрата пленки двухслойного проводящего элемента резистора определяется соответственно сопротивлениями, проводящего слоя металла /?Кв.м и слоя защитной композиции 7?квз:
П . _ ^кв.м^кв.з • Р _ Рм . ЛРз
D_’ 'Лкв-М ,, Лк„.3,
“кв.м + Акв.з- »М“3
где рм и рз—удельные сопротивления слоев металла и защитной композиции; Лм и h3— толщина слоев металла и защитной композиции.
С учетом приведенных выражений сопротивление проводящего элемента резистора
г, гг + п лу
AV-2/?K +^--60.(3.10)
jквм
^кв.з
При ^кв.з^-^кв.м сопротивление проводящего элемента практически полностью определяется сопротивлением слоя металла. Одна- Ко использовать слой защитной композиции только для защиты металлического слоя не всегда целесообразно, поскольку с увеличением удельного сопротивления композиции растет контактное сопротивление RK и увеличивается начальный скачок сопротивления резистора.
Основными технологическими процессами изготовления переменных металлопленочных резисторов являются:
подготовка поверхности изоляционных оснований (полос);
нанесение проводящего слоя (пленки);
контроль сопротивления проводящей пленки;
приготовление защитной композиции;
покрытие проводящей пленки слоем защитной композиции;
термообработка защитного слоя;
вырубка проводящих элементов;
приготовление контактной композиции;
создание контактных слоев;
термообработка проводящих элементов;
контроль параметров проводящих элементов.
Рассмотрим подробнее процессы получения переменных металлопленочных резисторов с двухслойным проводящим элементом методом катодного распыления кадмия.
При использовании изоляционных полос из гетинакса для улучшения сцепления проводящей пленки с полосой проводится обработка (тщательная очистка и обезжиривание) поверхности полос на пескоструйных аппаратах.
При катодном распылении подложка в большинстве случаев не нагревается. Это позволяет металлизировать слоистые пластики, весьма чувствительные к нагреву.
В качестве проводящего материала, например, для резистивных элементов используют кадмий.
Кадмий — серебристо-белый металл, ковкий и тягучий, кристаллизуется по гексагональной системе, плотность 8640 кг/м3 температура плавления 594° К. Положительным является то, что на воздухе в обычных условиях кадмий не окисляется. Металлические изделия с целью защиты от коррозии при соприкосновении с морской водой или с другой агрессивной корродирующей средой кадмируют.
Кадмий имеет низкую температуру сублимации и интенсивно распыляется при давлении 4—8 н]мК С введением в рабочую камеру аргона кадмий по сравнению с другими металлами обеспечивает
Рис. 3.17. Схема высокопроизводительной установки для создания проводящих слоев на изоляционных полосах из слоистого пластика:
1 — анод; 2—катод (кадмий); 3— вращающийся цилиндр;
4 — изоляционные полосы; Р — редуктор; Д — двигатель; ВН — форвакуумный насос; ВВ — высоковольтный выпрямитель
очень высокую скорость распыления. Кадмий обладает небольшим температурным коэффициентом удельного сопротивления ^•\^град~ху
Нанесение кадмия на изоляционные полосы осуществляют на установке, схема которой показана на рис. 3.17. Изоляционные полосы помещаются внутрь вращающегося цилиндра, что обеспечивает равномерность толщины проводящей пленки по длине полосы.
После распыления проводится контроль сопротивления проводящих слоев. Общее сопротивление проводящего слоя Rn связано с сопротивлением квадрата пленки RKB следующим соотношением
где / — длина изоляционной полосы; б — ширина изоляционной Полосы.
Следующей технологической операцией является покрытие проводящего слоя слоем защитной композиции с целью защиты от воз- 5” 131 '
действия внешней среды, истирания и обеспечения контакта проводящего слоя со щеткой.
Важным является выбор защитной композиции, к которой предъявляются противоречивые требования. Наиболее технологично было бы использовать высокоомную защитную композицию с сопротивлением, значительно превышающим сопротивление проводящего слоя кадмия. В этом случае сопротивление проводящего элемента практически определяется сопротивлением проводящего слоя, что облегчает получение определенного номинального сопротивления. Однако использование высокоомной композиции нецелесообразно по ряду других технологических причин. Проводимость защитной композиции обусловливает такой важный параметр резистора, как начальный скачок сопротивления, определяет функциональную характеристику резистора.
Государственные стандарты и технические условия на переменные резисторы обычно устанавливают максимальное значение начального скачка сопротивления. Так, например, согласно ГОСТ 11077—67 начальный скачок сопротивления для подстроечных резисторов СПЗ не должен превышать 15%.
Начальный скачок сопротивления проводящего элемента определяется удельным сопротивлением Защитной композиции, конструкцией контактного узла и регулирующего подвижного контакта. С увеличением сопротивления защитной композиции начальный скачок сопротивления растет. Поэтому необходимо использовать композиции с небольшим удельным сопротивлением, особенно для низкоомных проводящих элементов, так как номинальное сопротивление резистора невелико. Покрытие металлической пленки слоем защитной композиции производится из контейнера на конвейере лаковых покрытий. При использовании в качестве изоляционных оснований электротехнического гетинакса марки VI защитную композицию выполняют на основе крезольноформальдегидной смолы; при использовании стеклотекстолита, имеющего более высокую нагре- востойкость по сравнению с гетинаксом, — на основе эпоксидной смолы.
После покрытия проводящей пленки защитной композицией производится термообработка (полимеризация) защитного слоя в печах с инфракрасным нагревом. Температуру печи устанавливают в зависимости от свойств выбранной защитной композиции.
Вырубку проводящих элементов из полос осуществляют на one-* циальных штамповочных станках. Для уменьшения переходных сопротивлений между выводами и элементом концы проводящих элементов покрывают низкоомной контактней композицией на основе мелкодисперсного серебра.
Термообработка проводящих элементов производится в конвейерной печи с инфракрасным нагревом и автоматической регулировкой температуры. После этого технологический цикл изготовления проводящих элементов считается законченным.
Далее измеряют сопротивление элементов на автоматических мостах и устанавливают их в конструкции.
Конструкции переменных металлопленочных резисторов показаны на рис. 3.18.
Металлопленочные резисторы открытой конструкции (рис. 3.18, а) предназначены для работы в качестве подстроечных элементов в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов при непрерывных и импульсных режимах. В этой конструкции проводящий элемент не защищен от воздействий внешней среды.
Рис. 3.18. Конструкции переменных металлопленочных резисторов: а — открытого типа; б —закрытого типа; / — проводящий элемент; 2 —гети- наксовое основание; 3 — полиамидная ось; 4 —контактная пружина; 5 —контактное кольцоРис. 3.18. Конструкции переменных металлопленочных резисторов: а — открытого типа; б —закрытого типа; / — проводящий элемент; 2 —гети- наксовое основание; 3 — полиамидная ось; 4 —контактная пружина; 5 —контактное кольцо
Рис. 3.18. Конструкции переменных металлопленочных резисторов: а — открытого типа; б —закрытого типа; / — проводящий элемент; 2 —гети- наксовое основание; 3 — полиамидная ось; 4 —контактная пружина; 5 —контактное кольцо
Рис. 3.18. Конструкции переменных металлопленочных резисторов: а — открытого типа; б —закрытого типа; / — проводящий элемент; 2 —гети- наксовое основание; 3 — полиамидная ось; 4 —контактная пружина; 5 —контактное кольцо
допустимой резисторов окружающегодопустимой резисторов окружающегоРис. 3.19. Зависимость электрической нагрузкиСП2-3 от температуры воздухаРис. 3.19. Зависимость электрической нагрузкиСП2-3 от температуры воздуха
допустимой резисторов окружающего
допустимой резисторов окружающего
Рис. 3.19. Зависимость электрической нагрузки
СП2-3 от температуры воздуха
Рис. 3.19. Зависимость электрической нагрузки
СП2-3 от температуры воздуха
Металлопленочные резисторы закрытой конструкции СП2-3 (рис. 3.18, б) предназначены для работы в качестве подстроечных и регулировочных элементов , в радиотехнической и телевизионной аппаратуре.
Пределы номинальных
значений сопротивлении резисторов СП2-3 от 22 до 390 ол, интервал рабочих температур 230—340° К, номинальная мощность рас- , сеяния 0,25 вт (при 313°К).
С увеличением температуры окружающего воздуха свыше 313° К допустимая электрическая нагрузка снижается, -как показано на рис. 3.19.
Резисторы работоспособны при относительной влажности воздуха до 85%, при температуре 300° К и атмосферном давлении до 5-104<m2.
Температурный, коэффициент сопротивления металлопленочных резисторов СП2-3 с двухслойным проводящим элементом определя-
ется ТКр слоя кадмия и ТКр защитной композиции. ТКр проводящего слоя кадмия имеет знак положительный для наиболее низких номиналов и отрицательный для более высоких номиналов; ТКр защитной композиции, как правило, отрицателен и имеет значение не более 1 • 103 град”1.
Если ТКр проводящего слоя кадмия Zj, а ТКр защитного слоя z2, то ТКС резистора с двухслойным проводящим элементом в интервале температур АТ
(3.11)(3.11)'PKQ ^1^2 (^?м + ^з)
(3.11)
(3.11)
Rm2i + Ri^i
где RM — сопротивление проводящего слоя кадмия; R3— сопротивление слоя защитной композиции.
Рис. 3.20. Зависимость ТКС металлопленочных резисторов на основе кадмия от номинального значения сопротивленияРис. 3.20. Зависимость ТКС металлопленочных резисторов на основе кадмия от номинального значения сопротивленияТКС металлопленочных резисторов на основе кадмия с номинальными сопротивлениями 10—250 ом составляет (6—20) •10-4 град~1, причем наиболее высокими значениями ТКС обладают резисторы с самыми низкими номинальными значениями сопротивления, что обусловлено использованием в проводящих элементах более толстых пленок кадмия, имеющих ТКр=(20— —30) -10-4 град-1.
Рис. 3.20. Зависимость ТКС металлопленочных резисторов на основе кадмия от номинального значения сопротивления
Рис. 3.20. Зависимость ТКС металлопленочных резисторов на основе кадмия от номинального значения сопротивления
При номинальных сопротивлениях свыше 150—200 ом ТКС резисторов становится отрицатель- ,ным, так как используемые в проводящих элементах пленки кадмия имеют отрицательный ТКр (рис. 3.20). Если номинальные сопротивления 200—400 ом, ТКС резисторов Ю-4—10~5 глад *.
Функциональная характеристика резисторов СП2-3 линейна, начальный скачок сопротивления не превышает 20% номинального сопротивления.
Таким образом, в качестве проводящего материала был рассмотрен кадмий, обладающий высокой влагостойкостью, антикоррозий- ностью, небольшим ТКр и т. д.
Проводящий слой металлопленочного резистора может быть выполнен также из сплава кадмия с оловом (Cd —Sn). Исследования показали, что свойства Cd — Sn зависят от процентного соотношения компонентов (см. рис. 3.21). Введение 2—3% олова в кадмий повышает его сопротивление и снижает ТКр До (3,4—3 5) • 10-3 град~х.
В этом случае изоляционные основания подковообразной формы получают из гетинаксовых полос толщиной 0,8 мм вырубкой на штампах. .
Кадмированные металлические шайбы обеспечивают надежный омический контакт с малым сопротивлением между проводящей пленкой и выводами резистора. Изменяя длительность катодного распыления, получают проводящие элементы с сопротивлениями 0,1—100 ом.
Рис. 3.2Г. -Зависимость удельного объемного сопротивления (а) и ТКр (б) сплавов Cd — Sn от процентного соотношения компонентовРис. 3.2Г. -Зависимость удельного объемного сопротивления (а) и ТКр (б) сплавов Cd — Sn от процентного соотношения компонентов
Рис. 3.2Г. -Зависимость удельного объемного сопротивления (а) и ТКр (б) сплавов Cd — Sn от процентного соотношения компонентов
Рис. 3.2Г. -Зависимость удельного объемного сопротивления (а) и ТКр (б) сплавов Cd — Sn от процентного соотношения компонентов
У металлопленочных резисторов с сопротивлениями 1 —10 ом минимальное сопротивление не превышает 8%, с сопротивлениями 10—100 ол —5%.
На рис. 3.22 показаны зоны значений начального скачка сопротивления резисторов. Границы зон характеризуют отклонение на-
Рис. 3.22. Зоны значений начального скачка сопротивления низкоомных подстроечных резисторов с сопротивлениями 1—10 ом (а) и 10—100 ом (б)Рис. 3.22. Зоны значений начального скачка сопротивления низкоомных подстроечных резисторов с сопротивлениями 1—10 ом (а) и 10—100 ом (б)
Рис. 3.22. Зоны значений начального скачка сопротивления низкоомных подстроечных резисторов с сопротивлениями 1—10 ом (а) и 10—100 ом (б)
Рис. 3.22. Зоны значений начального скачка сопротивления низкоомных подстроечных резисторов с сопротивлениями 1—10 ом (а) и 10—100 ом (б)
чального скачка сопротивления от среднего значения на к+За, где °— среднеквадратичное отклонение от среднего значения.
На основе экспериментальных данных по ТКС подстроечных резисторов с номинальными значениями сопротивления от 1 до 100 ом построены зоны значений ТКС.
Как показывают экспериментальные данные, ТКС резисторов уменьшается с ростом номинального сопротивления (рис. 3.23), что связано с уменьшением толщины проводящей пленки.
Изменение сопротивления резисторов после пребывания в камере с относительной влажностью 93±2% и температурой 300° К в течение 48 ч не превышает 3%. После 500 поворотов подвижного контакта изменение сопротивления резисторов не превышает 10%.
Рис. 3.23. Зависимость ТКС низкоомпых резисторов от сопротивления:а — при 1—10 ом; б — при 10—100 омРис. 3.23. Зависимость ТКС низкоомпых резисторов от сопротивления:а — при 1—10 ом; б — при 10—100 ом
Рис. 3.23. Зависимость ТКС низкоомпых резисторов от сопротивления:
а — при 1—10 ом; б — при 10—100 ом
Рис. 3.23. Зависимость ТКС низкоомпых резисторов от сопротивления:
а — при 1—10 ом; б — при 10—100 ом
Переменные резисторы на основе кадмия и сплава кадмия с оловом рекомендуются в качестве подстроечных резисторов в радиотехнической и телевизионной аппаратуре общего назначения.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫМЕТАЛЛООКИСНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Металлоокисные резисторы являются одним из самых перспективных типов резисторов, поскольку термостойкость проводящих пленок у них более высокая, чем у пленок металлов и сплавов, а технологический процесс получения проводящих элементов обеспечивает непрерывное поточное производство изделий.
Наиболее широко распространены резисторы на основе двуокиси олова. Осаждение пленок двуокиси олова на стеклянные и керамические основания производится химическим путем из хлористых соединений SnCh и SnCl4. Кристаллы хлористого олова подвергают гидролизу при 720—730° К- В камеру, нагретую до такой же температуры, впускают пары, образующиеся при гидролизе SnCl2. При этом на поверхности вращающихся оснований, помещенных в камеру, образуется пленка двуокиси олова:
SnCl2 + Н2О -> SnO + 2НС1
2SnO4-O2 — 2SnO2
2SnO—♦ Sn-}-SnO2.
- При использовании четыреххлористого олова его водный раствор с помощью пульверизатора наносится на основания, нагретые до
температуры 800—890° К- При этом происходит реакция SnCl4 + 2H2O— SnO2+4HCl.
Тонкие пленки двуокиси олова с высокой проводимостью и хорошей стабильностью получают термическим разложением раствора следующего состава: 40 вес. ч. четыреххлористого олова (SnCU), 60 вес. ч. 96%-ного этилового спирта, 0,5—1 вес. ч. хлористой сурьмы (SbCh).
Другой способ заключается в создании методом термического
испарения пленки двуокиси олова с последующим прогревом при постепенно нарастающей температуре.
Пленки двуокиси олова обладают хорошей адгезией к изоляционным основаниям, отличаются высокой термостойкостью, стойки к воздействию кислот и щелочей, имеют невысокий ТКр.
Изменяя условия проведения процесса и применяя различные добавки, можно в широких пределах изменять сопротивление пленок. Введение окиси цинка в количестве 5—8 вес. ч. позволяет
Рис. 3.24. Схема установки для получения проводящих элементов металлоокисных резисторов:/—тигель с автоматическим регулированием температуры; 2 — нижнее отверстие тигля; 3 — направляющие ролики; 4 — рабочая камера; 5 — пульверизатор; 5 — испарительная камера; 7— смеситель; 5 — дозирующее устройствоРис. 3.24. Схема установки для получения проводящих элементов металлоокисных резисторов:/—тигель с автоматическим регулированием температуры; 2 — нижнее отверстие тигля; 3 — направляющие ролики; 4 — рабочая камера; 5 — пульверизатор; 5 — испарительная камера; 7— смеситель; 5 — дозирующее устройствополучать пленки с высоким удельным сопротивлением, низким ТКр и хорошей стабильностью в широком интервале' температур (210—500° К). Пленки с добавлением окиси цинка, нанесенные методом распыления на 'предварительно нагретые штабики из
Рис. 3.24. Схема установки для получения проводящих элементов металлоокисных резисторов:
/—тигель с автоматическим регулированием температуры; 2 — нижнее отверстие тигля; 3 — направляющие ролики; 4 — рабочая камера; 5 — пульверизатор; 5 — испарительная камера; 7— смеситель; 5 — дозирующее устройство
Рис. 3.24. Схема установки для получения проводящих элементов металлоокисных резисторов:
/—тигель с автоматическим регулированием температуры; 2 — нижнее отверстие тигля; 3 — направляющие ролики; 4 — рабочая камера; 5 — пульверизатор; 5 — испарительная камера; 7— смеситель; 5 — дозирующее устройство
тугоплавкого бесщелочного стекла, имеют сопротивление квадрата пленки 400—2000 ом и ТКр менее 6-10-4 град-1.
Для создания проводящих пленок с сопротивлением Ята— 1—
3000 ом широко распространены растворы, основными компонентами которых являются SnO2, ZnO, Sb20s.
Для получения проводящих элементов металлоокисных резисторов разработаны технологические установки, на которых одновременно осуществляется изготовление изоляционных оснований в виде стеклянных штабиков, вытягиваемых из расплава тугоплавкого стекла, и нанесение проводящего слоя на движущийся штабик.
Схема установки для получения проводящих элементов металлоокисных резисторов приведена на рис. 3.24.
Шихта в тигле 1 доводится до плавления и через отверстие 2 вытягивается стеклянная нить. С помощью роликов 3, приводимых во врашение двигателем, стеклянная нить с определенной скоростью протягивается через рабочую камеру 4. Диаметр нити регу-
лируется температурой в тигле, контролируемой термопарами, и скоростью протяжки нити. Нагретая в печи стеклянная нить попадает в поток паров рабочей смеси, распыляемой с помощью 'пульверизатора 5 через камеру 6. Рабочая смесь подается из смесителя 7 через дозирующее устройство 8 в камеру 6, а затем в рабочую камеру 4. Стеклянная нить, покрытая проводящей пленкой, разрезается на элементы заданной длины.
Серебряные выводыСеребряные выводыУстановка имеет систему автоматического контроля и регулирования, которая осуществляет контроль температуры в печах, уровня пленкообразующего раствора, давления в рабочей камере 4 и скорости движения нити через рабочую камеру.
Серебряные выводы
Серебряные выводы
выводывыводыРис. 3.25. Конструкции металлоокисных резисторов:а —МОН: б —МОУ; в — МОУ-ШРис. 3.25. Конструкции металлоокисных резисторов:а —МОН: б —МОУ; в — МОУ-ШРабочая камера 4, в которой производится нанесение пленки двуокиси олова, представляет собой "муфельную электропечь. Один боковой ввод соединяет рабочую камеру 4 с испарительной камерой 6, в которой производится распыление и испарение раствора, через два других ввода, соединенных с вытяжной вентиляцией,
выводы
выводы
Рис. 3.25. Конструкции металлоокисных резисторов:
а —МОН: б —МОУ; в — МОУ-Ш
Рис. 3.25. Конструкции металлоокисных резисторов:
а —МОН: б —МОУ; в — МОУ-Ш
осуществляется отвод пленкообразующих паров.
Сопротивление получаемых заготовок зависит от ряда технологических факторов: температуры разогрева стеклянной нити, концентрации паров исходного раствора в рабочей камере, скорости движения нити через камеру и т. п.
Чтобы обеспечить стабильность и небольшой ТКС проводящих элементов, толщина пленок двуокиси олова должна быть не менее 10-5—10-6 см.
Для создания омического контакта с окисно-оловянной проводящей пленкой используют серебряные пасты. Качество контакта может быть улучшено введением в состав пасты 2—5% моноокиси .олова по отношению к весу твердой фазы пасты.
Введение в состав пасты моноокиси олова (SnO) позволяет также значительно уменьшить химическое взаимодействие контакта с окисно-оловянной пленкой и переходное сопротивление.
Отечественная промышленность выпускает резисторы МОУ (металлоокисные ультравысокочастотные) и МОН (металлоокисные низкоомные), конструкции которых показаны на рис. 3.25.
Резисторы МОУ предназначены для работы в качестве безреак- тивных поглотительных элементов на ультравысоких частотах; конструктивно эти резисторы изготавливают трех видов: стержневые, трубчатые и шайбовые. Номинальная мощность рассеяния резисторов МОУ составляет 0,1—200 вт, резисторов МОУ-Ш— 0,15 и 0,35 вт при температуре окружающего воздуха 323° К; диапазон
номинальных сопротивлений МОУ 4,5 — 150 ол<. Резисторы МОУ предназначены для работы в интервале температур 210—470°К при атмосферном давлении не ниже 1,2 • 104 нГи2 и относительной влажности, воздуха не более 80%, ТКС резисторов не более ±5 -10~4 градл.
Резисторы МОН выпускают с номинальной мощностью рассеяния 0,5; 1; 2 вт, при температуре окружающего воздуха 343° К, с сопротивлениями 1—100 ом. Диапазон рабочих температур резисторов 213—398° К. ТКС не более ±8 • 10-4 град~\
а-)б)а-)б)Рис. 3.26. Переменные металлоокисные резисторы СП2-2 с номинальной мощностью рассеяния 0,5 вт (й) и 1 вт (б)Рис. 3.26. Переменные металлоокисные резисторы СП2-2 с номинальной мощностью рассеяния 0,5 вт (й) и 1 вт (б)Рис. 3.27. Схема микромодуль- иого резистора С2-12Рис. 3.27. Схема микромодуль- иого резистора С2-12
а-)б)
а-)б)
Рис. 3.26. Переменные металлоокисные резисторы СП2-2 с номинальной мощностью рассеяния 0,5 вт (й) и 1 вт (б)
Рис. 3.26. Переменные металлоокисные резисторы СП2-2 с номинальной мощностью рассеяния 0,5 вт (й) и 1 вт (б)
Рис. 3.27. Схема микромодуль- иого резистора С2-12
Рис. 3.27. Схема микромодуль- иого резистора С2-12
В последние годы на основе металлоокисных пленок выполнены переменные резисторы, обладающие повышенной термостойкостью, влагостойкостью и хорошей механической прочностью.
Переменные металлоокисные резисторы общего назначения СП2-2 (рис. 3.26) пока имеют ограниченное применение, более широко используются переменные композиционные резисторы. Резисторы СП2-2 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного тока и в импульсном режиме при температурах 210— 400° К и относительной влажности воздуха до 98% при температуре 313° К. Номинальная мощность рассеяния резисторов 0,5 и 1 вт при температуре 358° К. При температуре 400° К резисторы могут иметь нагрузку 0,45 Рн; пределы номинальных сопротивлений 47 ом — 47 ком.
ТКС в диапазоне температур 210—400° К не превышает ±10Х ХЮ-4 град-'1 для резисторов с величиной сопротивления до 1 ком и ±20- 10-4 град-1 для резисторов с сопротивлениями свыше 1 ком.
В микромодульной аппаратуре используются металлоокисные миниатюрные резисторы С2-12 (рис. 3.27). В качестве изоляционного основания этих резисторов служит стекловолокно, на поверхность которого тонким слоем наносится пленка двуокиси олова. Изготовление резисторов С2-12 производится на высокопроизводительных устройствах, состоящих из рабочей камеры, в которой осуществляется разложение водного раствора четыреххлористого
олова с добавками сурьмы, и механизма перемотки жгута из стекловолокна с автоматической регулировкой скорости прохождения нити через зону реакции и с автоматическим измерением величины сопротивления на фиксированной длине участка нити.
Изменяя режим и скорость процесса осаждения металлоокисной пленки и состав пленки путем введения различных примесей, получают миниатюрные резисторы с сопротивлениями 5,1 ом— 5,1 ком и допускаемыми отклонениями от номинального значения на ±5, ± 10 и ±20%. Длина резистора не более 6 мм.
Резисторы крепятся непосредственно к поверхности микроплаты на заранее подготовленные металлизированные электроды. На одной керамической плате часто монтируются несколько (до шести) резисторов.
Выводы резисторов могут быть подключены к любым пазам платы.
Номинальная мощность рассеяния одного резистора при 340° К составляет 0,125 вт (до 500- ом — 0,25 вт).
Глава четвертая
КОМПОЗИЦИОННЫЕ РЕЗИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Проводящие элементы композиционных резисторов представляют собой гетерогенную систему (композицию).
Технологический принцип изготовления композиционных материалов основан на смешивании проводящего компонента, например графита или сажи, с органическими или неорганическими связующими 'компонентами, например фенольными и эфирными смолами (эпоксидной, глифталиевой, кремнийорганической), наполнителем, пластификатором и отвердителем.
При использовании сложных гетерогенных систем получают композиционные резисторы с сопротивлением от долей ома до нескольких тераом.
Композиционные материалы в зависимости от состава имеют широкий диапазон удельных сопротивлений (Ю-2— 10й ом-м). Изменяя состав композиции и условия обработки, получают необходимые проводимость и ТКр. Проводимость высокоомных композиций по величине аналогична проводимости диэлектриков. Однако в отличие от диэлектриков, проводимость которых в значительной мере зависит от температуры, композиционные материалы можно получить с небольшим ТКр.
На основе композиций можно выполнить высокоомные резисторы с большим сечением проводящего элемента, что обеспечивает их надежную работу в различных режимах и условиях эксплуатации.
При изготовлении 'композиционных резисторов не требуется сложного оборудования и дорогих материалов.
Невысокая стоимость композиционных резисторов и повышенная надежность в эксплуатации обусловливают их широкое применение в аппаратуре общего назначения.
К недостаткам композиционных резисторов относятся сравнительно большая зависимость сопротивления от приложенного напряжения и мощности, а также значительный уровень собственных шумов. Большой уровень собственных шумов является следствием гранулярной (крупнозернистой) структуры композиционных материалов.
Грубая дисперсность проводящих компонентов способствует старению композиционных резисторов при длительной нагрузке.
Большинство отечественных и зарубежных типов композиционных резисторов выпускают с проводящими элементами, выполненными на основе органических связующих компонентов. При воздействии влаги и повышенной температуре величина сопротивления
таких резисторов может значительно изменяться; предельная рабочая температура их не превышает 420—430° К.
Эти недостатки не позволяют использовать 'композиционные резисторы в высокочастотной и точной аппаратуре.
Термостойкость и влагостойкость композиционных резисторов повышают путем использования неорганических связующих компонентов.
Отечественная промышленность выпускает композиционные резисторы с проводящими элементами объемного и пленочного типа. Объемные проводящие элементы получают прессованием композиционной смеси, пленочные — нанесением композиции на изоляционное основание.
.§ 4.2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВАКОМПОНЕНТОВ КОМПОЗИЦИЙ
Основные физические свойства композиционного материала — проводимость и ТКр — определяются структурой и свойствами проводящих и связующих компонентов, а также.наполнителей.
ПРОВОДЯЩИЕ КОМПОНЕНТЫ
В большинстве случаев проводящими компонентами композиций являются порошкообразные графит и сажа, обладающие высокой дисперсностью, сравнительно большим удельным сопротивлением. Кроме того, сажа и графит химически инертны и достаточно термостойки.
Окисление сажи и графита наступает при температурах более 430° К и сопровождается образованием окиси и двуокиси углерода.
Сажа и графит не подвержены коррозии и при воздействии влажной среды набухают. Важной особенностью некоторых видов саж является способность к образованию структур, т. е. длинных прочных цепочек из рабочих частиц. Этому способствуют неиспользованные валентные связи отдельных кристаллитов. Совокупность цепочек представляет собой как бы каркас сажи, внутренний объем которого в композиции заполнен связующим компонентом. Способность сажи к структурообразованию обычно возрастает с увеличением ее дисперсности и с уменьшением содержания летучих примесей.
Графит—аллотропная форма углерода. Естественный графит представляет собой образования углерода с кристаллическим строением в виде пластинчатых гексагональных кристаллитов размеоом 102—104 А.
Графит получают искусственным путем — разложением углеводородов при высокой температуре. В состав графита обычно входят механические примеси различных минеральных веществ, а также летучие — СО2, СО, СН4 и др.
В технике применяют различные виды коллоидного графита, являющегося продуктом термохимической переработки натуральных графитов.
Наиболее мелкодисперсный коллоидный графит имеет размер частиц значительно больше, чем сажи, — около 5000 А. По величине проводимости и ТКр графит аналогичен саже, подвергнутой прокаливанию при повышенной температуре. По термостойкости графит несколько превосходит сажу. Графит практически не структурируется, его объемное число около 3, что позволяет вводить его в композицию до 50% объема. Эти свойства делают графит незаменимым для получения низкоомных композиций, контактных паст и клеев.
Для получения низкоомных композиций обычно используют графит и сажу в определенном соотношении, которое зависит от дисперсности графита и способности сажи к структурообразованию. Графит, заполняя ячейки в пространственной структуре, образованной сажей, обеспечивает высокую прочность и проводимость композиционного слоя. Поскольку структура композиции неоднородна, т. е. существуют ячейки различной величины, используют смеси различных видов графитов, отличающихся дисперсностью и формой частиц.
Сажа представляет собой темный порошок, состоящий из высокодисперсных рабочих частиц. Вследствие высокой дисперсности сажу иногда называют коллоидным углеродом.
Содержание летучих примесей у некоторых видов саж достигает 10—15%; в составе летучих примесей преобладает кислород в виде фенольных, карбонильных и других групп. В меньших количествах содержится азот, водород, метан.
В качестве сырья для получения сажи служат газообразные, жидкие и твердые углеводороды (ацетилен, природные газы, антрацен, нафталин и др.). Общей технологической операцией в производстве сажи из различных исходных материалов является сжигание сырья с помощью горелок или форсунок в печах при недостатке воздуха или его термическое разложение при отсутствии воздушной среды. Образующиеся частицы сажи осаждаются на металлических поверхностях и собираются специальными приспособлениями или улавливаются электрофильтрами непосредственно из объема, в котором происходит сжигание. Далее сажа проходит обработку, заключающуюся в удалении посторонних примесей, в уплотнении и грануляции с целью уменьшения объема.
Наиболее распространенными сажами, используемыми в производстве композиционных резисторов, являются диффузионные газовые, турбулентные и ацетиленовые.
Диффузионные газовые сажи (КГ-100, КГ-200 и др.) получают осаждением на движущихся охлаждаемых желобах (каналах) из Диффузионного пламени природного газа при его неполном сгорании. Процесс получения сажи неэкономичен, поскольку выход угле-
рода составляет 3,5—4%, однако сажи обладают высокой дисперсностью, что важно для получения высококачественных композиций.
Для диффузионных саж характерно большое содержание лету- чих компонентов (10—15%), поскольку осаждение сажи происходит в полуоткрытых рабочих камерах, сообщающихся с атмосферой. , Диффузионные газовые сажи различных партий значительно отличаются по свойствам, так как состав природного газа меняется со временем, а естественная тяга, используемая в рабочих камерах, не обеспечивает постоянства условий осаждения. Вследствие этого диффузионные сажи перед использованием в производстве резисторов подвергают специальной обработке.
Турбулентные сажи (ТМ-15, ТМ-30, ТМ-50, ТМ-70 и др.) получают осаждением на стенках камер при неполном сгорании жидких углеводородов (мазута, керосина, зеленого масла) или их смеси с природным газом. Этот способ по сравнению с другими, за исключением получения ацетиленовой сажи, дает высокий выход углерода.
Турбулентные сажи отличаются малым количеством примесей и средней способностью к структурообразованию с тенденцией к возрастанию при увеличении удельной поверхности. Наиболее грубодисперсные сажи ТМ-30 и ТМ-50 используются в производстве низкоомных композиций и контактных паст, более дисперсная сажа ТМ-70 — в высокоомных композициях.
А цетиленовую сажу можно получить тремя основными способами: термическим или взрывным способом разложения ацетилена, а также при электрическом крекинге метана.
Наиболее экономичным способом производства ацетиленовой сажи является термический, основанный на разложении ацетилена на водород и углерод при нагреве.
Взрывной способ получения ацетиленовой сажи основан на свойстве ацетилена разлагаться на углерод и водород благодаря взрыву при давлении свыше 105 н/м2. Ацетилен, накаченный в стальные баллоны до давления (5—10) -105 н(м2, взрывается с помощью электрического запала. Взрыв сопровождается повышением температуры до 3300° К и давления до 107 н/м2. После охлаждения из баллона выпускается водород вместе с сажей, которая улавливается специальными фильтрами.
Взрывная ацетиленовая сажа благодаря высокой температуре при осаждении отличается малым содержанием примесей, высокой проводимостью и значительным структурообразованием. Средний размер рабочих частиц сажи составляет 450—550 А.
Ацетиленовую сажу получают так же, как побочный продукт, образующийся при производстве ацетилена путем электрического крекинга углеводородов в вольтовой дуге.
В табл. 4.1 приведены характеристики саж, применяемых в производстве композиционных резисторов.'
Первичная структура сажи представляет собой беспорядочно расположенные плоские молекулярные слои. В каждом слое атомы
Характеристики саж, применяемых в производстве резисторовХарактеристики саж, применяемых в производстве резисторов♦ Сажа гранулированная.♦ Сажа гранулированная.
Характеристики саж, применяемых в производстве резисторов
Характеристики саж, применяемых в производстве резисторов
♦ Сажа гранулированная.
♦ Сажа гранулированная.
образуют правильные шестиугольники, размер которых несколько больше, чем в структуре графита (см. рис. 2.1). Расположение слоев не имеет как у графита периодичности, расстояния между слоями несколько больше, чем у графита.
Сажи, полученные различными способами, имеют различные величины рабочих частиц, первичные структуры, количество примесей и соответственно отличаются по величине проводимости и ТКр.
Рабочая частица сажи содержит беспорядочно расположенные кристаллиты с различными проводимостью и ТКр. С ростом температуры проводимость сажи обычно увеличивается.
Кристаллиты связаны между собой сильными валентными связями, вследствие чего рабочая частица не может быть разрушена механическим воздействием — помолом, вальцеванием и т. п.
Свойства сажи определяются главным образом величиной рабочих частиц. Размеры кристаллитов (20—65 А) у различных видов саж отличаются незначительно. Один кристаллит содержит 100— 200 атомов углерода.
Размеры рабочих частиц сажи в зависимости от способа ее получения составляют от 100 до 2000 А. Таким образом, рабочая частица сажи содержит от нескольких сотен до миллионов первичных кристаллитов.
Величина активной удельной поверхности сажи составляет десятки квадратных метров на грамм.
Вторичная (цепная) структура сажи сравнительно легко разрушается механическим воздействием в вибрационных или шаровых мельницах, но, как правило, частично восстанавливается после прекращения воздействий. При сжатии сажи цепочки рабочих частиц деформируются и соответственно пористость сажи уменьшается, однако малую величину получить достаточно трудно. Даже в сильно сжатом состоянии кажущаяся плотность сажи значительно меньше истинной.
Объемной плотностью сажи называют отношение кажущейся плотности сажи в насыпном (несжатом) состоянии к истинной плот- .ности. Величина объемной плотности сажи выражается в долях единицы или процентах. Объемное число сажи — это величина, обратная кажущейся плотности. Для некоторых видов саж объемное число достигает значений (15—20) • 10-6 ж3/г.
С целью облегчения транспортировки сажи производится ее уплотнение; некоторые виды саж подвергаются специальной обработке— грануляции, после которой объемное число составляет (2—3) • 10 ”6 ж3/г. При диспергировании в связующих компонентах кристаллы легко разрушаются и происходит восстановление цепной структуры сажи.
Качественным показателем структурообразующих свойств сажи является также маслоемкость, которая выражается объемом льняного масла, впитывающимся 1 г сажи. Величина маслоемкости саж находится в пределах 1—3 мл/г.
Вследствие значительного структурообразования относительный объем сажи в композиции может быть очень малым при частичном
сохранении непрерывности проводящих цепочек, что способствует получению хорошей воспроизводимости композиций. При слабом структурообразовании проводимость композиции резко изменяется с изменением количества сажи, что затрудняет получение хорошей воспроизводимости композиций.
Одной из важных характеристик сажи является содержание летучих примесей.
Кислородные соединения (фенольные, карбонильные и т. п.), которые образуются на поверхности рабочих частиц сажи в результате окисления при осаждении частиц, сравнительно мало влияют на электрические свойства сажи. Однако при диспергировании сажи в связующем компоненте влияние этих соединений на проводимость' композиционной системы весьма значительно. Обычно диспергирование сажи улучшается с повышением количества летучих компонентов, поэтому сажи с малым содержанием летучих компонентов в ряде случаев подвергают окислению.
Водород находится преимущественно на гранях кристаллитов и оказывает существенное влияние на электрические свойства сажи. Чем ниже температура сажеобразования, т. е. чем менее полно идет разложение углеводородов, тем больше процент водорода в саже.
Количество летучих примесей в саже определяется как потеря веса после прокаливания при 1173° К в течение 7 мин.
Другой важной характеристикой чистоты сажи является величина pH, характеризующая концентрацию водородных ионов водной композиции сажи, которая предварительно кипятится. Величина pH имеет значения от 3 (для сильно окисленных саж) до 10 (для чистых саж), что соответствует концентрации ионов водорода от 109 до 1016 ж-3.
Удельное сопротивление сажи измеряется в специальной форме, представляющей собой трубку, в которой навеска сажи сжимается двумя электродами с помощью грузов или калиброванной пружины. Прикладываемое напряжение выбирается достаточно малым, для того чтобы исключить нагрев сажи. Удельное сопротивление сажи в значительной мере определяется величиной давления; при повышении давления удельное сопротивление сажи уменьшается, так как возрастает число точек соприкосновения между частицами и увеличивается число проводящих цепочек.
Удельное сопротивление сажи в широком интервале давленийР="+^г.
где а и Ь — константы, определяющиеся составом сажи; п=0,45— 0,65 — константа, характеризующая наклон кривых, которая возрастает с увеличением летучих примесей.
Проводимость и ТКр сажи зависят от количества летучих примесей. Летучие примеси в виде пленки кислородных соединений или слоя адсорбированных сажей углеводородных молекул образуют изолирующий слой, который увеличивает удельное сопротивление сажи. Содержание летучих примесей зависит от условий получения
сажи и может быть неодинаково у различных партий даже одного вида сажи.
Удаление летучих примесей осуществляют путем прокаливания сажи при высокой температуре. При этом у саж с большим содержанием летучих примесей сопротивление изменяется значительно, а у саж с малым содержанием почти не изменяется.
Термообработка проводится обычно при температуре 1100— 1600° К в течение нескольких часов. При температурах выше 700° К разлагаются и улетучиваются поверхностные примеси, в основном кислородные группы. При температуре 1100°К начинается резкое
Рис. 4.1. Изменение сопротивления (а) и ТКр диффузионной газовой сажи при прокаливании в течение 3 ч (5):/ — в свободном состоянии; 2 — при давлении 10е hIm1Рис. 4.1. Изменение сопротивления (а) и ТКр диффузионной газовой сажи при прокаливании в течение 3 ч (5):/ — в свободном состоянии; 2 — при давлении 10е hIm18)8)
Рис. 4.1. Изменение сопротивления (а) и ТКр диффузионной газовой сажи при прокаливании в течение 3 ч (5):
/ — в свободном состоянии; 2 — при давлении 10е hIm1
Рис. 4.1. Изменение сопротивления (а) и ТКр диффузионной газовой сажи при прокаливании в течение 3 ч (5):
/ — в свободном состоянии; 2 — при давлении 10е hIm1
8)
8)
выделение водорода, которое полностью заканчивается при 1500— 1600°К.
При получении высокоомных композиций, когда требуется сохранить высокое удельное сопротивление сажи, удаление летучих примесей не производят.
Изменяя режим прокаливания, можно получить необходимую величину удельного сопротивления сажи (рис. 4.1).
Температурный коэффициент сопротивления сажи получают больше при меньшей температуре прокаливания (рис. 4.1); поэтому сажи, прокаленные при температурах порядка 1000—1100° К,имеют повышенный ТКр.
При изготовлении низкоомных композиций или прокаливают сажу при температуре свыше 500° К, что способствует почти полному удалению летучих примесей и значительному снижению удельного сопротивления, или используют сажи с малым содержанием летучих примесей (ацетиленовую взрывную или турбулентные) без предварительного прокаливания. Невысокая дисперсность этих саж не играет существенной роли, поскольку градиенты напряжения в низ-j коомных композициях незначительны.я
Прокаливание сажи ведется при ограничении доступа воздуха плотно закупоренных огнеупорных тиглях.Я
Для улучшения диспергирования сажи в связующих компонентах ее обрабатывают различными способами: окисляют в кислотах, прокаливают при 600—700° К или подвергают помолу в вибрационных мельницах. Это способствует уменьшению структурообразова- яия и улучшению смачивания сажи органическими связующими. Однако с окислением сажи увеличивается ее водопоглощение, поскольку кислородные соединения являются весьма активными центрами, что сказывается на влагостойкости композиционного материала. Поэтому при получении высокоомных композиций производят обработку сажи парафенилендиамин-красителем, называемым урзо- лом, в водном растворе с последующей сушкой.
При этом проводимость сажи уменьшается в 3—5 раз, ТКр и водопоглощение сажи не изменяются, несколько ухудшается термическая стабильность в связи с уменьшением прочности вторичной структуры. Растворы, используемые для обработки сажи, имеют концентрацию урзола не более 1,5—2%.
Обработанная урзолом сажа, как правило, не используется с неорганическими связующими -компонентами, так как обычно температура их спекания больше температуры разложения урзола.
СВЯЗУЮЩИЕ КОМПОНЕНТЫ
Связующие компоненты композиции, скрепляя и фиксируя структуру проводящего компонента, обеспечивают постоянство свойств композиции (в том числе проводимости) при воздействии влаги и температуры.
Связующий компонент обусловливает диспергирование проводящего компонента, образование проводящих цепочек, давление в композиции при ее формировании, а также толщину диэлектрических прослоек между проводящими кристаллами. Все это определяет предельную величину сопротивления, коэффициент напряжения и уровень собственных шумов композиции.
В качестве связующих компонентов в композициях применяют, как уже указывалось, органические и неорганические материалы. Основными связующими органическими материалами являются синтетические смолы, получаемые путем конденсации некоторых непредельных углеводородов, для объемных композиций — в виде порошков, а для пленочных — в виде лаков.
Особенно широко распространены термореактивные смолы: фенольные, алкидные и силиконовые. Фенольные смолы представляют собой продукты конденсации фенола CsHsOH с формальдегидом Н2СО. При производстве пленочных проводящих элементов используют жирные лаки на основе алкидных смол, модифицированных тунговым или льняным маслом для получения хорошей эластичности.
Термореактивные смолы в исходном состоянии представляют собой полимеры с низкой степенью конденсации и небольшим моле-
кулярным весом, легкоплавкие и растворимые, хорошо смешивающиеся с графитом и сажей (стадия А).
После термической обработки термореактивные смолы загустевают и переходят в неплавкое состояние (стадия В), сохраняя час- стично растворимость. При дальнейшей термообработке происходит полимеризация, сопровождающаяся переходом смолы в твердое состояние и потерей растворимости. В этом состоянии смола пред- -ставляет собой пространственный полимер с большим молекулярным весом, обладает хорошими изоляционными свойствами, влагостойкостью и химической стойкостью (стадия С).
В процессе полимеризации смолы происходит увеличение проводимости композиционного материала. Конечное значение проводимости зависит от вида смолы и режима полимеризации, а также от исходного состояния смолы, т. е. степени ее конденсации. Обычно при переходе в стадию С увеличение проводимости тем больше, чем J меньше исходная степень конденсации, что, вероятно, связано с| большей усадкой слабо конденсированных смол, создающей сжатия 1 при отверждении, и с меньшей вязкостью, способствующей структу- ; рообразованию сажи.5
Для термореактивных смол, используемых в качестве связующих л компонентов в композициях, различают две характеристики, оцени- 1 вающие их поведение при нагреве:J
термостойкость, определяющую предельную температуру, до- ] пускаемую длительно без разрушения полимера и нарушения его 1 прочности;
термостабильность, определяющую температуру, длительное ? воздействие которой не ведет к значительному изменению проводи- Ч мости полимера.5
Прямой связи между этими характеристиками не существует, ) поскольку часто более термостойкие смолы с высокой температурой 1 разрушения (деструкции) оказываются менее стабильными.J
В технологии производства резисторов применяют полиэфирные | смолы — продукты поликонденсации различных спиртов и кислот 3 (или их ангидридов). Используются они ограниченно вследствие 4 плохой смачиваемости ими проводящих компонентов, однако их j использование в сочетании с фенольными смолами позволяет полу- 1 чить композиции с повышенной термостойкостью.]
Композиции, выполняемые на основе органических связующих ) материалов, обладают заметным водопоглощением, изменяют свои j характеристики при повышенной влажности, их предельная рабочая 1 температура обычно не превышает 420° К. .■
Несколько лет назад композиции с неорганическим связующимЯ компонентом имели весьма ограниченное применение. Они исполь-Я зовались главным образом для создания нагревательных элементов,Я где основным требованием является высокая термостойкость. Я
Различные способы получения композиций с неорганическим свя-Я зующим компонентом были разработаны советскими учеными. 1
Так, композиции, предложенные Н. П. Богородицким и 1 И. Д. Фридбергом, выполняют из сажи, глины^ полевого шпата и з
глинозема путем помола в шаровой мельнице. Полученную композицию протягивают через мундштук и после сушки подвергают об-' жигу в восстановительной среде.
Оригинален способ получения композиций с неорганическим связующим компонентом, предложенный В. И. Пружининой-Гранов- ской. Элементы выполняются на основе неорганической фарфоровой массы с грубодисперсной структурой и углеродистыми проводящими участками. Фарфоровая масса продавливается через мундштук, и нарезается в виде стержней необходимого размера. Далее материал проходит окислительный обжиг, способствующий образованию пористой структуры, и пропитывается в водном растворе декстрина. При спекании керамики в азотной среде декстрин разлагается, образуя проводящие цепочки по всему объему.
В композиционных резисторах с повышенной теплостойкостью и влагостойкостью в качестве связующего компонента используют борносвинцовые стекла (стеклоэмали).
НАПОЛНИТЕЛИ
Наполнители в виде неорганических материалов улучшают свойства композиций: повышают термостойкость и влагостойкость, теплопроводность и механическую прочность, обеспечивают постоянство механических свойств, в частности, коэффициента теплового расширения (независимо от концентрации проводника), повышают стойкость композиции к истиранию (что очень важно для переменных резисторов).
В качестве наполнителей обычно применяют корундовые микропорошки КВ, КВК, К-1 и др., двуокись титана, двуокись циркония, сернокислый барий, тальк, слюдяную и фарфоровую муку, кварцевый песок и т. п.
Применение волокнистых материалов (асбеста, стекловолокна и т. п.) также повышает прочность композиций, однако затрудняет образование проводящих цепочек в композиции. Объемная концентрация наполнителей составляет обычно 30—35% в пленочных композициях и 50—60% в объемных композициях.
§ 4.3. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИЙ
ЛАКОПЛЕНОЧНЫЕ КОМПОЗИЦИИ
Лакопленочные композиции являются основным видом композиций, используемых в производстве переменных резисторов. Свойства лакопленочной композиции зависят от технологии ее получения, режима смешивания и помола компонентов, вязкости суспензий, способа нанесения пленки на изоляционное основание.
Ацетиленовую сажу, используемую для приготовления лакопленочных композиций, предварительно высушивают в термостате в
течение 3—4 ч при температуре 390—400° К, после чего измеряют удельное сопротивление и оценивают степень ее дисперсности.
Для получения низкоомных композиций сажу, графит и связующий материал смешивают в определенном процентном соотношении, добавляют растворитель и подвергают помолу и перемешиванию на шаровых мельницах в стальных или керамических барабанах.
При использовании грубодисперсных наполнителей, препятствующих тонкому помолу проводящих компонентов, последние предварительно размалываются в хорошо смачивающем их растворителе. Предварительный помол сажи, например, производят в таких рас-
Рис. 4.2. Зависимость сопротивления (/), уровня собственных шумов (2) и коэффициента напряжения (3) лакосажевых пленок от времени помола , Тд ИСХОДНОЙ композицииРис. 4.2. Зависимость сопротивления (/), уровня собственных шумов (2) и коэффициента напряжения (3) лакосажевых пленок от времени помола , Тд ИСХОДНОЙ композицииРис. 4.3. Зависимость проводимости пленок, выполненных из композиций, при длительности помола 120 ч (/) и 490 ч (2) от времени хранения тхРис. 4.3. Зависимость проводимости пленок, выполненных из композиций, при длительности помола 120 ч (/) и 490 ч (2) от времени хранения тх
Рис. 4.2. Зависимость сопротивления (/), уровня собственных шумов (2) и коэффициента напряжения (3) лакосажевых пленок от времени помола , Тд ИСХОДНОЙ композиции
Рис. 4.2. Зависимость сопротивления (/), уровня собственных шумов (2) и коэффициента напряжения (3) лакосажевых пленок от времени помола , Тд ИСХОДНОЙ композиции
Рис. 4.3. Зависимость проводимости пленок, выполненных из композиций, при длительности помола 120 ч (/) и 490 ч (2) от времени хранения тх
Рис. 4.3. Зависимость проводимости пленок, выполненных из композиций, при длительности помола 120 ч (/) и 490 ч (2) от времени хранения тх
творителях, как толуол, ксилол в смеси со спиртом или ацетоном в зависимости от типа связующего компонента.
С целью улучшения диспергирования сажи в связующем компоненте при предварительном помоле вводят хорошо смачивающий сажу лак в количестве 3—5% от основного связующего.
После предварительного помола проводящих компонентов в барабан загружают смолу с растворителем или готовый лаковый раствор. Если необходимо уменьшить хрупкость пленок, добавляют также отвердители или пластификаторы. После этого помол продолжается 50—100 ч. Длительность помола при использовании вибрационных мельниц можно сократить в несколько раз.
Сопротивление пленок, которые выполнены из композиций, полученных при увеличенном времени помола, изменяется по U-обра'з- ной кривой (рис. 4.2). В начале помола происходит дегазация сажи и увеличение числа ее рабочих частиц, что облегчает структурооб- разование. В конце помола, соответствующего минимальной величине сопротивления, уровень собственных шумов и коэффициент напряжения снижаются до стабильных значений.
Чрезмерно длительный помол приводит к разрушению цепной структуры композиции, что сопровождается уменьшением ее прово-
цпмости. После помола разрушенная структура стремится к восстановлению, поэтому композиции, подвергнутые помолу, нестабильны
з течение некоторого времени после помола; их проводимость увеличивается (рис. 4. 3).
Для получения композиций с соответствующими свойствами необходимо строгое соблюдение условий помола, количества и объема загружаемых компонентов, скорости вращения барабанов и т. п.
В процессе помола происходит образование гомогенной композиции в результате диспергирования в объеме исходных компонентов.
При получении высокоомных композиций предварительно осуще
Рис. 4.4. Кривая смешивания композиций для резисторов СП (пунктиром показаны границы допустимых отклонений:Пк— процент высокоомной композицииРис. 4.4. Кривая смешивания композиций для резисторов СП (пунктиром показаны границы допустимых отклонений:Пк— процент высокоомной композицииствляют помол наполнителя с растворителем, затем добавляют проводящие компоненты (сажу, графит), связующий компонент и помол продолжается.
Рис. 4.4. Кривая смешивания композиций для резисторов СП (пунктиром показаны границы допустимых отклонений:
Пк— процент высокоомной композиции
Рис. 4.4. Кривая смешивания композиций для резисторов СП (пунктиром показаны границы допустимых отклонений:
Пк— процент высокоомной композиции
Для получения высокоомных резистров обычно применяют композиции с малым содержанием сажи, что приводит к неоднородности композиции, нарушению линейности вольтамперной характеристики и к ухудшению ее электрических характеристик, или используют сажи с большим содержанием летучих примесей, что вызывает увеличение ТКр.
Уменьшение проводимости
композиции и одновременное сохранение малого значения ТКр достигают путем обработки сажи раствором стойкого поверхностно-активного вещества, например нигрозином или урзолом.
В технологии производства высокоомных композиций важную роль играет выбор связующих материалов (смол). Так, композиции на основе фенольных смол имеют сравнительно низкие термостойкость и влагостойкость. При использовании же эфирных смол, как уже отмечалось, не удается получить стабильных высокоомных ком
позиций.
Стабильные и термостойкие композиции получают следующим образом. Предварительно проводящий компонент смешивают с фенольной смолой, что повышает стабильность электрических характеристик композиций. Затем в качестве связующего компонента вводят эфирную смолу, большое содержание которой обеспечивает композиции высокую термостойкость и влагостойкость.
Для получения проводящих элементов со средней величиной со- кротивления выполняют композиции, представляющие собой сме- си низкоомных и высокоомных композиций. Причем необходимое количество высокоомной композиции определяют по кривой смешивания (рис. 4.4).
Перед составлением производных композиций исходные композиции тщательно перемешивают.
Производная композиция обладает определенной вязкостью в зависимости от содержания в ней растворителя, что можно корректировать путем добавления растворителя или его испарения. Вязкость суспензии определяют с помощью стандартного вискозиметра ВЗ-4.
Термической обработке композиции обычно предшествует сушка при нормальных климатических условиях, от продолжительности которой зависят результаты термической обработки. При длительной сушке или хранении до термической обработки происходит медленная полимеризация связующей основы, что приводит к повышению сопротивления композиции после термообработки.
Свойства проводящей пленки определяются режимом термической обработки: величиной температуры, при которой производится полимеризация, скоростью повышения и понижения температуры. Если процесс полимеризации пленки не завершен, то это может вызвать значительное изменение ее сопротивления при эксплуатации.
Чрезмерная длительность термообработки приводит обычно к потере эластичности пленки, вследствие чего происходит образование трещин, изменение ее сопротивления и понижение влагостойкости.
Чтобы режим полимеризации протекал нормально, необходимо постоянно удалять выделяющиеся продукты конденсации и обеспечить непрерывный приток воздуха. Наличие температурных градиентов в сушильных агрегатах вызывает значительный разброс сопротивлений, поэтому заготовки размещают на вращающемся барабане внутри сушильной камеры.
Широкое распространение получила термообработка инфракрасным светом в специальных туннельных печах, что обеспечивает малый разброс сопротивлений, так как все пленочные элементы подвергаются термообработке в идентичных условиях.
Электрические свойства композиций, используемых при производстве резисторов, обычно близки к свойствам проводящих компонентов, поскольку проводимость связующих компонентов и наполнителя значительно меньше проводимости проводящих компонентов, частицы которых образуют непрерывные проводящие цепочки.
Возникновение непрерывных проводящих цепочек происходит при некоторой критической концентрации проводящего компонента в композиции. В этом случае возникает заметная проводимость, которая далее возрастает с увеличением концентрации проводящего компонента (рис. 4.5). Вводимый в композицию наполнитель замещает часть объема связующего компонента, способствуя образованию проводящих цепочек.
На рис. 4.6 показана эквивалентная схема композиционного про- ’ водящего элемента.
Общее сопротивление композиции рассматривается, как совокупность сопротивлений непрерывных цепочек проводящих частиц и цепочек проводящих частиц с прослойками между ними. Разделенные прослойками проводящие частицы образуют также внутреннюю емкость композиции. При расчете сопротивления проводящий компо-
для идеализированных структур-для идеализированных структур-нент рассматривается как совокупность сопротивлений контактов между проводящими частицами; действительное расположение проводящих частиц в композиции практически не поддается учету, по
для идеализированных структур-
для идеализированных структур-
этому обычно расчет проводится пых схем (рис. 4,7).
Рис, 4.5. Зависимости проводимости композиции от концентрации проводящего компонента:/ — термическая сажа; 2 — диффузионная газовая сажа; 3— то же с наполнителемРис, 4.5. Зависимости проводимости композиции от концентрации проводящего компонента:/ — термическая сажа; 2 — диффузионная газовая сажа; 3— то же с наполнителемРис. ' 4.6. Эквивалентная схема композиционного проводника:Гп — сопротивление проводящих частиц; гк—сопротивление контактов между частицами; г — сопротивление прослоек между частицами; Rc— сопротивление связки; С — емкости прослоекРис. ' 4.6. Эквивалентная схема композиционного проводника:Гп — сопротивление проводящих частиц; гк—сопротивление контактов между частицами; г — сопротивление прослоек между частицами; Rc— сопротивление связки; С — емкости прослоек
Рис, 4.5. Зависимости проводимости композиции от концентрации проводящего компонента:
/ — термическая сажа; 2 — диффузионная газовая сажа; 3— то же с наполнителем
Рис, 4.5. Зависимости проводимости композиции от концентрации проводящего компонента:
/ — термическая сажа; 2 — диффузионная газовая сажа; 3— то же с наполнителем
Рис. ' 4.6. Эквивалентная схема композиционного проводника:
Гп — сопротивление проводящих частиц; гк—сопротивление контактов между частицами; г — сопротивление прослоек между частицами; Rc— сопротивление связки; С — емкости прослоек
Рис. ' 4.6. Эквивалентная схема композиционного проводника:
Гп — сопротивление проводящих частиц; гк—сопротивление контактов между частицами; г — сопротивление прослоек между частицами; Rc— сопротивление связки; С — емкости прослоек
Сопротивление контакта при сферической форме частиц
ЯкЯк(4.2)(4.2)
Як
Як
(4.2)
(4.2)
где р — удельное сопротивление проводящего компонента; г — радиус частиц проводящего компонента; рк — давление на контакт; Е—модуль упругости; %—коэффициент.
Выразим давление на контакт рк через давление в композиции Р
Р^=Р~ •
(4.3)(4.3)В этом случае
(4.3)
(4.3)
= X — •
D \ Р )
Удельное сопротивление однородной плотно упакованной системы, имеющей в 1 м2 сечения п2 проводящих цепочек по п частиц,
(4.4)(4.4)Р=^Д = /?КО.„2
(4.4)
(4.4)
При неплотной упаковке частиц и при условии, что все они включены в проводящие цепочки, и относительной объемной плот-
ности в пределах 5—25% удельное сопротивление системы
р=х/рр=х/рр /’р /’С4.5)С4.5)
р=х/р
р=х/р
р /’
р /’
С4.5)
С4.5)
г)г)
г)
г)
где 77 —объемная концентрация проводящего компонента.
Проводимость проводящей пленки (композиции) определяется ее структурой, количеством непрерывных проводящих цепочек, приходящихся на единицу сечения пленки.
оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо оооооо
Рис. 4.7. Идеализированные схемы проводящих структуркомпозиций:
а — плотноупаковаииая; б, в — цепная; г — осровковая
При достаточно большой объемной концентрации сажи П в композиции ее проводимость почти не зависит от типа сажи (см. рис. 4.6), а при уменьшении П проводимость пленки убывает в соответствии с уравнением
а = АП"\ (4.6) где А, т— постоянные, зависящие от типа сажи.
Уменьшение проводимости при снижении объемной концентрации сажи П у наиболее дисперсных саж происходит сравнительно медленно. Это свидетельствует о том, что в образовании проводящих цепочек в пленке участвует небольшой процент частиц сажи, а большая часть сажи оказывается изолированной в виде отдельных Частиц и их комплексов.
При уменьшении объемной концентрации сажи в значительной степени могут изменяться ее структурные свойства, величина т при этом резко возрастает. Начиная с некоторого значения объемной концентрации сажи 77, происходит ухудшение электрических характеристик композиции вследствие уменьшения числа проводящих цепочек.
Температурный коэффициент сопротивления проводящего элемента определяется температурным коэффициентом проводящего компонента (ТКр) и деформацией контактных поверхностей между частицами проводящего элемента вследствие изменения давления при изменении температуры (ТКр)
ТКС = ТКр + ТКр. (4.7)
Величина ТКр композиции при большом давлении незначительна и ТКС определяется в основном величиной ТКр.
ТКС^ТКр. (4.8)
Изменяя удельное сопротивление проводящего компонента и давление в объемных композициях, можно получать значение ТКС, близкое к нулю. Температурный коэффициент сопротивления композиции в значительной мере зависит от соотношения температурных коэффициентов линейного расширения изолирующего и проводящего компонентов.
ТКС композиции становится отрицательным в том случае, если температурный коэффициент линейного расширения проводящих частиц больше температурного коэффициента линейного расширения изолирующих компонентов. Тогда при увеличении температуры происходит образование дополнительных цепочек проводимости и увеличение площади контакта между частицами, образующими эти цепочки. Близкий к нулю или небольшой положительный ТКС композиционного элемента может быть получен, когда ТКр проводящих частиц имеет отрицательное значение, а температурный коэффициент линейного расширения частиц изолирующих компонентов больше температурного коэффициента линейного расширения проводящего компонента.
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ
И МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИИ
В технологии производства композиционных резисторов в настоящее время распространены металлокерамические и металлополи- мерные композиции, в которых проводящим компонентом являются металлические порошки и их смеси. Такие материалы, представляющие собой керамическую, стеклянную или полимерную основу, в- которой равномерно распределены частицы металла, отличаются от композиционных материалов на органической основе повышенной термостойкостью, влагостойкостью и стабильностью.
В качестве проводящих компонентов обычно используют палладий, золото, платину, родий, перспективны также двуокись олова, окись кадмия, силициды металлов и др.
Проводимость таких композиционных материалов определяется содержанием проводящих компонентов. На рис. 4.8 приведены зависимости сопротивления квадрата пленок на основе стекла при
различном содержании проводящих «компонентов (палладия, серебра, золота и смеси палладий — серебро).
Эти зависимости показывают, что сопротивление композиции изменяется весьма резко даже при незначительном изменении содержания таких компонентов, как серебро и золото, и более плавно при изменении содержания палладия. Сочетание палладия и серебра позволяет варьировать сопротивление материала «в широком диапазоне значений.
Изменяя состав проводящих компонентов, можно одновременно изменять и другие свойства композиции, в частности ее ТКр.
Рис. 4.8. Зависимости сопротивления стекла RKb при различном содержании проводящих компонентовРис. 4.8. Зависимости сопротивления стекла RKb при различном содержании проводящих компонентовПо абсолютному значению ТКр металлокерамических и метал- лополимерных композиционных-материалов весьма мал. Так, например, ТКр композиции, в которой в качестве проводящих компонентов используются серебро и палладий в соотношении 56 : 44, составляет 2-105 град1. При соответствующем подборе материалов можно получить композиции с ТКр= (2—20) • 10-8 град-1.
Рис. 4.8. Зависимости сопротивления стекла RKb при различном содержании проводящих компонентов
Рис. 4.8. Зависимости сопротивления стекла RKb при различном содержании проводящих компонентов
Композиции стекла с палла-
днем и серебром, «используемыми в качестве основных проводящих компонентов, называют «керметными», или металлоглазуриевы- ми композициями.
цовое стекло с добавкой SiO2 молу (до размера частиц 3—5цовое стекло с добавкой SiO2 молу (до размера частиц 3—5Технология получения метал- логлазуриевой композиции сводится к следующему. Борносвин- по'сле сплавления подвергается по- л/гл/). Полученный порошок смеши
цовое стекло с добавкой SiO2 молу (до размера частиц 3—5
цовое стекло с добавкой SiO2 молу (до размера частиц 3—5
вается с порошком серебра и палладия (размер частиц 0,1— 0,5 мкм^ и органическим -растворителем. Из полученной пасты на
керамические основания наносят пленки толщиной 20—25 мкм, которые далее подвергают термообработке при температуре около 1100° К- Проводящий компонент составляет от 8 до 30% объема композиции.
Основным проводящим компонентом керметных композиций является окись палладия, образующаяся в процессе спекания и обладающая электропроводностью p-типа. В связи с различными размерами частиц стекла и металла происходит структурообразование металлических кристаллов в промежутках между частицами стекла. Наличие «в керметной пленке электропроводности п- и p-типа, а также различие температурных коэффициентов линейного расширения^ обусловливают сложный характер зависимости сопротивления отЯ температуры.Я
Проводящие пленки в виде металлоглазуриевых композиций обЯ ладают высокой термостойкостью, влагостойкостью, износоустойчи-Я востью и стабильностью характеристик.Я
Свойства композиционного материала в значительной мере определяются выбором связующего компонента — керамического или полимерного материала.
Проводящие -пленки получают пульверизацией композиционного материала, приготовленного в виде суспензии путем смешивания с органической жидкостью, на изоляционные основания или погружением оснований в композиционный раствор. В большинстве случаев при создании проводящих пленок на плоских изоляционных основаниях используют метод нанесения проводящего слоя через шелковое сито (метод шелкографии).
Из различных составов композиций после отжига на воздухе в течение 1 ч при 1020—1100° К можно получать проводящие пленки толщиной 10—25 мкм с сопротивлением квадрата пленки 102— 104 ом.
Проводящие композиционные пленки, полученные методом шелкографии, обладают высококачественной поверхностью, механически прочны; поэтому они перспективны для использования в переменных резисторах.
КОМПОЗИЦИИ НА ОСНОВЕПРОВОДЯЩИХ ПЛАСТМАСС
Проводящие пластмассы в основном используют в виде объемных проводящих элементов постоянных и переменных резисторов.
В качестве связующего компонента при этом обычно применяют термореактивные смолы фенольного типа, которые хорошо смачивают проводящие компоненты (сажу и графит), быстро отверждаются и дают небольшую усадку при прессовании. В ряде случаев с целью улучшения термостабильности и износоустойчивости в связующий компонент добавляют небольшое количество термопластичных смол. Наибольшая механическая прочность композиции обеспечивается при объемном содержании смол в 40—50%.
В состав композиционного материала входит также наполнитель, небольшое количество отвердителя и смазывающих веществ (стеарата кальция или стеарина), уменьшающих прилипание изделий к пресс-формам при горячем прессовании.
Проводимость пластмасс, так же как и других композиционных материалов, определяется содержанием проводящих компонентов и в незначительных пределах может быть скорректирована путем изменения температуры прессования.
Различную проводимость рабочих пресс-порошков получают при использовании нескольких исходных пресс-порошков с различным процентным содержанием непроводящих компонентов. Выбранные составы пресс-порошков многократно корректируются, поскольку юстировка объемных элементов весьма затруднительна.
Характеристики композиций определяются как их составом, так и способом получения пресс-порошков.
Прямое смешивание компонентов не приводит к высокому качеству композиции, поскольку при этом не обеспечивается удовлетворительное диспергирование и полная пропитка смолой проводящих компонентов при горячем прессовании.
Возникающие в композиционном материале поры снижают его влагостойкость, термостабильность и механическую прочность. В связи с этим при прямом смешивании смесь целесообразно подогревать до температуры плавления смолы. Смешивание производится в специальных смесителях или на нагретых вальцах. При этом процесс смешивания идет более интенсивно и улучшается диспергирование проводящего компонента в композиции; одновременно происходит конденсация связующей смолы — переход в стадию В, после которого смешивание прекращается. Полученная масса дробится до порошкообразного состояния.
Пресс-порошки можно получать так называемым лаковым способом. Процесс приготовления пресс-порошка начинают с создания проводящего и непроводящего компонентов. Далее непроводящий компонент выпаривается и подвергается помолу. Полученный порошок смешивается с проводящим компонентом; смесь снова выпаривается и подвергается помолу.
Лаковый способ приготовления пресс-порошков довольно продолжителен и трудоемок в связи с необходимостью длительного по- -мола компонентов и выпаривания растворителей.
Более удобным является сухой способ смешивания компонентов на горячих вальцах. Предварительное вальцевание смолы с наполнителем способствует пропитке последнего смолой. Далее в размягченную массу добавляют проводящие компоненты и вальцевание продолжается до получения однородной смеси с заданной степенью текучести. После отверждения смесь измельчается и вакуумируется для удаления летучих примесей.
Полученные сухим и лаковым способами пресс-порошки состоят из частиц наполнителя, покрытых слоем проводящего компонента, проводимость которого легко поддается регулированию. При прессовании проводящие оболочки частиц сплавляются, образуя структуру, аналогичную структуре пленочной композиции с наполнителем.
Формование объемного проводящего элемента, как правило, начинается с холодного прессования (таблетирования) строго дозированных объемов порошка на специальных автоматах. Когда необходимы изделия цилиндрической формы, то предварительное ■формование осуществляют протяжкой через мундштучный пресс. Холодное формование проводят обычно при давлении (3,5—4) X X 10s hIm2, горячее — при (1—2) • 10s н]м?.
Предварительное таблетирование облегчает и ускоряет загрузку горячих пресс-форм, позволяет более точно соблюдать дозировку порошка, что соответственно улучшает результаты прессования. Горячее прессование проводят при температурах 420—450° К. Длительность прессования устанавливается примерно 1 мин на 1 мм. толщины изделия. ;
Когда композиционный элемент имеет защитную оболочку, то последняя подвергается одновременно с ним прессованию. После прессования для стабилизации свойств композиционный элемент подвергают термической или электрической тренировке.
По электрическим характеристикам объемные композиционные элементы равноценны лакопленочным. В связи с трудностями получения заданного сопротивления объемные композиционные элементы на органической основе не получили широкого распространения.
В технологии производства резисторов в последние годы нашли применение металлопластмассовые композиции, проводящими компонентами которых являются металлы, стойкие к различным внешним воздействиям.
Среди существующих методов получения металлопластмассовых композиций наиболее распространенными являются пять:
мелкодисперсные порошки металлов в заданных соотношениях смешивают с полимерным материалом, а полученную композицию заливают в формы, где производится ее отверждение;
частицы полимера покрывают слоем металла и полученный порошок прессуют при нагреве. Нанесение металла на частицы полимера осуществляют катодным распылением, термическим испарением, термическим и химическим 'восстановлением, электрическим методом;
из порошков полимера и металла приготавливают механическую смесь, которую прессуют при одновременном нагревании;
растворы полимера и органической соли выбранного металла смешивают. После осаждения из раствора исходных компонентов смесь подвергают термообработке в вакууме, при которой происходит восстановление соли с выделением чистого металла;
проводящие металлические частицы размельчают в шаровой мельнице в присутствии различных мономеров. В результате этого происходит покрытие полимером поверхности частиц. Этим достигается равномерное распределение проводящих частиц в среде полимера.
Полученные металлопластмассовые смеси запрессовывают в изоляционные основания, в которых предварительно укреплены выводы.
§ 4.4. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТОВТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПРОВОДЯЩЕГО ЭЛЕМЕНТАС ЮСТИРОВОЧНОЙ ПРОРЕЗЬЮ
Конструктивно проводящие элементы постоянных композиционных резисторов аналогичны проводящим элементам углеродистых, металлопленочных и металлоокисных резисторов. Однако для по-
лучения заданного сопротивления с малым допускаемым отклонением от номинального значения на проводящем элементе композиционного резистора обычно создают изолирующие прорези. Расчет сопротивления таких конструкций сводится к решению уравнения Лапласа, к расчету электрического поля в проводящем элементе.
Электрическое поле в проводящем элементе с юстировочной прорезью неравномерно. Поэтому, чтобы рассчитать сопротивление, целесообразно отобразить проводящий элемент на каноническую область, сопротивление которой определить легко.
Рис. 4.9. Конформное отображение прямоугольного проводящего элемента с нарезкой на прямоугольник:/ — проводящий элемент; 2 — омические контактыРис. 4.9. Конформное отображение прямоугольного проводящего элемента с нарезкой на прямоугольник:/ — проводящий элемент; 2 — омические контакты
Рис. 4.9. Конформное отображение прямоугольного проводящего элемента с нарезкой на прямоугольник:
/ — проводящий элемент; 2 — омические контакты
Рис. 4.9. Конформное отображение прямоугольного проводящего элемента с нарезкой на прямоугольник:
/ — проводящий элемент; 2 — омические контакты
Конформно отобразим прямоугольный проводящий элемент с юстировочной прорезью на прямоугольник (рис. 4.9) с помощью функций
гдегдеZsКоg / Z « £0= 5П2/ , к.ZsКоg / Z « £0= 5П2/ , к.к2=кх #isn2/—к2=кх #isn2/—dz^dz^^)(1-^)1 + СП2 / , k\ I\ ^<1^)(1-^)1 + СП2 / , k\ I\ ^<1^Лф-спО-— , ^1^Лф-спО-— , ^1"1-1/2."1-1/2.(4.9)(4.9)
где
где
Zs
Ко
g / Z « £0= 5П2/ , к.
Zs
Ко
g / Z « £0= 5П2/ , к.
к2=кх #isn2/—
к2=кх #isn2/—
dz^
dz^
^)(1-^)
1 + СП2 / , k\ I\ ^<1
^)(1-^)
1 + СП2 / , k\ I\ ^<1
^Лф-спО-— , ^1
^Лф-спО-— , ^1
"1-1/2.
"1-1/2.
(4.9)
(4.9)
t— длина юстировочной прорези; sn, сп — эллиптические функции Якоби; к\, kx—модули эллиптических функций, зависящие от соотношения ширины К/ и длины 2К1 исходного проводящего элемента.
Модули эллиптических функций связаны между собой соотношением
^=(1-^2.
Сопротивление резистора определяется следующим выражением:
^ = ^кз ,(4.10)
о' /^Ij^T^j
где 2Д1 и Кг —длина и ширина преобразованного прямоугольника.
Зависимости относительного изменения сопротивления резисторов R^Ro от величины юстировочной прорези t/KV приведены на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Зависимости относительных сопротивлений пленочных резисторов от величины прорези:/ — для квадратного проводящего элемента при A^Ki — l; 2 и 3 — для прямоугольных проводящих • элементов приK^/2Ki = l/2 и 1/5 соответственноРис. 4.10. Зависимости относительных сопротивлений пленочных резисторов от величины прорези:/ — для квадратного проводящего элемента при A^Ki — l; 2 и 3 — для прямоугольных проводящих • элементов приK^/2Ki = l/2 и 1/5 соответственноРис. 4.11. Прямоугольные композиционные проводящие элементы с прорезями: а — с односторонними; б — с двустороннимиРис. 4.11. Прямоугольные композиционные проводящие элементы с прорезями: а — с односторонними; б — с двусторонними
Рис. 4.10. Зависимости относительных сопротивлений пленочных резисторов от величины прорези:
/ — для квадратного проводящего элемента при A^Ki — l; 2 и 3 — для прямоугольных проводящих • элементов при
K^/2Ki = l/2 и 1/5 соответственно
Рис. 4.10. Зависимости относительных сопротивлений пленочных резисторов от величины прорези:
/ — для квадратного проводящего элемента при A^Ki — l; 2 и 3 — для прямоугольных проводящих • элементов при
K^/2Ki = l/2 и 1/5 соответственно
Рис. 4.11. Прямоугольные композиционные проводящие элементы с прорезями: а — с односторонними; б — с двусторонними
Рис. 4.11. Прямоугольные композиционные проводящие элементы с прорезями: а — с односторонними; б — с двусторонними
Для увеличения сопротивлений плоских проводящих элементов, а также подгонки их до номинальных значений юстировку часто производят, как показано на рис. 4.11.
Установим зависимость между параметрами прорези (шагом, величиной нарезанной части элемента) и сопротивлением резистора. Вначале покажем, что прямоугольник с четырьмя произвольно расположенными на его периметре точками можно конформно отобразить на прямоугольник так, что эти четыре точки окажутся вершинами прямоугольника.
Отобразим прямоугольник (рис. 4.12, а) с четырьмя произвольно расположенными на периметре точками 1—4 на верхнюю полуплоскость 21 с помощью эллиптической функции Якоби
z^sn ^-, k\ , (4.11)
где С — постоянная, определяемая размерами прямоугольника;
к — модуль функции sn, определяемый соотношением сторон прямоугольника.
Точки 1—4 на периметре прямоугольника перейдут в точки действительной оси Xi (рис. 4.12, б).
Для комплексного аргумента z=x+iy получим
Рис. 4.12. Конформные отображения прямоугольника на прямоугольник,переводящие четыре точки, произвольно расположенные на его перимет-ре, в угловые
Для точек, расположенных на периметре прямоугольника (рис. 4.12, а), формула (4.12) упрощается:
z = x при — — <х< —, Xi = snf—
z = -—yty при 0<z/<Z, хг =—
dn к’
где ^'=(1 —А2)0,5; С—-^-; С'=1\
dndnр ) V\С’р ) V\С’
dn
dn
р ) V\С’
р ) V\С’
z= —^A-iy при 0z= —^A-iy при 01dn —, к1dn —, кг=х-^11 при2-^Л'^~2~’г=х-^11 при2-^Л'^~2~’11A sn —-, кA sn —-, кДалее точки 1—4, произвольно расположенные на действительной оси, сделаем симметричными относительно начала координат.Рассмотрим симметризующее преобразование. Чтобы отобразить одну верхнюю полуплоскость на другую верхнюю полуплоскость, необходимо построить функцию, отображающую действительную ось Xi области zx на действительную ось области z2.Если прямую считать окружностью бесконечно большого радиуса, то искомое преобразование должно быть дробно-линейным:Далее точки 1—4, произвольно расположенные на действительной оси, сделаем симметричными относительно начала координат.Рассмотрим симметризующее преобразование. Чтобы отобразить одну верхнюю полуплоскость на другую верхнюю полуплоскость, необходимо построить функцию, отображающую действительную ось Xi области zx на действительную ось области z2.Если прямую считать окружностью бесконечно большого радиуса, то искомое преобразование должно быть дробно-линейным:2 а—xiA-iy2—2 а—xiA-iy2—я (^2 + iyi) 4 Ь с (х2 + 1у2) + 4я (^2 + iyi) 4 Ь с (х2 + 1у2) + 4(ах2 + 6) (сх2 4 d) + асу®(сх2 4 dp 4 с^у^(ах2 + 6) (сх2 4 d) + асу®(сх2 4 dp 4 с^у^(ad — 6с) z/2(сх2 4- 4^ 4- с2^|(ad — 6с) z/2(сх2 4- 4^ 4- с2^|(4.13)(4.13)где коэффициенты a, b, с, d— действительные числа.Используя формулу (4.13), можно установить, что благодаря преобразованию ось Уа = 0 отображается на действительную ось Уз = 0 и верхняя полуплоскость Уз>0— на верхнюю полуплоскость Уа>0 при условии (ad — 6с) >0.Отображение верхней полуплоскости ?/i>0 на верхнюю полуплоскость Уа>0 осуществляется дробно-линейной функцией с действительными коэффициентами, удовлетворяющими условию (ad — —6с) >0,где коэффициенты a, b, с, d— действительные числа.Используя формулу (4.13), можно установить, что благодаря преобразованию ось Уа = 0 отображается на действительную ось Уз = 0 и верхняя полуплоскость Уз>0— на верхнюю полуплоскость Уа>0 при условии (ad — 6с) >0.Отображение верхней полуплоскости ?/i>0 на верхнюю полуплоскость Уа>0 осуществляется дробно-линейной функцией с действительными коэффициентами, удовлетворяющими условию (ad — —6с) >0,— 02,1 + ъ с z2 4- d— 02,1 + ъ с z2 4- d(4.14)(4.14)Найдем преобразование, переводящее четыре точки действительной оси полуплоскости z2 в четыре попарно симметричные точки относительно начала координат полуплоскости z3. Очевидно, что симметризующее преобразование является частным случаем дробно-линейного преобразования (4.14), отображающего полуплоскость на себя. Осуществим преобразование, переводящее точки /—4 полуплоскости z2 в точки —р,— 1, 1, р полуплоскости z3.Введем линейное преобразование, которое симметризует точки 1 и 4 относительно начала координат:Найдем преобразование, переводящее четыре точки действительной оси полуплоскости z2 в четыре попарно симметричные точки относительно начала координат полуплоскости z3. Очевидно, что симметризующее преобразование является частным случаем дробно-линейного преобразования (4.14), отображающего полуплоскость на себя. Осуществим преобразование, переводящее точки /—4 полуплоскости z2 в точки —р,— 1, 1, р полуплоскости z3.Введем линейное преобразование, которое симметризует точки 1 и 4 относительно начала координат:z2=zxz2=zx^11 4'^14^11 4'^1422(4.15)(4.15)
z= —^A-iy при 0
z= —^A-iy при 0
1
dn —, к
1
dn —, к
г=х-^11 при2-^Л'^~2~’
г=х-^11 при2-^Л'^~2~’
1
1
A sn —-, к
A sn —-, к
Далее точки 1—4, произвольно расположенные на действительной оси, сделаем симметричными относительно начала координат.
Рассмотрим симметризующее преобразование. Чтобы отобразить одну верхнюю полуплоскость на другую верхнюю полуплоскость, необходимо построить функцию, отображающую действительную ось Xi области zx на действительную ось области z2.
Если прямую считать окружностью бесконечно большого радиуса, то искомое преобразование должно быть дробно-линейным:
Далее точки 1—4, произвольно расположенные на действительной оси, сделаем симметричными относительно начала координат.
Рассмотрим симметризующее преобразование. Чтобы отобразить одну верхнюю полуплоскость на другую верхнюю полуплоскость, необходимо построить функцию, отображающую действительную ось Xi области zx на действительную ось области z2.
Если прямую считать окружностью бесконечно большого радиуса, то искомое преобразование должно быть дробно-линейным:
2 а—xiA-iy2—
2 а—xiA-iy2—
я (^2 + iyi) 4 Ь с (х2 + 1у2) + 4
я (^2 + iyi) 4 Ь с (х2 + 1у2) + 4
(ах2 + 6) (сх2 4 d) + асу®(сх2 4 dp 4 с^у^
(ах2 + 6) (сх2 4 d) + асу®(сх2 4 dp 4 с^у^
(ad — 6с) z/2(сх2 4- 4^ 4- с2^|
(ad — 6с) z/2(сх2 4- 4^ 4- с2^|
(4.13)
(4.13)
где коэффициенты a, b, с, d— действительные числа.
Используя формулу (4.13), можно установить, что благодаря преобразованию ось Уа = 0 отображается на действительную ось Уз = 0 и верхняя полуплоскость Уз>0— на верхнюю полуплоскость Уа>0 при условии (ad — 6с) >0.
Отображение верхней полуплоскости ?/i>0 на верхнюю полуплоскость Уа>0 осуществляется дробно-линейной функцией с действительными коэффициентами, удовлетворяющими условию (ad — —6с) >0,
где коэффициенты a, b, с, d— действительные числа.
Используя формулу (4.13), можно установить, что благодаря преобразованию ось Уа = 0 отображается на действительную ось Уз = 0 и верхняя полуплоскость Уз>0— на верхнюю полуплоскость Уа>0 при условии (ad — 6с) >0.
Отображение верхней полуплоскости ?/i>0 на верхнюю полуплоскость Уа>0 осуществляется дробно-линейной функцией с действительными коэффициентами, удовлетворяющими условию (ad — —6с) >0,
— 02,1 + ъ с z2 4- d
— 02,1 + ъ с z2 4- d
(4.14)
(4.14)
Найдем преобразование, переводящее четыре точки действительной оси полуплоскости z2 в четыре попарно симметричные точки относительно начала координат полуплоскости z3. Очевидно, что симметризующее преобразование является частным случаем дробно-линейного преобразования (4.14), отображающего полуплоскость на себя. Осуществим преобразование, переводящее точки /—4 полуплоскости z2 в точки —р,— 1, 1, р полуплоскости z3.
Введем линейное преобразование, которое симметризует точки 1 и 4 относительно начала координат:
Найдем преобразование, переводящее четыре точки действительной оси полуплоскости z2 в четыре попарно симметричные точки относительно начала координат полуплоскости z3. Очевидно, что симметризующее преобразование является частным случаем дробно-линейного преобразования (4.14), отображающего полуплоскость на себя. Осуществим преобразование, переводящее точки /—4 полуплоскости z2 в точки —р,— 1, 1, р полуплоскости z3.
Введем линейное преобразование, которое симметризует точки 1 и 4 относительно начала координат:
z2=zx
z2=zx
^11 4'^14
^11 4'^14
2
2
(4.15)
(4.15)
В формуле (4.15) первая цифра индекса у х относится к плоскости, вторая — к номеру точки.
Обозначим координаты точек 1 и 4 х2] и х24 через —а и а соответственно. Тогда
а = Xi 4 —— (хц + хм)=-1- (хп—хм)
при Хц < 0; х14>0.
Искомое отображение описывается дробно-линейной функцией
23=«й±6,4Л6)
с + 1
Для упрощения расчета положим d = 1.
Из соответствия точек 1 и 4 запишем:
—-р( — ас + 1) = — ш-\-Ь\(4.17)
p(ac-4-l) = aa+/>;(4.18)
откуда
Ь=а^с; а~$]а.(4.19)
В результате преобразования дробно-линейная функция примет вид
z ^±^L.(4.20)
a(22+l)
Для полученной функции при любых сир точки 1 и 4 остаются симметричными.
Определим с и р из соответствия точек 2 и 5.
Подставив в формулу (4.20) значение z2=x22 и соответствующее ему z3 =— 1, а также г2 = х2з и соответственно z3= +1, получим уравнения для определения сир:
-a(cx22+l) = ₽(x22 + ca2);(4.21)
а(сх2з+1) = Р(Х2з + са2).(4.22)
Разделив уравнение (4.21) на (4.22), после преобразования получим
с _ — (g2 4* Х22-У23) ± У!12 + ^зг-Тгз)2 —g (-^22+ х2з)223)
«2(^22 + х2з)
Знак у радикала выбираем «плюс», чтобы в случае, когда точки 2 и 3 симметричны, т. е. —х22 = х23, получить с=0, при котором преобразование превращается в линейное преобразование подобия:
г3=-^-г2.(4.24)
В случае симметризации полуплоскости г2 с четырьмя попарно симметричными точками
Z21 = Z24 = a; —Х22 = Х23.
Определив с, с учетом приведенных выражений находим
₽= И»2-х№^- (а2-^)0'5}-1. (4.25)
Таким образом, можно симметризовать четыре произвольно расположенные точки, лежащие на действительной оси (рис. 4.12, б, г).
Далее отобразим верхнюю полуплоскость z3 на прямоугольник z4 с основанием Сие высотой Г (рис. 4.12, г, д) с помощью эллиптического интеграла первого рода:
zt=cA(4.26)
у (1 - *3)2 О - №з)
Точки 2, 3 перейдут в вершины прямоугольника с координатами— U12 и L']2, а точки 1 и 4 соответственно в вершины прямоугольника с координатами ——-\-iV, —-ytl’.
Для расчета сопротивления проводящего элемента с прорезью, показанного на рис. 4,11, а, разобьем его на элементарные прямоугольники с основанием П и отобразим прямоугольник так, чтобы верхние точки прорезей -стали вершинами прямоугольника.
Сопротивление -между ними
R'-R^.
Сопротивление проводящего элемента р р— р р ^П
Ь4 ‘ П кв Ь4 кв 64 *
где N=Lin — число элементарных прямоугольников.
Пример 1. Рассчитаем сопротивление проводящего элемента (рис. 4.11, а) со следующими параметрами: Лкв = 1 ол; £=100 мм; П=5 мм; h=b!2.
Сопротивление проводящего элемента до нарезки
L
Ry — Rkb 7*~ = 20 ом.
b
Отображаем элементарный прямоугольник со сторонами П и b на верхнюю полуплоскость.
Параметры отображающей функции
bb
— = 2; 1пд = — л2— = — 6,283.
П4/7
По таблицам [72] и известному значению
•84 = -^1п4 = -2,729 = 3,271
находим а =10°.
Далее определяем 6 = sin ct=O,174 и
к' = 1^1 —0,1742 = 0,985.
Координата точки 3 в полуплоскости Zj
^13 =^13 =5= 2,5.5= 2,5.
^13 =
^13 =
5= 2,5.
5= 2,5.
В результате преобразования Z3=Zi/X]3 точки 2 и 3 полуплоскости Zj отобразятся в точки —1 и +/ полуплоскости Zs, а точки 1 и 4 перейдут в точки —р и Р:
16^1$16^1$= 2,3;= 2,3;
1
6^1$
1
6^1$
= 2,3;
= 2,3;
1/Р = 0,435; sin (1/р) = 25°48'.
Отобразим полуплоскость z3 на прямоугольник z< с основанием П и выразим отношение сторон этого прямоугольника через 1п д. -
По таблицам [72] находим:
lg q = 2,119 = — 1,881; Inq = —4,35;
64П64ПIn q2лIn q2л= 0,692.= 0,692.
64
П
64
П
In q
2л
In q
2л
= 0,692.
= 0,692.
Сопротивление проводящего элемента
Rn = RKB—r~ = 28,9 ом.
Таким образом, сопротивление проводящего элемента при нарезке увеличилось в 1,45 раза.
Пример 2. Рассчитаем сопротивление проводящего элемента с прорезью, "показанного на рис. 4.11, б. Исходные данные проводящего элемента: L=100 мм; 6 = 5 мм; П = 5 мм; к=Ь[4.
Отобразим элементарный прямоугольник на полуплоскость Z] (рис. 4.12, а, б).
При этом каждая точка со своей координатой отобразится в определенную точку с соответствующей координатой:
/7361
точка / с z^—— +1—в точку с хи = —— =—5; 240,2
точка 2 с г =точка 2 с г =в точку с Х12 = — 1;в точку с Х12 = — 1;
точка 2 с г =
точка 2 с г =
в точку с Х12 = — 1;
в точку с Х12 = — 1;
точка 3 с z = — — +1—в> точку с х13=-— = 1,35; 24/0,74
Симметризуем точки 1 и 4. Соответственно координаты точек в полуплоскости za:
Е —5 + 5,75
— а = ^21 = — 5= —5,375;
а = X2i =5,375;
х22 = — 1 — 0,375 = —1,375;
х2з = 2,5 — 0,375 = 2,125.
Симметризуем точки 2 и 3 путем преобразования (4.20) (рис. 4.12, в, г). Тогда координаты точек 1—4 на полуплоскости z^ будут равны:
I +з! I = I хз4 I = ?! I хза I = I Лзз 1 = 1 •
По формуле (4.25) определяем, что 0=3,23, а 1/0=0,309.
Отобразим полуплоскость г3 на прямоугольник zt (рис. 4.12, <Э).
Для преобразованного прямоугольника (рис. 4.12, 5) эквипотенциали представляют собой прямые линии, перпендикулярные оси х4. Сопротивление между точками / и 3
64
Ria = Rkb™ ’ отсюда
Полное сопротивление проводящего элемента
^п — Rkb , »4^п — Rkb , »4= 24,4 ом.= 24,4 ом.
^п — Rkb , »4
^п — Rkb , »4
= 24,4 ом.
= 24,4 ом.
Следовательно, в данном случае сопротивление увеличивается в 1,22 раза.
В приведенных расчетах принималось, что граничные участки элемента, примыкающие к омическим контактам, в такой же степени обусловливают сопротивление резистора, как и остальные элементарные прямоугольники. Но это допущение целесообразно при большом числе изолирующих полос. В противном случае следует рассмотреть сопротивление участков, примыкающих к контактам.
Как и ранее, отобразим прямоугольник z на верхнюю полуплоскость Z\ с помощью функции
(4.27)
Симметризуем точки 2 и 3 преобразованием:
(4.28)(4.28)г —+ с”2)
(4.28)
(4.28)
«(С^1 + 1) ’
где а=1/&.
Точки / и 4 с координатами х44=—Хц = 1/^ перейдут в точки с координатами х34=—x3i = 0, где
Хц V а2 — X?, + Х,4 V ®2 —
Р =— . 13 12 .(4.29)
а ( К а2—^2 — у а2—\г1 О у
(4.30)(4.30)Верхнюю полуплоскость г3 можно отобразить на прямоугольник с основанием П с помощью функции (рис. 4.12).
(4.30)
(4.30)
L a(C2i + I)
где а, р, с определяется по формулам (4.22); (4.23); (4.25); величину Сз находим из выражения
(4.31)(4.31)(4.32)(4.32)1 — 17
(4.31)
(4.31)
(4.32)
(4.32)
— 2K (1/P) *
где
dede(i-e2)(i-$2A2)(i-e2)(i-$2A2)t
de
de
(i-e2)(i-$2A2)
(i-e2)(i-$2A2)
K^ = F^, k\, F^t, £)=Jо
эллиптический интеграл первого рода.
Сопротивление между контактом и точкой 3 р -р 3!УД
Суммируя сопротивление Ккз с сопротивлениями остальных элементарных прямоугольников, определяем полное сопротивление.
(4.33)(4.33)Метод конформных отображений позволяет рассчитать также сопротивления прямоугольных проводящих элементов с любым расположением двух контактов на периметре -прямоугольника. Для случаев, рассмотренных в примерах, при замене непроводящей границы контактами сопротивление можно рассчитать по формуле
(4.33)
(4.33)
Сопротивление между двумя любыми точками можно найти, определив образы этих точек на преобразованном прямоугольнике.
Отображение, обратное рассмотренному, не отличается от него по форме, так как прямоугольник отображается на прямоугольник с изменением лишь численных значений коэффициентов а, р, с, к, С, К. Путем обратного преобразования можно построить эквипотенциальные линии и линии тока в исходном -прямоугольном элементе, подставляя в него x4 = const, t/4 = const, а величину плотности тока в точке z можно найти, используя свойства комплексного потенциала:
(4.34)(4.34)д dz4 I д dz^ dz3 dz^ dzxdz |z dz3 dz^ dzx dz z
(4.34)
(4.34)
где Л — коэффициент.
РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДЯЩЕГО ЭЛЕМЕНТАПЕРЕМЕННЫХ РЕЗИСТОРОВ
также рассчитать методом конформ- подковообразный (Проводящий эле-также рассчитать методом конформ- подковообразный (Проводящий эле-Рис. 4.13. Конформное отображение подковообразного проводящего элемента на прямоугольникРис. 4.13. Конформное отображение подковообразного проводящего элемента на прямоугольникмент — сектор кольца с углом <рп (в (рис. 4.13) с помощью функциимент — сектор кольца с углом <рп (в (рис. 4.13) с помощью функциирадианах)радианах)нанаполукольцополукольцоСопротивление проводящего элемента подковообразной формы переменных резисторов можно ных отображений. Отобразим
также рассчитать методом конформ- подковообразный (Проводящий эле-
также рассчитать методом конформ- подковообразный (Проводящий эле-
Рис. 4.13. Конформное отображение подковообразного проводящего элемента на прямоугольник
Рис. 4.13. Конформное отображение подковообразного проводящего элемента на прямоугольник
мент — сектор кольца с углом <рп (в (рис. 4.13) с помощью функции
мент — сектор кольца с углом <рп (в (рис. 4.13) с помощью функции
радианах)
радианах)
на
на
полукольцо
полукольцо
(4.35)(4.35)хх = 1пто — —1пуггУпхх = 1пто — —1пуггУп(4.36)(4.36)
(4.35)
(4.35)
хх = 1пто — —1пугг
Уп
хх = 1пто — —1пугг
Уп
(4.36)
(4.36)
ив = z^n. Путем преобразования
отобразим полукольцо на прямоугольник, симметричный относительно полуоси +1у\.
Подставляя выражение (4.35) в (4.36), получим:
zx=— In;
VrX4
— In*arg I z I .
V"V гхггVn
Установим соответствие точек:
точка А:
точка В:точка В:2 = гь г1=^1п(г2/г1)0'5;
точка В:
точка В:
zx =
точка Cv
z = r1eг',’,,; Zj = — — ln(r2/ri)0,54-«;tn
точка D;
Z = f^\ Zt = — ^(Гз/Г])0'5Tn
Сопротивление проводящего элемента с углом фп, соответствующим проводящему участку дуги,
7?п = ^кв(1пг2/г1)-1ф„.(4.38)
Аналогично рассчитывается сопротивление подковообразного проводящего элемента с радиальной прорезью. Для этого достаточно с помощью выражения (4.37) отобразить его на прямоугольник, причем изолирующие прорези будут расположены параллельно контактам.
РАСЧЕТЫ НЕЛИНЕЙНЫХФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
В радио- и телевизионной аппаратуре используют переменные резисторы с нелинейными функциональными характеристиками — логарифмической (типа Б) и, обратно-логарифмической (типа В) (рис. 1.28).
Рис. 4.14. К расчету функциональной характеристики проводящего элемента: а — функциональная характеристика резистора; б — исходный проводящий элемент; в — преобразованный проводящий элемент
Основной принцип получения таких резисторов заключается в том, что на изоляционном основании создаются несколько проводящих слоев (4—5) с различным удельным сопротивлением.
Функциональную характеристику резистора можно аппроксимировать кусочно-линейной функцией. Когда задана функциональная
(4.39)(4.39)характеристика (рис. 4.14, а), можно, разбив ее на участки, рассчитать удельное сопротивление проводящих слоев:
(4.39)
(4.39)
Xt—Xt_x
где hi — толщина проводящего слоя; R(xt), R(x{-x) — сопротивления в точках разбиения функциональной характеристики х2 и x2~i соответственно; / — длина проводящего элемента резистора.
Для расчета функциональных характеристик переменных резисторов определяют электрическое поле в проводящем элементе, т. е. решают уравнение Лапласа при граничных условиях смешанного типа, когда потенциал на одном контакте равен нулю, а на другом U, ток через непроводящую границу г
/ dU\ п
Z^P(—I =°*
Когда удельное сопротивление по сечению проводящего элемента не меняется, уравнение функциональной характеристики можно представить в следующем виде:
"*Р^Ощ—dxi
(4.40)(4.40)Гдхх
(4.40)
(4.40)
о И । 7 (^ь х2, х3) ] dx^dx^
где Uv = ux(x\, х^, х3); и^ц^Хх, х2, х3); «3 = Из(М, ^2, *з) — отображения исходного проводящего элемента на элемент простой формы — прямоугольный параллелепипед (рис. 4.14, б, е) или цилиндр; J(xi, х2, х3)— якобиан преобразования; p(xj—удельное сопротивление, зависящее от одной координаты.
Интегрирование в знаменателе ведется либо по прямоугольнику, либо по кругу, соответственно. Важно найти соответствующее преобразование.
Если же проводящий элемент плоский, то можно использовать теорию функций комплексного переменного. Проводящий элемент при этом вписывается в прямоугольник со сторонами s и I (рис. 4.15, а), который конформно отображается на верхнюю полуплоскость с вырезом (рис. 4.15, б) с помощью функции
2j = Snz,2j = Snz,(4.41)
2j = Snz,
2j = Snz,
где sn z — эллиптическая функция Якоби.
Методом последовательных приближений полуплоскость с вырезом отображаем на полуплоскость с вырезом (рис. 4.15, в, а), исключая полуокружности:
г, — а , г2Й+1=--),
г Zi~ а
где а — координата центра полуокружности; г — радиус полуокружности.
На верхней полуплоскости симметризуем граничные точки проводящего элемента путем преобразования:
1~,
]/ («2 — гпА) — гпВ} — ^ - znA z„B) _а2(гпд+2лВ)
Рис. 4.15. Отображение плоского проводящего элемента на прямоугольник:
я— исходный элемент; б — отображение на полуплоскость* с вырезом; в — отображение на полуплоскость; г, д — симметризация граничных точек элемента; е — отображение на прямоугольник
Далее с помощью эллиптического интеграла первого рода полуплоскость отображаем на прямоугольник со сторонами $■ и U (рис. 4.15, е):
zn+l
Zn^ \-(4.43)
о И (1-<,)(!-^2+1)
где к — модуль, выражаемый через отношение Si/ly
При этом получаем трассу движения подвижного контакта f(z). Функциональная характеристика резистора в данном случае описывается выражением
(4.44)
Плоский проводящий элемент по заданной функциональной характеристике рассчитывают следующим образом. В первом приближении, считая распределение электрического поля в элементе равномерным, функциональную характеристику определяют по формуле
о
Профиль проводящего элемента резистора с нелинейной функциональной характеристикой
sW=p«w у'.
\ dx у
Моделируя или рассчитывая данным способом, получим функциональную характеристику Ritx), отличную от Rix') 'вследствие неравномерности тока в проводящем элементе.
Введем функцию а^х), учитывающую неравномерность линий тока. Тогда функциональная характеристика имеет вид
/?(Л)=С^М^..(4.4б)
о
Дадим профилю проводящего элемента s(x) малое приращение As (х), считая, что а (х) при этом не изменится:
/?(х)=Г— .(4.47)
k J 5(Х) + Д5(Х)1’
О
Дифференцируя равенства (4.46) и (4.47) и деля одно на другое, получим
=(4-48)
[\ dx J] \ dx J J
Аналогично, рассчитывая элемент с профилем s + As(x), получаем функциональную характеристику /?г(х) и т. д. до тех пор, пока для заданного е не станет выполняться условие max |/?(х)— —Ri (х) | <е.
Используемый в промышленности метод создания резисторов с нелинейной функциональной характеристикой, который основан на получении проводящих элементов с 4—5 композиционными слоями, обладающими различными удельными сопротивлениями, не обеспе-
ааРис. 4.16. Проводящий элемент нелинейного резистора:1, 2 — основной и дополнительный слон;3 — изоляционное основание; 4— слой контактной композиции; а. в, с — выводы; К — подвижный контактРис. 4.16. Проводящий элемент нелинейного резистора:1, 2 — основной и дополнительный слон;3 — изоляционное основание; 4— слой контактной композиции; а. в, с — выводы; К — подвижный контактчивает высокой плавности характеристики. Функциональная характеристика имеет вид ломаной линии, поскольку смешивание композиций с различными удельными сопротивлениями происходит на довольно ограниченных участках.
а
а
Рис. 4.16. Проводящий элемент нелинейного резистора:
1, 2 — основной и дополнительный слон;
3 — изоляционное основание; 4— слой контактной композиции; а. в, с — выводы; К — подвижный контакт
Рис. 4.16. Проводящий элемент нелинейного резистора:
1, 2 — основной и дополнительный слон;
3 — изоляционное основание; 4— слой контактной композиции; а. в, с — выводы; К — подвижный контакт
Кроме того, данный метод нельзя применить для получения низкоомных переменных резисторов с нелинейными функциональными характеристиками, так как наиболее низкоомные композиции на основе графита и сажи имеют сопротивление квадрата пленки 50—60 ож, а производные композиции обладают еще более высоким сопротивлением в результате смешивания в определенном процентном соотношении низкоомных и высокоомных композиций. Поэтому наименьшее номинальное сопротивление переменных резисторов с нелинейными функциональными характеристиками (типа Б и В) составляет, как правило, 4,7 ком.
Рассмотрим два новых метода получения переменных резисторов с нелинейной функциональной характеристикой, разработанные авторами на кафедре «Электротехнические материалы» МЭИ и исследованные на 1-м Московском заводе радиодеталей в 1967—1970 гг.
Один из этих методов обеспечивает получение номинальных сопротивлений переменных резисторов с нелинейными функциональными характеристиками от 200 ом и выше.
Согласно данному методу проводящий
элемент резистора предложено выполнять из двух проводящих слоев, основного и дополнительного, имеющих на концах общие контакты и разделенных слоем диэлектрика — изоляционным основанием из пластика (рис. 4.16, а, б).
В данной конструкции сопротивление проводящего элемента между крайним а и средним b выводами резистора определяется сопротивлениями основного 1 и дополнительного 2 слоев. При положении подвижного контакта, соответствующем повороту подвижной системы на угол а, сопротивление основного слоя
Р1 г2 + Гх лаh\ г2 — /"i 360
(4.49)(4.49)При этом же положении подвижного контакта сопротивление основного слоя /, соответствующего углу <р—а, и дополнительного слоя 2, которые включены последовательно, можно записать так:
(4.49)
(4.49)
П,_ Р1Г2 + ri Л (У— а) . Р2
Г-2 + Г!Л?г2 — ri360 *Г-2 + Г!Л?г2 — ri360 *(4.50)(4.50)hlг-2 — г i 360 й2
Г-2 + Г!Л?
г2 — ri360 *
Г-2 + Г!Л?
г2 — ri360 *
(4.50)
(4.50)
где pi, йь рг, ^2 — удельное объемное сопротивление и толщина основного 1 и дополнительного 2 проводящих слоев.
Сопротивление между крайним а и средним b выводами резистора с учетом выражений (4.49) и (4.50).
Р1 Г2 + Г[ Ла / Pi Л (у — а) Р2 лу \n hx гй—гх 360 \ Й! 360+ й2 360/
Ка—Ь—: •
Р1 лаР! Л (у — Р2 лу
hx " 360 + hx '360+ й2 ' 360
Расчетным путем можно определить соотношения между сопротивлениями проводящих слоев, при которых проводящие элементы имеют логарифмическую функциональную характеристику.
Эквивалентная схема проводящего элемента с нелинейной функциональной характеристикой приведена на рис. 4.17.
Рис, 4.17. Эквивалентная схема проводящего элемента резистора с нелинейной функциональной характеристикой:Rv Ri, Rz, RK —- сопротивления основного слоя, дополнительного, изоляционного основания н переходных контактов соответственноРис, 4.17. Эквивалентная схема проводящего элемента резистора с нелинейной функциональной характеристикой:Rv Ri, Rz, RK —- сопротивления основного слоя, дополнительного, изоляционного основания н переходных контактов соответственноРис. 4.18. Схема для расчета функциональной характеристики проводящего элемента:К — подвижный контакт; Ra_^ и Ra " сопротивления между выводами а — b и а — с соответственно; R2 — сопротивление дополнительного проводящего слояРис. 4.18. Схема для расчета функциональной характеристики проводящего элемента:К — подвижный контакт; Ra_^ и Ra " сопротивления между выводами а — b и а — с соответственно; R2 — сопротивление дополнительного проводящего слоя
Рис, 4.17. Эквивалентная схема проводящего элемента резистора с нелинейной функциональной характеристикой:
Rv Ri, Rz, RK —- сопротивления основного слоя, дополнительного, изоляционного основания н переходных контактов соответственно
Рис, 4.17. Эквивалентная схема проводящего элемента резистора с нелинейной функциональной характеристикой:
Rv Ri, Rz, RK —- сопротивления основного слоя, дополнительного, изоляционного основания н переходных контактов соответственно
Рис. 4.18. Схема для расчета функциональной характеристики проводящего элемента:
К — подвижный контакт; Ra_^ и Ra " сопротивления между выводами а — b и а — с соответственно; R2 — сопротивление дополнительного проводящего слоя
Рис. 4.18. Схема для расчета функциональной характеристики проводящего элемента:
К — подвижный контакт; Ra_^ и Ra " сопротивления между выводами а — b и а — с соответственно; R2 — сопротивление дополнительного проводящего слоя
При расчете функциональной характеристики резистора считаем, что сопротивление переходных контактов значительно меньше номинальной величины сопротивления резистора, а изменение сопротивления прямо пропорционально углу поворота подвижного контакта. Схема для расчета функциональных характеристик проводящего элемента с учетом этих допущений приведена на рис. 4.18.
На основе проведенных расчетов построены функциональные характеристики проводящих элементов при сопротивлении дополнительного слоя 7?2 = 0,5—1,5 Rx (рис. 4.19). Зависимость Ra_bIRx = = /(ф/фп) при различных сопротивлениях дополнительного слоя показана на рис. 4.20.
Рассмотренный технологический метод позволяет получать резисторы с логарифмической функциональной характеристикой, а также резисторы, максимум функциональной характеристики которых определяется отношением сопротивлений основного и дополнительного слоев.
Согласно второму технологическому методу проводящий элемент резистора представляет собой кольцевой проводящий элемент, частично сопряженный с сегментом омического контакта (рис. 4.21).
Моделированием установлено, что проводящие элементы, которые позволяют получать логарифмические и обратно-логарифмические функциональные характеристики, имеют следующие парамет-
ристики проводящих элементовристики проводящих элементовРис. 4.20. Функциональные характери- | стики резистора при различных сопро- j тивлениях дополнительного слоя |Рис. 4.20. Функциональные характери- | стики резистора при различных сопро- j тивлениях дополнительного слоя |Рис. 4.19. Функциональные характе
ристики проводящих элементов
ристики проводящих элементов
Рис. 4.20. Функциональные характери- | стики резистора при различных сопро- j тивлениях дополнительного слоя |
Рис. 4.20. Функциональные характери- | стики резистора при различных сопро- j тивлениях дополнительного слоя |
Рис. 4.21. Проводящие элементы резисторов с нелинейными функциональными характеристиками:а, б — с обратно'логарифмической и логарифмической соответственноРис. 4.21. Проводящие элементы резисторов с нелинейными функциональными характеристиками:а, б — с обратно'логарифмической и логарифмической соответственноры- fi/r2 = 0,6—0,65; Г1/гз = 0,75—0,8; //ri = 0,3—0,35; e/ri—0,25 0,3; | hit =0,15—0,2, где Г\ и гг—внутренний и внешний радиусы проводя-] щего элемента соответственно; гз—радиус сегмента омического]
Рис. 4.21. Проводящие элементы резисторов с нелинейными функциональными характеристиками:
а, б — с обратно'логарифмической и логарифмической соответственно
Рис. 4.21. Проводящие элементы резисторов с нелинейными функциональными характеристиками:
а, б — с обратно'логарифмической и логарифмической соответственно
контакта; Z, е — вертикальное и горизонтальное смещение центра окружности радиуса r3, h — ширина зазора между омическими контактами (рис. 4.21, а).
Благодаря данному технологическому методу при использовании композиций с сопротивлением квадрата пленки от 10 до 10s ом можно получать-переменные резисторы с нелинейными функциональными характеристиками и номинальным сопротивлением от нескольких ом до 4,7 Мом. Резисторы имеют плавные функциональные характеристики, поскольку удельное сопротивление композиции по всему проводящему элементу одинаково. С помощью этого тех-, нологического метода при использовании композиций на основе мелкодисперсного серебра можно получать низкоомные переменные резисторы с нелинейными функциональными характеристиками и номинальным сопротивлением 1—500 ом.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Как уже отмечалось, в зависимости от конструкции резистора применяют различные методы нанесения проводящих пленок (композиций) иа изоляционные основания. Существуют методы окунания, протяжки, распыления и разлива.
Метод окунания является наиболее распространенным методом нанесения проводящих пленок. Изоляционные основания резисторов, закрепленные в держателе, погружают в ванну с композицией и извлекают из нее с постоянной скоростью. Толщина наносимой пленки определяется вязкостью композиции и скоростью извлечения заготовки из ванны. Вязкость композиции в ванне периодически корректируется добавлением растворителя, так как происходит постепенное испарение последнего. Процесс окунания отдельных оснований — малопроизводительная технологическая операция. Для изоляционных оснований небольших размеров нанесение проводящей пленки этим способом затруднено еще необходимостью их индивидуального крепления.
В массовом производстве пленку наносят на длинные тонкие основания методом протяжки через капиллярную трубку, в которую непрерывно под давлением поступает композиция (рис. 4.22). После покрытия основания разрезают на элементы заданных размеров.
Методом распыления наносят композиции на цилиндрические основания больших размеров, плоские поверхности печатных схем. Распыление производят специальным пульверизатором, в который подается композиция и сжатый воздух. При покрытии цилиндрических оснований им придается быстрое вращательное движение, а пульверизатор совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси основания (рис. 4.22, б).
Метод разлива композиции используют для получения проводящих пленок на гладкой поверхности изоляционного основания
{зеркального гетинакса, стеклотекстолита) при производстве переменных резисторов. При этом композицию помещают в контейнер, дно которого имеет тонкую щель необходимой ширины. Во время движения контейнера вдоль поверхности основания образуется полоса разлитой композиции, толщина которой зависит от размеров щели и скорости движения контейнера. Нанесение композиции данным методом осуществляют и на цилиндрические основания (рис. 4.22, в). Причем основанию придается вращательное и поступательное движение. Этот метод обычно применяют для цилиндрических оснований больших размеров. На цилиндрические основания
Рис. 4.22. Методы нанесения проводящих композиций: а— протяжкой через капиллярную трубку; б— распыланием; в — разливом
композиция может наноситься через промежуточный ролик, погруженный в ванну и вращающийся при вращении основания. Для получения резисторов в печатных схемах композиция передается из сосуда через систему валиков на печатающий валик, который прокатывается по поверхности, покрытой трафаретом. Композиция наносится на места, не защищенные трафаретом.
Следующая технологическая операция — термообработка нанесенных проводящих пленок в конвейерных печах.
ЛАКОПЛЕНОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫПостоянные резисторы
Наиболее распространенными композиционными пленочными резисторами в радиоэлектронной аппаратуре являются малогабаритные КИМ (композиционные изолированные), КЛМ (композиционные лакированные), КВМ (композиционные вакуумированные). Конструкции этих резисторов показаны на рис. 4.23 и 4.24.
Технология получения проводящих элементов различных постоянных резисторов, выполненных на основе лакопленочных композиций, идентична. В качестве примера рассмотрим технологию получения проводящего элемента композиционного резистора КИМ-0,125 (см. рис. 4.23).
В настоящее время производство резисторов КИМ осуществляется на автоматизированных линиях производительностью 3— 4 млн. шт. в год.
В качестве изоляционных оснований резисторов КИМ используют стеклянные штабики, которые получают из стеклянных прутков на специальном автомате. Стеклянный пруток подается на исход
4343Рис. 4.23. Конструкция резистора КИМ-0,125:/ — изоляционное основание; 2 — вывод; 3— проводящий слой; 4— контактный слойРис. 4.23. Конструкция резистора КИМ-0,125:/ — изоляционное основание; 2 — вывод; 3— проводящий слой; 4— контактный слойную позицию автомата, где производится его надрез и отламывание щтабиков необходимых размеров. Далее стеклянные штабики поступают на агрегат, где производится при высокой температуре сваривание штабиков с выводами — с проволокой из платинита.
43
43
Рис. 4.23. Конструкция резистора КИМ-0,125:
/ — изоляционное основание; 2 — вывод; 3— проводящий слой; 4— контактный слой
Рис. 4.23. Конструкция резистора КИМ-0,125:
/ — изоляционное основание; 2 — вывод; 3— проводящий слой; 4— контактный слой
Для защиты от коррозии и повышения качества пайки выводы заготовок серебрят. Перед серебрением осуществляют снятие окислов с поверхности выводов травлением в смеси азотной и борной кислот с добавлением хлористого натрия.
Кислоту с поверхности заготовок удаляют путем промывки в проточной воде. Для лучшего сцепления осаждаемого серебра с платинитом заготовки на короткое время погружают в смесь серной и азотной кислот.
Рис. 4.24. Конструкции резисторов КЛМ (а) и КВМ (б)Рис. 4.24. Конструкции резисторов КЛМ (а) и КВМ (б)Чтобы получить хороший омический контакт с малым переходным сопротивлением между проводящим слоем и выводом на концы заготовок наносят серебряную пасту, состоящую из углекислого
Рис. 4.24. Конструкции резисторов КЛМ (а) и КВМ (б)
Рис. 4.24. Конструкции резисторов КЛМ (а) и КВМ (б)
серебра, флюса и канифольного раствора, взятых в определенных весовых частях.
Проводящим компонентом композиции являются диффузионные газовые и турбулентная (ламповая) сажи. Композицию для резисторов КИМ выполняют на основе смолы Э-10, применение которой позволяет получать определенное номинальное сопротивление путем термообработки проводящих элементов при повышенной температуре.
Нанесение контактного слоя и термическая обработка проводящих элементов проводятся на специальной установке. Заготовки, переносимые первым транспортером, последовательно поступают под первые ролики намазки контактного слоя, в печь восстановления
серебра, под вторые ролики намазки и опять в печь восстановления серебра’ после чего сбрасываются в пазы второго транспортера, который проносит их над ванночками с проводящей композицией и далее помещает в печь для сушки и полимеризации контактного и проводящего слоев. У полученных проводящих элементов измеряется сопротивление, коэффициент напряжения и температурный коэффициент сопротивления. После контроля параметров проводящие элементы подвергаются термической тренировке при температуре 450—455° К в течение 48 ч. Далее производится сортировка элементов на группы по величине сопротивления. Увеличение сопротивления элементов до требуемых значений производится путем нарезки спиральной канавки.
Конструктивно резисторы КЛМ представляют собой керамические стержни с нанесенными на них проводящими пленками (см. рис. 4.24).
У резисторов КВМ керамическое основание с нанесенным на не* го проводящей пленкой помещается в стеклянный баллон, из, которого выкачан воздух. Хорошая защита проводящего элемента позволяет обеспечить высокие эксплуатационные характеристики. Резисторы КВМ используют в измерительных схемах, где требуете, ся повышенная точность. ■ ^
Основные параметры постоянных композиционных резисторов приведены в табл. 4.2. j
ТАБЛИЦА 4$
Основные параметры постоянных композиционных резисторов
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния, в т
Номинальные сопротивления
Предельное рабочее напряжение, кв
Разк еры, мм А
L
D
КЛМ-1
Ю Мом— 10 Гом
0,3
28
6,5
КЛМ-2
10 Гом — 100 »
0,3
24
4,8
КВМ
15 Л1о_и — 100 »
0,1
48
5,2
120 Гом — 1000 »
0,1
48
5,2
КИМ-0,05
0,05
10 ом — 1 Мом
0,1
3,8
1,8
1,1 Мом—‘5,6 »
0,1
3,8
1,8
КИМ-0,125
0,125
27 ом — 100 »
0,2
8
2,5
100 Мом — 1 Гом
0,2
8
2,5
КЭВ-0,5
0,5
510 ком—1 »
5
25
4,2
КЭВ-1
1
510 » —5,1»
10
46
8,2
КЭВ-2
2
510 » —12»
20
92
8.2
КЭВ-5
5
510 » —18 »
35
140
1° 1
КЭВ-10
10
510 » —12»
25
120
30
КЭВ-20
20
1 Мом—22»
40
240
50
КЭВ-40
40
2,4 » —47»
60
320
50
Резисторы, перечисленные в табл. 4.2, надежно работают при относительной влажности окружающего воздуха 98% и температуре 313° К- Температурный коэффициент сопротивления резисторов не превышает ±25 • 10~4 град~[.
Допустимая электрическая нагрузка резисторов КИМ при 213— 293° К составляет 1,5 Рн, с повышением температуры допустимая нагрузка снижается по линейному закону и составляет 1 Рн при температуре окружающего воздуха 328° К.
После воздействия трех температурных циклов изменения сопротивлений резисторов КЛМ и КВМ с сопротивлением до 10 Мом не превышают ±5%; для остальных типов резисторов не превышают -1-5, —10%.
После выдерживания резисторов в течение 95 ч при относительной влажности окружающего воздуха 95—98% изменения сопротивлений не превышают ±5% для КВМ и ±20% для КИМ и КЛМ.
J a) Uд)
Рис. 4.25. Конструкции резисторов КЛВ и КЭВ:а — мощностью до 5 ат; б — мощностью более 5 вт
Уровень собственных шумов не превышает 5 мкв/в для резисторов КИМ с сопротивлениями 10—91 ком, 10 мкв!в— для КИМ с 100—910 ком и 15 мкв]в— для КИМ с 1 мом— 10 Мом.
Для высоковольтной аппаратуры используют резисторы КЛВ (композиционные лакированные высоковольтные) и КЭВ (композиционные эмалированные высоковольтные).
Конструкции резисторов КЛВ и КЭВ показаны на рис. 4.25. У резисторов с номинальной мощностью рассеяния более 2 вт один контактный узел представляет собой винт, другой — гайку, что позволяет получать составные резисторы, выдерживающие высокие напряжения.
Резисторы КЛВ, предназначенные для работы в специальных измерительных схемах, выпускают двух видов: КЛВ-10 и КЛВ-35 с рабочим напряжением 10 и 35 кв соответственно.
Номинальная мощность рассеяния резисторов КЛВ-10 составляет 0,5 вт и КЛВ-35 — 5 вт.
Номинальные сопротивления резисторов КЛВ лежат в диапазоне от 47 Мом до 1 Гом.
Интервал рабочих температур резисторов КЛВ от 213 до 333° К, ТКС не более ±25-10~4 град-1.
Основные параметры резисторов КЭВ приведены в табл. 4.2.
Номинальная мощность рассеяния указана для резисторов КЭВ при температуре окружающего воздуха 313° К. При температурах свыше 313° К допустимая электрическая нагрузка снижается по линейному закону и составляет 0,25 Р„ при 373° К.
Интервал рабочих температур резисторов КЭВ от 213 до 373° К; ТКС не превышает ±35 • 10-4 град~\
Переменные резисторы
Наиболее распространенными из переменных композиционны резисторов являются резисторы СП.Резисторы СП (рис. 4.26), предназначенные для работы в цепя постоянного и переменного тока электронной аппаратуры, состояНаиболее распространенными из переменных композиционны резисторов являются резисторы СП.Резисторы СП (рис. 4.26), предназначенные для работы в цепя постоянного и переменного тока электронной аппаратуры, состояиз следующих конструктивных элементов: изоляционногоиз следующих конструктивных элементов: изоляционногоосноваоснования, проводящего элемента, скользящего контакт подвижной системы с осью и крышки из листовойния, проводящего элемента, скользящего контакт подвижной системы с осью и крышки из листовойаатокосъемникатокосъемникаилиилилатуни.латуни.сталисталиРис. 4.26. Устройство резистора СП (а) и общий вид резисторов СП-I (б), СП-П (в), СП-111 иСП-IV (г):1— корпус; 2— проводящий элемент; 3— регулировочная ось; 4 — гетинаксовая фигурная пластина; 5 —контактная щетка; 6—заклепки; 7, 8, 9— выводные лепестки;10 — упорРис. 4.26. Устройство резистора СП (а) и общий вид резисторов СП-I (б), СП-П (в), СП-111 иСП-IV (г):1— корпус; 2— проводящий элемент; 3— регулировочная ось; 4 — гетинаксовая фигурная пластина; 5 —контактная щетка; 6—заклепки; 7, 8, 9— выводные лепестки;10 — упор
Наиболее распространенными из переменных композиционны резисторов являются резисторы СП.
Резисторы СП (рис. 4.26), предназначенные для работы в цепя постоянного и переменного тока электронной аппаратуры, состоя
Наиболее распространенными из переменных композиционны резисторов являются резисторы СП.
Резисторы СП (рис. 4.26), предназначенные для работы в цепя постоянного и переменного тока электронной аппаратуры, состоя
из следующих конструктивных элементов: изоляционного
из следующих конструктивных элементов: изоляционного
основа
основа
ния, проводящего элемента, скользящего контакт подвижной системы с осью и крышки из листовой
ния, проводящего элемента, скользящего контакт подвижной системы с осью и крышки из листовой
а
а
токосъемника
токосъемника
или
или
латуни.
латуни.
стали
стали
Рис. 4.26. Устройство резистора СП (а) и общий вид резисторов СП-I (б), СП-П (в), СП-111 и
СП-IV (г):
1— корпус; 2— проводящий элемент; 3— регулировочная ось; 4 — гетинаксовая фигурная пластина; 5 —контактная щетка; 6—заклепки; 7, 8, 9— выводные лепестки;
10 — упор
Рис. 4.26. Устройство резистора СП (а) и общий вид резисторов СП-I (б), СП-П (в), СП-111 и
СП-IV (г):
1— корпус; 2— проводящий элемент; 3— регулировочная ось; 4 — гетинаксовая фигурная пластина; 5 —контактная щетка; 6—заклепки; 7, 8, 9— выводные лепестки;
10 — упор
Рассмотрим технологию получения проводящих элементов пере менных резисторов СП.
* Проводящие элементы резисторов СП создаются путем нанесения композиций на изоляционные основания, выполненные из гети- накса. Нанесение композиций производится из контейнера на конвейере лаковых покрытий.
Гетинаксовые полосы, покрытые композицией, пропускают через конвейерную печь с инфракрасным обогревом, в которой происхо
заготовки поступают назаготовки поступают наэлементыэлементыазноиазноидит полимеризация композиции.
заготовки поступают на
заготовки поступают на
элементы
элементы
азнои
азнои
подковообрподковообрПосле контроля качества покрытия штампы, с помощью которых вырубают
подковообр
подковообр
формы.
Для создания омических контактов на концы проводящих элементов наносят слой низкоомной серебряной композиции. Далее с целью полимеризации контактной серебряной композиции заготовки подвергают термообработке в конвейерной печи с инфракрасным обогревом.
Уменьшить сопротивление проводящих элементов можно повторной полимеризацией при повышенной температуре.
Нанесение серебряной композиции, полимеризация, создание отверстий на концах элементов производятся на механизированных линиях, которые состоят из автоматов, соединенных одним транспортным устройством, обеспечивающим непрерывную подачу заготовок с одного автомата на другой.
У полученных проводящих элементов проверяется соответствие величины сопротивления заданному номинальному значению и допускаемому отклонению, а также функциональная характеристика.
Функциональная характеристика проводящего элемента может быть линейной (прямая А), логарифмической (кривая 5), обратнологарифмической (кривая В) (рис. 1.28).
Проверка функциональной характеристики проводящих элементов производится на специальных измерительных устройствах с осциллографом или путем измерения сопротивления проводящего элемента при 8—10 различных углах поворота подвижного контакта.
Для разбраковки проводящих элементов с различными функциональными характеристиками используются специальные автоматы, на которых производится измерение сопротивления в десяти точках контактами, расположенными равномерно по среднему диаметру проводящего элемента.
По конструктивному оформлению СП делятся на следующие типы:
СП-1 — одинарный резистор без стопора оси с фиксаторами корпуса;
СП-П — одинарный резистор со стопором оси, выполненным в виде дополнительных разрезных втулок с навинчивающимися гайками, что позволяет застопорить ось в любом положении после того, как закончена регулировка сопротивления;
СП-Ш, СП-IV — сдвоенные резисторы, состоящие из двух переменных резисторов; резистор СП-IV имеет устройство, позволяющее застопорить ось;
СП-V — одинарный резистор без стопора оси и фиксаторов корпуса.
Основные параметры резисторов СП приведены в табл. 4.3.
Резисторы СП выпускают с допускаемым отклонением сопротивления от номинального значения ±10 и ±20%. За номинальную мощность рассеяния резисторов принимают максимально допустимую электрическую нагрузку при температуре окружающего воздуха 298° К. С увеличением температуры окружающего воздуха электрическая нагрузка резисторов снижается, как показано на рис. 4.27.
Резисторы с Нелинейной функциональной характеристикой имеют неравномерное распределение мощности по поверхности проводящего элемента, что приводит к неравномерному нагреву отдельных участков. В связи с этим резисторы СП с линейной функциональной характеристикой имеют номинальную мощность рассеяния
Параметры переменных композиционных резисторов
Тип резистора
Номинальная мощность рассей - ння, в т
Номинальное сопротивление
Предельное рабочее напряжение, в
Начальный* скачок сопротивления, %
Э.л. с.** шумов, мкв)в (не более)
Диаметр корпуса, ММ
ом
Мом
СП
0,5; 1
470
4,7
500
7
40
29
СП-0,4
0,4
470
4,7
300
10
15
16
СПЗ-1
0,25
470
1
250
СПЗ-2
0,25—0,5
470
4,7-
200— 300
-
СПЗ-З
0,05
1000
1
50
7
50
14
СПЗ-4
0,25
220
0,47
150
10
Ы II г
16
СПЗ-5
0,5-1
1000
1
250
20
СПЗ-6
0,125
1000
1
160
10-15
15
11,7
СПЗ-7
0,125
47000
4,7
200
7
50
30,5
СПЗ-8
0,25—0,5
10000
2,2
300
7-10
40
28
СПЗ-9
0,5-1
1000
4,7
350
7-10
15
16
СПЗ-10
0,25-2
470
4,7
500
7-10
40
29
СПЗ-12
0,25
470
4,7
400
7—10
50
26
*.Значения для резисторов с линейной функциональной характеристикой. Значения для высокоомных резисторов.
вт, а резисторы с логарифмической и обратно-логарифмическо^! функциональными характеристиками — 0,5 вт.11
Электрические параметры сдвоенных резисторов определяются; параметрами одинарных резисторов; причем резистор, наиболее
Рнс. 4.27. Зависимости допустимой мощности электрической нагрузки резисторов СП от температуры:
с — для резисторов первой группы: б — второй группы; в — третьей группы: / — линейных; 2 — нелинейных
удаленный от шасси, находится в худших условиях теплоотдачи! поэтому его допускаемая электрическая нагрузка снижаете! на 50%. 1
Температурный коэффициент сопротивления резисторов СП ив превышает ±10- 10-4 град~х для резисторов с сопротивлением да
100 ком и ±20- 10~4 град^ для резисторов с сопротивлением выш*7 100 ком.
Переменные резисторы с подковообразным проводящим элемен том имеют существенный недостаток — при вырубке проводящих элементов на штампах отходы изоляционных материалов составляют 50—60%. Причем в современной технологии производства переменных резисторов имеется тенденция к использованию в ка
честве изоляционного основания стеклотекстолита, поскольку этот материал имеет более высокую нагревостойкость, хотя и не может
Рис. 4.28. Конструкция переменного резистора с кольцевым проводящим элементом:1 — проводящий элемент; 2—основание; 3 — подвижный контакт; 4— ось с траверсойРис. 4.28. Конструкция переменного резистора с кольцевым проводящим элементом:1 — проводящий элемент; 2—основание; 3 — подвижный контакт; 4— ось с траверсойпока конкурировать с гети- наксом по качеству поверхности. Стеклотекстолит, как известно, дороже гетинакса, поэтому высокий процент потерь изоляционного материала существенно удорожает производство переменных резисторов.
Рис. 4.28. Конструкция переменного резистора с кольцевым проводящим элементом:
1 — проводящий элемент; 2—основание; 3 — подвижный контакт; 4— ось с траверсой
Рис. 4.28. Конструкция переменного резистора с кольцевым проводящим элементом:
1 — проводящий элемент; 2—основание; 3 — подвижный контакт; 4— ось с траверсой
У переменных резисторов с проводящими элементами, выполненными в виде полукольца (рис. 4.28), отходы изоляционных материалов могут быть снижены до 5—
Технология получения такого проводящего элемента сводится к следующему. На тонкие изоляционные полосы наносится проводящий слой и одновременно на края полос—слой низкоомной серебряной композиции для создания омических контактов. После полимеризации
заготовок с помощью алмазного диска вырезают проводящие элементы прямоугольного <вида; далее проводящий элемент сгибают и в виде полукольца укрепляют в конструкции. Такое технологическое решение имеет ряд положительных особенностей:
потери изоляционного материала уменьшаются до 5—6%;
контактный слой создается одновременно с проводящим слоем, что удобно и технологично;
проводящий элемент укрепляется на металлическом корпусе резистора, что существенно улучшает отвод выделяющегося
тепла.
Представляет интерес конструкция с прямоугольным проводящим элементом, разработанная на кафедре «Электротехнические материалы» МЭИ (рис. 4.29). В данной конструкции прямоугольный проводящий элемент укрепляется на пластмассовой стенке многооборотного подстроечного резистора, которая крепится непосредственно к шасси устройства. Это обеспечивает интенсивный отвод тепла от проводящего элемента. Тепловое сопротивление между проводящим элементом и шасси устройства в этом случае имеет
небольшую величину, что дозволяет получить миниатюрным резистор с повышенной мощностью рассеяния.
Композиционные материалы подвержены воздействию влажной среды и, как правило, более интенсивно изменяют свои свойства
Рис. 4.29. Конструкция резистора с прямоугольным проводящим элементом:
/ — регулировочная ось; 2— основание; 3 — гайка; 4 — крышка; 5— гайка с пружиной; 6— проводящий элемент; 7— втулка; 8 — кронштейн с пружиной
по сравнению с другими материалами. Поэтому необходимы кон< струкции, обеспечивающие надежную защиту проводящего эле; мента.
Рис. 4.30. Конструкция переменного резистора с фторопластовым кольцом:
/ — проводящий элемент с траверсой; 2— корпус защитной оболочки; 3 — фторопластовое кольцо; 4 — шайба; 5 —втулка; 6 — винт
В простейшем случае на регулировочной оси переменного резистора устанавливают резиновые кольца, предотвращающие проникновение влаги к проводящему элементу. Однако такая защита нб всегда эффективна и при повышенных влажности и температуре в проводящих элементах переменных резисторов начинают протекать сорбционные процессы, приводящие к изменению величины сопротивления.
Конструкции резисторов, которые могут быть использованы в условиях тропического климата, разработанные авторами, приведены на рис. 4.30 и 4.31.
В конструкции, показанной на рис. 4.30, надежная защита проводящего элемента От воздействия внешней среды осуществляется с помощью фторопластового кольца, укрепляемого на регулировочной оси резистора. В таких конструкциях необходимо высокое качество поверхности регулировочной оси для обеспечения ее надежного контакта с защитным кольцом.
Рис. 4.31. Герметичная конструкция переменного резистора:
а — конструкция: 1 — основной корпус; 2 — корпус защитной оболочки; 3 — шайба- 4 — муфта; 5 — винт,- 6 — сильфон; 7 — гайка-шайба с прорезью; 8 —втулка; 9 — гайка; 10 — шар; б — общий вид механизма перемещения регулировочной осн
В конструкции, приведенной на рис. 4.31, основные элементы резистора помещены в сильфон, обеспечивающий их надежную защиту от воздействия внешней среды. Специальный механизм осуществляет передачу поступательного движения крышки сильфона во вращательное движение, благодаря чему подвижный контакт перемещается по проводящему элементу.
Исследования показали, что резисторы с таким конструктивным оформлением способны длительно работать при относительной влажности 98% и температуре окружающей среды 40—45° С.
Переменные резисторы с нелинейнымифункциональными характеристиками
Для изготовления переменных резисторов с нелинейными функциональными характеристиками используют контейнеры, корпус ко-
торых разделен перегородками на отсеки, куда заливают композиции с различным удельным сопротивлением. Перегородки расположены так, что между их нижними концами и дном остается зазор. В зазорах композиции смешиваются, обеспечивая плавное изменение сопротивления при переходе от одного участка проводящего элемента к другому. При движении гетинаксовой полосы вдоль отверстия контейнера образуется проводящий слой (рис. 4.32). Далее на штампах вырубают подковообразные проводящие элементы, у которых отдельные участки по длине имеют различное удельное сопротивление.
Рис. 4.32. Нанесение композиционных слоев при получении нелинейных резисторов:1 — контейнер; 2 — перегородка; 3 — пластик, покрываемый слоями с различным удельным сопротивлениемРис. 4.32. Нанесение композиционных слоев при получении нелинейных резисторов:1 — контейнер; 2 — перегородка; 3 — пластик, покрываемый слоями с различным удельным сопротивлениемРис. 4.33. Зависимость сопротивления RKB проводящих слоев, выполненных на композиции НГ от числа циклов Н термообработкиРис. 4.33. Зависимость сопротивления RKB проводящих слоев, выполненных на композиции НГ от числа циклов Н термообработки
Рис. 4.32. Нанесение композиционных слоев при получении нелинейных резисторов:
1 — контейнер; 2 — перегородка; 3 — пластик, покрываемый слоями с различным удельным сопротивлением
Рис. 4.32. Нанесение композиционных слоев при получении нелинейных резисторов:
1 — контейнер; 2 — перегородка; 3 — пластик, покрываемый слоями с различным удельным сопротивлением
Рис. 4.33. Зависимость сопротивления RKB проводящих слоев, выполненных на композиции НГ от числа циклов Н термообработки
Рис. 4.33. Зависимость сопротивления RKB проводящих слоев, выполненных на композиции НГ от числа циклов Н термообработки
Как уже отмечалось, резистор с логарифмической функциональной характеристикой можно получить, если проводящий элемент состоит из двух слоев (основного и дополнительного), разделенных диэлектрической прослойкой или изоляционным основанием. 1
Причем для получения резистора с логарифмической функцио]
нальной характеристикой дополнительный слой должен быть с с противлением 7?2=О,8—0,85 R\.
Данное соотношение можно получить различными технологическими способами — использованием композиций с определенными удельными сопротивлениями или соответствующей термообработкой проводящей композиции.
На рис. 4.33 показано влияние термообработки на сопротивление квадрата пленки низкоомной композиции НГ, 'выполненной на
крезолоформальдегидном лаке К-212-01. Проводящие элементы пропускались через конвейерную печь, в которой поддерживалась температура 440—450° К. Длительность одного цикла термообработки составляла 24 мин. Изменяя число циклов термообработки, можно варьировать отношение сопротивлений основного и дополни
тельного слоев.
Последовательность технологических операций получения переменных резисторов с логарифмической функциональной характеристикой следующая. Сначала на изоляционную полосу на конвейере покрытий наносится дополнительный проводящий слой. Термообра-
ботка дополнительного слоя производится в конвейерной печи при температуре 448±5°К в течение 24 мин, в результате чего дополнительный слой полимеризуется. После нанесения на противоположную сторону полосы основного проводящего слоя заготовку подвергают двукратной термообработке при температуре 448±5°К в конвейерной печи. Затем производится вырубка проводящих элементов на штампах.
У полученных проводящих элементов измеряют сопротивления
основного и дополнительного слоев, что позволяет определить отношение этих сопротивлений.
Контакты на проводящих слоях создают путем нанесения компо
зиции, выполненной на смоле с
мелкодисперсным серебром. Контроль функциональной характеристики проводящего элемента производят измерением сопротивления всего элемента и сопротивлений в 4—5 точках по длине элемента.
После конструктивного оформления производят измерение основных параметров резистора и снимают его функциональную характеристику. На рис. 4.34 приведены функциональные характеристики переменных резисторов с номинальным сопротивлением
Рис. 4.34. Функциональные характеристики переменных резисторов с номинальным сопротивлением 220 омРис. 4.34. Функциональные характеристики переменных резисторов с номинальным сопротивлением 220 ом220 ом.
Рис. 4.34. Функциональные характеристики переменных резисторов с номинальным сопротивлением 220 ом
Рис. 4.34. Функциональные характеристики переменных резисторов с номинальным сопротивлением 220 ом
При использовании низкоомных композиций с сажей и графитом данный технологический
метод обеспечивает получение ре
зисторов с сопротивлением 200—250 ом. Если сопротивление дополнительного проводящего слоя выбрать 7?2 = 0,4—0,7 Ri, то резисторы будут иметь функциональные характеристики с максимумом при различных углах поворота подвижного контакта (ф/фп=
= 0,7—0,9).
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ РЕЗИСТОРЫ
Композиции на основе сажи и графита не обладают высокой термостойкостью, при температурах 420—430°К наступает заметное окисление проводящих компонентов. Кроме того, при использовании композиций на основе сажи и графита в переменных резисторах возникает большое переходное сопротивление между проводящим слоем и скользящим контактом, что вызывает необходимость увеличения контактного давления. Большое контактное давление в свою очередь приводит к увеличению силы трения между подвиж-
ним контактом и проводящим слоем и в конечном итоге ухудшает износоустойчивость резистора. Переходное сопротивление может меняться в широких пределах на различных участках проводящего слоя.
В связи с этим в последние годы для получения резисторов стали использовать композиции на основе металлов, которые дают возможность:
получать высокую стабильность характеристик в широком интервале температур (210—550°К);
получать гладкую, твердую поверхность проводящего слоя;
управлять величиной проводимости и ТКр в широких пределах путем изменения состава материала;
получать высокоомные проводящие слои при относительно большом сечении слоя.
Металлокерамические резисторы обладают рядом положительных особенностей: большой мощностью рассеяния, широким диапазоном номинальных сопротивлений при небольших размерах про- , водящего элемента, высокой износоустойчивостью, стойкостью к агрессивным средам и повышенной влажности.
По разрешающей способности металлокерамические резисторы значительно превосходят проволочные. Как известно, разрешающая 'Способность проволочного резистора — это отношение сопротивления одного витка к сопротивлению проводящего элемента. Следовательно, разрешающая способность зависит от диаметра провода, проводимости материала и конструктивного оформления проводящего элемента. Разрешающая способность однооборотных проволочных резисторов составляет 0,01—0,5%. Но эта величина далеко не всегда устраивает при конструировании электронной аппаратуры, поскольку она ограничивает линейность функциональной характеристики резистора.
Разрешающая способность металлокерамических резисторов •определяется размерами проводящих частиц, распределенных в связующем материале, и является практически бесконечно малой.
В качестве проводящих компонентов композиций используют металлы, которые не окисляются и не вступают в реакцию со связующими компонентами при повышенных температурах. Соотношения исходных компонентов этих композиций, используемых в технологии производства резисторов, приведены в табл. 4.4.
Кроме металлов, в состав композиции входят и другие компоненты. При введении нескольких долей процента окислов металлов (олова, молибдена, сурьмы) уменьшается переходное сопротивление между проводящим элементом и подвижным контактом.
Конструктивно металлокерамический резистор аналогичен обычным металлоокисным резисторам. На керамическое основание наносится композиция толщиной 0,01—0,1 мм.
Стекла, используемые в качестве связующего компонента, обладают высокой влагостойкостью и износоустойчивостью. При расплавлении они дают блестящую гладкую поверхность; методы их получения различны.
ТАБЛИЦА 4.4
Составы композиций для производства металлокерамических резисторов
Компоненты композиций
Составы композиций
1
2
3
4
5
6
Стекло
95,50
97,40
93,33
92,91
91,63
84,68
Золото
2,82
4,98
2,27
2,25
2,45
Палладий
1,62
—
—
3,65
3,60
2,32
Платина
—
2,25
1,46
—
—
—
Родий
0,03
0,07
0,04
0,05
0,05
0,05
Серебро
—
—•
—
0,76
2,12
10,26
Присадки
-—
0,28
0,19
0,36
0,35
0,24
Технологический процесс получения связующего компонента начинается с тщательного перемешивания исходных материалов. Далее смесь расплавляется в керамических тиглях и выливается в холодную воду для охлаждения. Высушенное стекло подвергают помолу до получения тонкого порошка с частицами размером не более 0,05 мм.
Для получения однородной композиции (порошок стекла, частицы металлов и летучую вязкую жидкость перемешивают в шаровых мельницах, в которых происходит и размельчение состава. Металл вводят в смесь часто в виде растворимого металлоорганического соединения, которое растворяют в соответствующем растворителе, например в эфирных маслах. Металл в такой смеси находится в коллоидной форме. При нагревании металлоорганические соединения разлагаются и металлические частицы остаются распределенными в стекле.
В смесь для повышения качества материала добавляют в виде растворимых металлоорганических соединений окислы олова, сурьмы, молибдена.
Полученные композиции наносят на изоляционные основания распылением через трафарет или методом шелкографии. После нанесения проводящего слоя заготовки сушат в проточном теплом воздухе и далее прокаливают в печи.
При прокаливании из смеси удаляются летучие и органические материалы, стекло расплавляется, образуя непрерывную пленку проводящего материала. Температура размягчения стекла обычно ниже температуры плавления проводящих компонентов.
Оптимальное значение температуры прокаливания устанавливают исходя из состава используемых компонентов, так как при низких температурах не возникает непрерывной стеклянной фазы, а -при слишком высоких температурах в материале могут возникнуть дефекты (пузыри, раковины), вызывающие агломерацию проводящих частиц. После охлаждения проводящий слой имеет блестящую поверхность и сохраняет конфигурацию, заданную при нанесении.
При изготовлении больших партий заготовок керамику в качестве связующего компонента и окислы металлов смешивают и подвергают помолу вместе с благородными металлами, которые находятся в виде растворимых соединений. Далее смеси нагревают при постоянном перемешивании для удаления летучих и органических материалов и разложения соединений металлов. Полученный материал подвергают дополнительному обжигу и размельчают до получения частиц размером менее 0,05 мм.
Частицы смешивают с соответствующим жидким связующим компонентом и наносят на изоляционное основание. При последующей термообработке на поверхности оснований образуется механически прочная проводящая пленка. В определенных местах для создания омических контактов на пленку наносят серебряную пасту, которая при обжиге превращается в слой серебра. К полученному слою с высокой проводимостью припаивают или плотно прижимают выводы.
Параметры металлокерамических резисторов ухудшаются постепенно, и они, как правило, не имеют такого дефекта, как обрыв обмотки, распространенного для проволочных резисторов. Металлокерамические композиции позволяют выполнять резисторы с заданным значением ТКС, которое можно регулировать в широких пределах.
. Технологический процесс производства резисторов поддается целиком автоматизации.
Металлокерамические резисторы работоспособны в цепях переменного тока в диапазоне мегагерц. Диапазон номинальных сопротивлений резисторов гораздо шире, чем у проволочных (от единиц ом до нескольких мегаом). Допустимое отклонение от номинального сопротивления составляет 5—10%; причем точность заданной величины номинального сопротивления можно довести до нескольких десятых долей процента.
Износоустойчивость металлокерамических резисторов значительно выше, чем у проволочных. Допустимое число циклов поворотов подвижной оси у проволочных резисторов составляет несколько миллионов, у металлокерамических 30—50 млн.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТР^ОБЪЕМНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Постоянные и переменные резисторы с объемными проводящими элементами обладают высокой перегрузочной способностью и надежностью, а также более высокой термостойкостью и влагостойкостью по сравнению с пленочными.
Как уже отмечалось, производство объемных проводящих элементов основано на использовании специальных пресс-порошков, состоящих из нескольких компонентов (проводящего, связующего и наполнителя).
Компоненты проводящей композиции смешивают в определенном процентном соотношении и подвергают помолу на шаровой мельнице. После помола барабаны снимают с шаровой мельницы; проводящую композицию выливают в подогретый до 420° К металлический сосуд и сушат в вытяжном шкафу при постоянном перемешивании. Загустевшую композицию помещают в сушильный шкаф для окончательного высушивания. Таким способом приготовляют низкоомные пресс-порошки.
Получение высокоомных пресс-порошков — более сложный процесс. Сначала производится спекание композиции (проводящего и связующего компонентов и наполнителя), помещенной в специальных трубках, под давлением в муфельных печах при температуре 1100—1120° К в течение 30 мин. Далее пермаллоевые трубки укладывают в камеры штампа и прессуют под давлением (5—6) X Х107 н!м2 в течение 8—10 мин. После этого композицию очищают от пермаллоя и размельчают с помощью пресса. Полученный пресс- порошок помещают в барабаны, добавляют растворитель в соответствии с объемом композиции и подвергают помолу на шаровой мельнице в течение 46—50 ч. Затем композицию сушат при постоянном перемешивании. Окончательное удаление растворителя из композиции производится в сушильном шкафу при температуре 400—430° К. Из полученного пресс-порошка формуется проводящий элемент постоянного резистора.
Повышенную термостойкость композиционного материала можно получить, если в качестве проводящего компонента использовать оксидную сурьмянооловянную пленку с добавлением цинка, индия или висмута, нанесенную на наполнитель путем пиролиза хлористых солей при температуре 800—1100° К- После создания на наполнителе оксидной пленки добавляют стеклянный флюс; полученный -состав тщательно перемешивают, наносят на керамическое основание и прессуют без защитной среды при температуре 1000— 1100° К- Изменяя проводимость оксидной пленки, получают резисторы с различными значениями сопротивления.
Композиции с повышенной термостойкостью можно получить также, используя в качестве проводящего компонента окись кадмия. При температурах 1200—1300° К окись кадмия обладает заметной растворимостью в борносвинцовых стеклах, что затрудняет получение композиций с заданной проводимостью. Поэтому в качестве связующего компонента -в композициях с окисью кадмия применяют борносвинцовокадмиевый состав, получаемый спеканием стекла, наполнителя и окиси кадмия при температурах 1170— 1200°К-
Высокоомные объемные резисторы (1—10 Мом) на основе окиси кадмия имеют хорошие электрические характеристики (э.д. с. шумов не более 5 мкв/в, ТКС не более 1 • 10~3 грасМ) и высокую стабильность.
В низкоомных термостойких резисторах объемного типа в качестве проводящего компонента используют карбид хрома. Проводящий пресс-порошок состоит из 28—40% карбида хрома, 40—50% 7* 195
борносвинцового стекла и 10—32% электрокорунда, являющегося ( наполнителем. Указанные компоненты подвергают помолу на ша- з ровой мельнице в течение 20 ч и далее горячим прессованием при ' температуре 1300—1400° К формуют объемный проводящий элемент. ТКС резисторов с проводящими элементами, выполненными на основе карбида хрома, не превышает 30- 10~4 гра^; изменение сопротивления за 400 ч работы при температуре 573° К не более 5,8%.
Наиболее распространенными постоянными объемными резисторами являются теплостойкие, влагостойкие резисторы ТЕО (рис. 4.35).
Рис. 4.35. Конструкции объемных постоянных резисторов ТВО: а — мощностью до 10 вт; б—более 10 вт; / — проводящая композиция; 2 — изоляционное основание; 3— защитный слой; 4— выводыРис. 4.35. Конструкции объемных постоянных резисторов ТВО: а — мощностью до 10 вт; б—более 10 вт; / — проводящая композиция; 2 — изоляционное основание; 3— защитный слой; 4— выводы
Рис. 4.35. Конструкции объемных постоянных резисторов ТВО: а — мощностью до 10 вт; б—более 10 вт; / — проводящая композиция; 2 — изоляционное основание; 3— защитный слой; 4— выводы
Рис. 4.35. Конструкции объемных постоянных резисторов ТВО: а — мощностью до 10 вт; б—более 10 вт; / — проводящая композиция; 2 — изоляционное основание; 3— защитный слой; 4— выводы
Формование проводящих элементов постоянных резисторов ТВО производится в специальной изоляционной оболочке из стеклокерамики, в состав которой входят борносвинцовый флюс (стек- лоэмаль) и корундовый микропорошок.
Технологический процесс получения стеклокерамики сводится к следующему. Борносвинцовый флюс и корундовый микропорошок смешивают в определенном процентном соотношении и подвергают j. помолу. После помола порошок просеивают через вибросито и за- Я тем перемешивают со связующими компонентами (с декстрином ж и льняным маслом) и растворителем до образования пластмассы.ж Из пластмассы изготавливают заготовки путем протяжки через Т мундштук или в специальных формах под давлением. После этого ‘ производится сушка заготовок и резка на трубки необходимых размеров. Для повышения механической прочности осуществляется обжиг трубок в печи при определенном температурном режиме.
При обжиге происходит удаление связующих компонентов — декстрина и масла. По окончании технологических процессов все трубки подвергаются визуальному контролю на отсутствие дефек- тов (трещин, раковин и т. п.).|
Для наполнения канала стеклокерамической трубки проводя- | щей композицией на свободный конец трубки, установленной на 1 металлическую подставку, накладывается бункер с композицией 'j так, чтобы отверстие бункера совпадало с каналом трубки.я
Заполнение канала трубки проводящей композицией происхо- Я дит при многократном возвратно-поступательном движении на- Я
бивной спицы. С целью уменьшения переходного сопротивления и улучшения контакта между выводом и композицией с торца трубок производится подбивка низкоомной композиции, содержащей до 50% порошкообразного серебра.
Наполнение трубок композицией для некоторых типов резисторов малой мощности осуществляется на специальных автоматах. Автомат набивки трубок проводящей композицией производит удаление с торцов проводящей композиции на глубину 1,8—2 мм и подбивку низкоомной композиции. Далее в торцы трубок вставляются выводы и осуществляется горячая прессовка при определенной температуре печи и штампа. Установка выводов и прессовка резисторов небольшой мощности производятся на специальных автоматах, снабженных устройствами для горячего прессования. После прессовки резисторы для замедления процесса остывания помещаются в глинозем, нагретый до 370—400° К, а затем охлаждаются до комнатной температуры и поступают на измерение параметров. Стабилизация электрических параметров объемных проводящих элементов проводится электрической тренировкой при повышенной мощности.
Т а Н Л И ТТ А 45
Параметры объемных композиционных резисторов
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния, в т
Номинальные сопротивления
- Предельное рабочее напряжение, 8
Размеры, мм
ом
,Мом
L
в
н
ТВ 0-0,125 ТВО-0,25 ТВО-0,5
0,125 ' 0,25
0,5
1
2
5
10
3
3
10
10
0,1 0,51 1 1
100
300
400
500
8 13,5 19 29,5
1,4
2,2
2,2 4
2,5
3,7
3,7
5
ТВО-1
ТВО-2
ТВО-5
10
27
27
1
1
1
750
- 1500
3000
36,5
77
112
5
9,5
10,5
6 11,5 15
ТВО-10
ТВО-20
ТВО-60
20
60
24
24
0,1
0,1
1400
2450
112
186
19,5
28 диаметр корпуса
22,5
47
СПО-0,15 СПО-0,5 СПО-1 СПО-2 СП4-1 СП4-2 СП4-3
0,15 0,5 1
2 0,5 1
0,25
100
100
47
47
100
47
100
1
4,7
4,7
4,7
4,7
4,7
4,7
100 250
350
600
250
350
150
9,8
16,5
21
28,5
13
21
12
Резисторы ТВО предназначены для работы в интервале температур 213—428° К в цепях постоянного, переменного тока и в импульсных режимах. Основные параметры резисторов приведены в табл. 4.5.
Номинальную мощность рассеяния резисторов, указанную в табл. 4.5, получают при температуре окружающего воздуха 358° К.
С увеличением температуры окружающего воздуха допускаемая электрическая нагрузка резисторов снижается по линейному закону и составляет 0,1 Рн при температуре 428° К.
Резисторы ТВО выпускают с отклонениями величины сопротивления от номинального значения на ±5; ±10; ±20%.
Температурный коэффициент сопротивления резисторов Не более ±18-10~4 град-'1; уровень собственных шумов не превышает 5 мкв/в для резисторов с сопротивлением свыше 100 ком.
Для аппаратуры, работающей при повышенной температуре, используют постоянные резисторы С4-1 с объемным проводящим элементом, защищенным стеклокерамической оболочкой.
Резисторы С4-1 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов в интервале температур от 208 до 623° К при относительной влажности до 98% и атмосферном давлении до 1,3 н}м2. Номинальная мощность рассеяния этих резисторов составляет 0,25; 0,5; 1; 2 вт; номинальные сопротивления— 10 ом—10 Мом, допускаемые отклонения величины сопротивления от номинального значения ±20%. Температурный коэффициент сопротивления резисторов С4-1 не более 14 •10—4 град-1; уровень собственных шумов не более 10 мкв^в.
Исследования различных материалов показали, что в качестве связующего компонента для объемых проводящих элементов наиболее целесообразно использовать борносвинцовые стекла, это обеспечивает проводящим элементам повышенную термостойкость и влагостойкость.
В пятидесятых годах в нашей стране была разработана серия переменных объемных резисторов СПО на основе неорганического связующего компонента (рис. 4.36).
В качестве проводящих компонентов композиции в резисторах СПО используют турбулентную (ламповую) и диффузионные газовые сажи; наполнителями служат микропорошки из плавленного белого электрокорунда (А12О3) марок КВК, КВ, К-1, которые обычно используют для изоляционного покрытия подогревателей катодов электровакуумных приборов. Изоляционные основания резисторов выполняют из керамического материала — стеатита СК-1.
Изоляционные основания с дугообразной канавкой, в которую насыпают слой пресс-порошка, устанавливают в кассеты. Кассеты на транспортере проходят через туннельную печь, затем осуществляется горячая прессовка проводящего элемента — в пресс-форме создается давление (5—6) • 106 hIm2 в течение нескольких минут.
После прессовки производится шлифовка проводящих элементов, в результате чего обеспечивается равномерное изменение сопротивления в зависимости от угла поворота оси, улучшается качество поверхности проводящего элемента и обеспечивается подгонка величины сопротивления к заданному номинальному значению.
Резисторы СПО по сравнению с пленочными резисторами СП имеют значительно меньшую плотность в проводящем элементе, лучшие условия рассеивания мощности, повышенную влагостой-
кость. Использование в качестве связующего компонента борно- свинцовых стекол обеспечивает высокую термостойкость резисторов СПО.
Нижний предел рабочих температур составляет 213° К для всех резисторов СПО, максимально допустимая температура (верхний предел рабочих температур) 353° К для резисторов СПО-0,15 и СПО-0,5, 423° К для резисторов СПО-1 и 403° К для резисторов СПО-2.
Рис. 4.36. Переменные объемные резисторы:Рис. 4.36. Переменные объемные резисторы:а —СПО-0,15; б—СПО-0.5; s —СПО-1; г —СПО-2; б —СП4-1 е —СП4-16; ж — СП4-1В; з —- СП4-3; и — СП4-2а; /с — СП4-26а —СПО-0,15; б—СПО-0.5; s —СПО-1; г —СПО-2; б —СП4-1 е —СП4-16; ж — СП4-1В; з —- СП4-3; и — СП4-2а; /с — СП4-26
Рис. 4.36. Переменные объемные резисторы:
Рис. 4.36. Переменные объемные резисторы:
а —СПО-0,15; б—СПО-0.5; s —СПО-1; г —СПО-2; б —СП4-1 е —СП4-16; ж — СП4-1В; з —- СП4-3; и — СП4-2а; /с — СП4-26
а —СПО-0,15; б—СПО-0.5; s —СПО-1; г —СПО-2; б —СП4-1 е —СП4-16; ж — СП4-1В; з —- СП4-3; и — СП4-2а; /с — СП4-26
Основные параметры резисторов СПО приведены в табл. 4.5.
Объемным резисторам СПО присущи общие недостатки композиционных резисторов: сравнительно большая зависимость сопротивления от приложенного напряжения и мощности, а также значительный уровень собственных шумов.
Активное сопротивление резисторов СПО существенно изменяется с увеличением частоты, вследствие значительного поверхностного эффекта при большом сечении проводящего элемента. Некоторые
типы резисторов СПО имеют недостаточную плавность функциональной характеристики в связи с неравномерным распределением проводящего компонента на поверхности элемента.
В шестидесятые годы были разработаны переменные резисторы СП4 с объемными элементами на основе проводящих пластмасс (рис. 4.37).
Проводящий элемент резисторов СП4 получают горячим прессованием композиции под давлением при температуре 430° К в течение нескольких минут.
Рис, 4.37. Конструкции переменных объемных резисторов:
/ — металлическая втулка; 2— резиновое уплотнение; 3 — пластмассовый щеткодержатель; 4—проволочная пружина; 5—контактная щетка; 6 — проводящий элемент; 7— основание; 8 — компаунд; 9—токосъемник; 10 — выводы; 11— теплоотводящее кольцо; 12 — корпус
В состав проводящей композиции входят следующие компоненты: смола, графит, -сажа, молекулярное серебро, стеарат кальция, уротропин. Для увеличения проводимости композиций, используемых в низкоомных резисторах, в их состав в определенном процентном соотношении вводится молекулярное серебро. Контроль композиций производится пробной прессовкой проводящих элементов.
Получение проводящих элементов осуществляется на -специальном приспособлении, основными элементами которого являются бункеры и пресс-форма. По краям подковообразной пресс-формы расположены бункеры с гранулированным пресс-порошком композиции. При вращении ручки пресс-формы бункеры поочередно надвигаются на пресс-форму, заполняя ее композицией. На краях пресс-формы имеются -свободные участки, на которые надвигают бункеры -с низкоомной контактной композицией на основе молекулярного серебра.
Полученный проводящий элемент впрессовывается в пластмассовое основание резистора и для защиты от воздействия внешней
среды заготовка помещается в корпус, заливаемый с торца компаундом на основе эпоксидной смолы.
Интервал рабочих температур резисторов СП4-1 от 210 до 400° К, допускается эксплуатация резисторов при относительной влажности воздуха до 98% (при 310° К) и атмосферном давлении до 6,7 н!м2.
В настоящее время в технологии производства переменных резисторов широко применяют слоистые пластики — гетинакс или стеклотекстолит, — из которых обычно выполняют изоляционные основания.
При изготовлении гетинакса специальную электротехническую бумагу, являющуюся наполнителем, пропитывают связующими бакелитовыми смолами и прессуют при определенных давлениях и температуре. В результате прессования смола склеивает листы бумаги и дополнительно пропитывает их, чем достигается однородность диэлектрических свойств листа.
Введение в смолу проводящих компонентов позволяет получить проводящий гетинакс, из которого обычными технологическими приемами изготовляют проводящие элементы .
Технология получения проводящего гетинакса аналогична технологии получения обычного изоляционного гетинакса. Для пропитки, которая производится на специальных пропиточных машинах с инфракрасным обогревом, применяют электроизоляционную бумагу ИП-50, ИП-63 или ИП-75.
После пропитки осуществляется сборка листов в пакеты. Количество листов в пакете определяется заданными толщиной и величиной сопротивления получаемого гетинакса. Изменяя количество листов в пакете, можно менять сопротивление получаемых проводящих элементов. Пакеты пропитанной бумаги помещаются в пресс. Режим прессования проводящего гетинакса определяется маркой смолы, используемой для пропитки, толщиной пакета и т. п.
Изготовление проводящего слоистого гетинакса толщиной 0,2— 0,8 мм производится прессованием в многоэтажных гидравлических прессах или на специальных станках, обеспечивающих непрерывное получение пластика.
Одна из схем станков для непрерывного получения проводящего гетинакса приведена на рис. 4.38.
Два барабана 1, расположенных параллельно, имеют электронагреватели 2, поддерживающие на их поверхности температуру 430—440° К. Барабаны связаны лентой из нержавеющей стали 3 длиной 20 м. Необходимое натяжение ленты, когда она намотана на один из барабанов, создается валом 4 от гидравлической системы 5. С помощью привода станка, сняв давление в гидросистеме, начинают сматывать стальную ленту на другой барабан.
Пропитанная композицией бумага подается в зазор между лентой и барабаном, а затем между слоями лент. Прессование ленты гетинакса производится путем подачи на вал 4 давления с выдержкой в течение нескольких минут. Далее стальную ленту перематывают на другой барабан, гетинакс подается наружу, а пропитанную бумагу переводят под ленту другого барабана.
Такой станок обеспечивает высокую производительность и получение материала хорошего качества.
Полученный гетинакс разрезается на полосы шириной 17— 18 мм, из которых на прессе вырубают подковообразные проводящие элементы резисторов. Для получения омических контактов на концы элементов наносится низкоомная серебряная композиция.
После покрытия серебряной композицией проводящие элементы подвергают термообработке в конвейерных печах для полимеризации контактного слоя. Затем осуществляют измерение сопротивления проводящего элемента и установку его в конструкцию.
От гидронасоса-Рис. 4.38. Схема станка для полу-чения проводящего гетинакса:/ — барабан; 2 — электронагреватели;3— лента из нержавеющей стали; 4 —натяжной вал; 5 — гидравлическая си-стема; 6 — рулон бумаги, пропитаннойкомпозициейОт гидронасоса-Рис. 4.38. Схема станка для полу-чения проводящего гетинакса:/ — барабан; 2 — электронагреватели;3— лента из нержавеющей стали; 4 —натяжной вал; 5 — гидравлическая си-стема; 6 — рулон бумаги, пропитаннойкомпозициейОбъемные переменные резисторы, полученные таким образом, имеют номинальные сопротивления 1 ом—1 Мом. Температурный коэффициент сопротивления резисторов при 210—350° К не более 6-10~4 град-'. Начальный скачок сопротивления не превышает 15%.
От гидронасоса-
Рис. 4.38. Схема станка для полу-чения проводящего гетинакса:
/ — барабан; 2 — электронагреватели;3— лента из нержавеющей стали; 4 —натяжной вал; 5 — гидравлическая си-стема; 6 — рулон бумаги, пропитаннойкомпозицией
От гидронасоса-
Рис. 4.38. Схема станка для полу-чения проводящего гетинакса:
/ — барабан; 2 — электронагреватели;3— лента из нержавеющей стали; 4 —натяжной вал; 5 — гидравлическая си-стема; 6 — рулон бумаги, пропитаннойкомпозицией
Изменение сопротивления резисторов после выдержки в течение 96 ч при относительной влажности 85±5% и температуре 300° К не превышает 5%’.
Сопротивления резисторов, находящихся под электрической нагрузкой, после воздействия 15 тыс. циклов поворотов подвижной системы изменяются на 1,5—3%, что свидетельствует о высокой износоустойчивости проводящего элемента. Изменение сопротивления резисторов после воздействия трех температурных циклов от 230 до 350°Кне превышает 4%. Интенсивность отказов резисторов при испытании в течение 1000 ч не более 10-5 ч-1.
Переменные резисторы с объемным проводящим элементом обладают более высокой износоустойчивостью и перегрузочной способностью по сравнению с пленочными, а также невысокой стоимостью. Использование проводящих пластиков позволяет получать резисторы с весьма низкими номинальными значениями сопротивления (до 1 ол/). Объемные резисторы на основе проводящего пластика предназначаются для аппаратуры общего назначения.
РЕЗИСТОРЫ ДЛЯ ПЕЧАТНЫХ СХЕМИ МИКРОМОДУЛЕЙ
Микроминиатюризация электронной аппаратуры обусловила создание серии композиционных миниатюрных резисторов, предназначенных для печатных схем и микромодулей. В малогабаритных устройствах на транзисторах резисторы устанавливают в вертикальном положении, что значительно улучшает использование рабочего объема конструкции. Кроме того, композиционные рези
сторы, выполняемые для печатного монтажа, имеют выводы, направленные в одну сторону. Конструкции резисторов для вертикального печатного монтажа показаны на рис. 4.39. Наиболее характерной является конструкция в
Рис. 4.39. Конструкции композиционных резисторов с однонаправленными выводамиРис. 4.39. Конструкции композиционных резисторов с однонаправленными выводамивиде прямоугольного параллелепипеда, состоящая из двух стеклянных изоляционных оснований, покрытых слоем композиции (рис. 4.39). Выводы
Рис. 4.39. Конструкции композиционных резисторов с однонаправленными выводами
Рис. 4.39. Конструкции композиционных резисторов с однонаправленными выводами
и проволочная скоба, соединяющая элементы, укреплены с помощью проводящего клея (контактола). Элементы конструкции
опрессованы термореактивной смолой.
В последние годы разработаны композиционные микромодуль-
Рис. 4.40. Миниатюрные композиционные резисторы: а — микромодульиого типа; б — д — таблеточного типа; / — проводящий слой; 2 — выводыРис. 4.40. Миниатюрные композиционные резисторы: а — микромодульиого типа; б — д — таблеточного типа; / — проводящий слой; 2 — выводыные резисторы, выполняемые на стандартных керамических платах (рис. 4.40, а). Слой композиции наносят на керамическую плату различными технологическими методами: пульверизацией, печатным способом или шелкографией.
Рис. 4.40. Миниатюрные композиционные резисторы: а — микромодульиого типа; б — д — таблеточного типа; / — проводящий слой; 2 — выводы
Рис. 4.40. Миниатюрные композиционные резисторы: а — микромодульиого типа; б — д — таблеточного типа; / — проводящий слой; 2 — выводы
Предварительно на плате вжиганием создают контактные электроды из серебра или золота, соединенные с какой-либо парой луженых пазов. Подгонку величины сопротивления резисторов к заданному номинальному значению производят термообработкой или механическим путем, создавая прорези на проводящем элементе.
Основные параметры микромодульных композиционных резисторов, выполняемых на керамических платах, приведены в табл. 4.6.
ТАБЛИЦА 4.6 Параметры микромодульных композиционных резисторов
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния, в тпри 343° К
Номинальные сопротивления
Предельное рабочее напряжение, в
Размеры, мм
ом
Мом
L
d
СЗ-2
0,05
10
10
30
1,5
2,7
СЗ-2
0,05
10
10
30
1,5
1,7
СЗ-З
0,025
150
10
30
3
0,1-0,45
СЗ-З
0,125
100
3,3
80
6
0,1-0,45
СЗ-4
0,25
10
3,3
120
Ю
0,35
На рис. 4.40, б—д показаны резисторы таблеточного типа. Спиральную форму проводящего элемента получают благодаря использованию специального керамического основания со спиральным желобком на поверхности. После нанесения композиционной пленки поверхностный слой шлифуется. Таким образом создается проводящая спираль. Ширина спирали регулируется глубиной шлифовки. Приведенная на рис. 4.40, г конструкция используется для низкоомных и высокочастотных резисторов. Изменение сопротивления в этой конструкции достигается созданием продольной нарезки с регулируемой шириной прорези. Торцы резистора обычно металлизированы. Такие резисторы устанавливают в изоляционные отверстия микромодульных плат. Присоединение к выводам платы осуществляют с помощью низкоомного серебряного контактола или путем пайки соединительных лепестков к металлизированным концам.
Композиционные резисторы в виде нитей и пластинок, показанные на рис. 4.41, предназначены для наклейки или впайки в соответствующие места печатных схем. Ниточные резисторы (рис. 4.41, а) выполняют обычно на основе лакосажевых композиций. При получении резисторов СЗ-З композиционная пленка наносится непрерывно на нить из стекловолокна диаметром от 50 до 300 мкм. В зависимости от диаметра нити из одного и того же состава композиции можно получить резисторы с различным номинальным значением сопротивления. Для уменьшения разброса параметров проводящих элементов на изоляционное основание наносится несколько проводящих слоев (до 10). После термообработки пленки нить разрезается на отрезки длиной 3—6 мм. Концы элементов по-
крываются контактным клеем, который также подвергается термообработке.
Укрепление резисторов в схеме осуществляется контактолом. Ниточные резисторы иногда наклеивают на стандартную керамическую плату, как показано на рис. 4.41, б.
б)б)
б)
б)
Рис. 4.41. Ниточные и пластинчатые резисторы
Ниточные резисторы просты в изготовлении, имеют малые размеры; недостатком их является наличие клеевого контакта, усложняющего сборку и увеличивающего возможность отказа. Пластинчатые резисторы, показанные на рис. 4.41, в, выполняют на тонких керамических пластинках различной формы.
Глава пятая
ПРОВОЛОЧНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Проволочные резисторы до 1915—1917 гг. являлись единственным типом резисторов и применялись в радиосхемах для регулировки смещения детекторов.
Несмотря на появление различных типов непроволочных резисторов по-прежнему требуется очень большое количество разнообразных проволочных резисторов: мощных, достаточно точных и стабильных.
Поэтому продолжается как совершенствование имеющихся, так и создание новых проволочных резисторов. Однако объем производства проволочных резисторов уступает общему объему производства металлопленочных, углеродистых и композиционных резисторов, обладающих высокими номиналами, малыми размерами и хорошими частотными свойствами.
Постоянные и переменные проволочные резисторы используются в радиоэлектронной аппаратуре, различных системах автоматического управления и регулирования, в электрооборудовании транспорта и электроизмерительной технике.
Элементы конструкций проволочных резисторов выполняют из термостойких и влагостойких материалов, что обеспечивает их работоспособность при высоких температурах и повышенной влажности.
Проволочные резисторы имеют высокую стабильность электрических характеристик, малый температурный коэффициент сопротивления, незначительный уровень собственных шумов; выполняют их с повышенной точностью (с допуском в десятые-сотые доли процента).
Создание микропроволочных резисторов стало возможным благодаря успехам микрометаллургии — нового направления в отечественной технике, которое успешно развивается с начала пятидесятых годов. Методами микрометаллургии получают микропровод в стеклянной изоляции для резисторов, трансформаторов и реле, микропрофили твердых и хрупких металлов, не поддающихся обработке давлением, микродетали для различных приборов и радиокомпонентов.
Технологические принципы производства микропровода в стеклянной изоляции были разработаны в пятидесятых годах группой инженеров под руководством А. В. Улитовского.
Микропроволочные резисторы, выпускаемые отечественной промышленностью, обладают хорошей стабильностью параметров, повышенной точностью и малыми габаритами.
К недостаткам проволочных резисторов можно отнести значительные индуктивность и емкость, ограничивающие их использование в цепях высокой частоты, а также сравнительно высокую стоимость.
В счетно-решающих устройствах, системах автоматики и измерительных мостовых схемах применяют прецизионные переменные' проволочные потенциометры, которые по конструктивному оформлению и характеристикам близки к переменным резисторам. Обычно потенциометры используют в качестве датчиков линейных и угловых перемещений, преобразуя последние в соответствующие электрические сигналы.
К потенциометрам предъявляется ряд дополнительных требова-. ний: получение различных функциональных зависимостей сопротивления от угла поворота, обеспечение малого допустимого отклонения от заданной функциональной характеристики, жесткие допуски по основным электрическим и механическим характеристикам.
,§ 5.2. СОСТАВ, СВОЙСТВА
И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ
В качестве проводящего элемента проволочных резисторов используют проволоку, изготовленную из различных сплавов.
Эти -сплавы характеризуются удельным -сопротивлением, температурным коэффициентом сопротивления, термо-э. д. с. относительно меди, плотностью, пределом прочности при растяжении. Они должны обладать высоким удельным сопротивлением, достаточной, механической прочностью, гибкостью и термостойкостью, способностью протягиваться в проволоку диаметром порядка -сотых долей миллиметра.
Температурный коэффициент сопротивления сплавов должен быть низким, чтобы изменение сопротивления резистора в интервале рабочих температур было незначительным.
Сплав обычно состоит из нескольких металлов, взятых в определенном процентном соотношении. Удельное сопротивление металлов, как известно, определяется концентрацией носителей заряда п (электронов), их средней длиной свободного пробега Хор:
Н Хе2П2'зХср ’
где е — заряд электрона; А —постоянная .Планка; К — числовой коэффициент.
Концентрация носителей заряда (электронов) в металлах при изменении температуры остается практически постоянной, поэтому Удельное сопротивление определяется зависимостью длины свободного пробега от температуры. Увеличение температуры приводит к увеличению амплитуды колебаний атомов, нарушению периодичности решетки. Движение электронов рассматривается обычно, как распространение электронной волны, вероятность рассеяния кото-
рой при взаимодействии с колеблющимся полем решетки пропорциональна квадрату амплитуды колебаний атомов и, следовательно, температуре. Средняя длина свободного пробега электронов обратно пропорциональна вероятности рассеяния электронной волны и, соответственно, температуре. При увеличении температуры средняя длина свободного пробега уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.
В определенном интервале температур, когда допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости, удельное сопротивление при некоторой температуре Т можно записать в следующем виде:
Рг-Р011+(ТКр)дЛ,
где ро — удельное сопротивление при начальной температуре То; ДТ—разность температур.
Средний температурный коэффициент удельного сопротивления в данном интервале температур
ТКрТКрРу РОр0АГРу РОр0АГ
ТКр
ТКр
Ру РОр0АГ
Ру РОр0АГ
Температурный коэффициент сопротивления металлов положителен и мал по абсолютной величине. Наличие примесей в металле приводит к искажению кристаллической решетки и увеличению его удельного сопротивления.
Удельное сопротивление металла можно рассматривать как сумму сопротивления чистого металла рм и сопротивления, обусловленного примесями рп и не зависящего от температуры:
Р — Рм + Рп-
При низких температурах удельное сопротивление металлов в основном определяется сопротивлением, обусловленным примесями. При температурах, близких к температуре абсолютного нуля, сопротивление металлов резко падает вследствие возникновения явления сверхпроводимости.
В технологии производства проволочных резисторов наиболее широко применяют такие сплавы, как манганин, константан и нихром. Состав и свойства сплавов с высоким удельным сопротивлением приведены в табл. 5.1,
В марках сплавов буквы означают основные компоненты: Н — никель, X— хром, Ю — алюминий, Т — титан, а цифры — их процентное содержание.
Манганин можно легко получить в виде тонкой проволоки диаметром 0,02 мм. Малый температурный коэффициент сопротивления и повышенная стабильность сопротивления во времени достигается путем термической обработки манганина — отжигом при температуре 650—850° К в вакууме с последующим медленным охлаждением. Зависимости р и ТКр манганина от температуры приведены на рис. 5.1.
эиивьэиийц
L—.cocoiЛ2
532изчакичЛч
в55s0вSs"я* ®
-.»!« 4-01 • dS иинэжвлэвй иап шэониойи сэЕэйц
0 e00
II112 S
QDd2!9«W
‘HV9W оня^алиэ
-OHIO •□•ve-owdsx
। 11111
s
По ‘BdXiBd
-ЭИНЭХ BBhOQBd BEW -hioAhov oHWYadjj
00
Xe
Xe
$
Xc
О*
О.®
яS
O«
иe
v-ot>d2 ‘dax
rJттXt
2 X2 24*0
:J,।1|=°
S u
3 X
=:
EC
>>
X X о
3 X
wwo ‘»0l ^ энное*
-яиюёноэ эонягэ^д
5 S4 *t*°-
7 f7 77 7
A00M CO
twj2M ‘naoHioiru
co 0008О 5
Soco
о
£
।*ООО О
и
3
X
5
—ю IQ
11III I
CO, V
о
ей св
SQ
Ilл d2 8
X
o———
5”2
2||00
1
S
5
Q
03 08 cd
g
Я
S s
X
XйXLOO5й
E § s 3 X X § G X X s £ £X
Константан более термостоек по сравнению с манганином, используется в конструкциях, рабочая температура которых не превышает 700—730° К- При нагреве до высоких температур на (поверхности константана образуется пленка окислов, обладающих электроизоляционными свойствами, что позволяет в ряде конструкций производить намотку виток к витку, если напряжение между ними не превышает 1 в.
Константан обладает большой термо-э. д. с. в контакте с медью или железом. Поэтому резисторы с проводящим элементом, выпол
ненным из константана, не приме
Рис. 5.1. Зависимость удельного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления манганина от температуры
няют в точных измерительных схемах, так как возникающие э. д. с. могут вызвать значительное увеличение погрешности измерения.
Хромоникелевые сплавы (нихромы) используют для получения проводящих элементов с повышенной термостойкостью.
Нихром отличается значительной стойкостью к окислению на воздухе при высоких температурах. В результате нагрева на его поверхности образуется защитный слой устойчивых окислов №0, Сг20з с температурным коэффициентом линейного расширения, близким к температурному коэффициенту расширения сплава. При резких изменениях тем
пературы происходит частичное разрушение слоя окислов, кисло
род проникает в трещины, вызывая дополнительное окисление спла- 5 ва в местах разрушения. Поэтому при многократных кратковре- : менных включениях проводящего элемента, выполненного из них- ?
рома, под нагрузку его срок службы значительно меньше, чем при а непрерывной электрической нагрузке.j
В состав константана и нихрома входит большое количество I
дорогого металла — никеля. В некоторых случаях меняют более дешевым — фехралем, основными
эти
сплавы
компонентами
которого являются железо, хром и алюминий. По сравнению с нихро- * мом данный сплав более твердый, хрупкий и с трудом вытягивается в проволоку малого диаметра.
Одним из основных требований к сплавам, применяемым в тех
нологии производства резисторов с повышенной точностью, являет-?’ ся высокая стабильность сопротивления во времени.?
Старение манганиновой проволоки сопровождается обычно уве-' личением проводимости. Изменение сопротивления манганиновой.
проволоки происходит вследствие перераспределения водорода в сплаве при различных температурах с течением времени, а также вследствие образования окисной пленки на поверхности. Содержание водорода в сплаве может оказаться весьма значительным, так
как при выплавке используются электролитические металлы (медь, никель, марганец).
Стабильность сплавов, применяемых для производства точных резисторов, можно повысить следующим образом:
предотвращением попадания водорода в сплав в процессе выплавки и обработки;
ультразвуковой обработкой сплава и пропусканием тока, большой плотности;
удалением водорода из сплава термической обработкой в среде инертного газа, выдержкой в масле;
предотвращением поверхностного окисления в процессе эксплуатации и т. п.
В последние годы разработаны микропровода диаметром 1 мкм и более из различных сплавов и металлов (табл. 5.2).
В качестве изоляции микропровода применяют свинцовобороси- ликатные стекла типа «нонекс» и «пирекс», состоящие из следующих основных компонентов: А12О3, SiO2, Na2O, В2О3.
Получение микропроводов в стеклянной изоляции основано на свойстве стекла обладать пластичностью в широком диапазоне температур, что позволяет из широкой стеклянной трубки получить капилляр, и на свойствах жидких металлов кристаллизоваться, принимая форму капилляра. Создание металлической жилы и одновре-/ менное покрытие ее стеклянной изоляцией осуществляется на специальных установках.
Вытяжка микропровода производится из резервуара, представляющего собой стеклянную запаянную трубку, на дне которой по-, мещен расплавленный металл. Расплавление металла осуществляется токами высокой частоты от индукционной микропечи. Вязкость стеклянной оболочки противодействует силам, выталкивающим металл из поля, которые возникают при взаимодействиях вихревых токов в металле с магнитным полем индуктора. Чтобы под действием силы тяжести металл не отрывался от стеклянной трубки, в последней создается пониженное давление воздуха. Если стеклянную трубку, припаяв ко дну резервуара, перемещать вниз, то стенки стеклянной оболочки растягиваются, образуя капилляр, который заполняется металлом.
В данном технологическом процессе важно строгое соблюдение определенного температурного режима, который обеспечивает стек-, лянной массе вязкость, необходимую для вытягивания капилляра с заданными геометрическими размерами. Вытягивание капилляра производится специальным механизмом, обеспечивающим намотку готового провода на приемный барабан. Схема установки для получения микропровода показана на рис. 5.2.
К основным достоинствам микропровода можно отнести: гладкость металлической жилы и изоляции, отсутствие изломов и трещин, высокие электроизоляционные свойства, повышенные термостойкость и влагостойкость, возможность получения провода с очень малым диаметром, что позволяет конструировать различные изделия в миниатюрном исполнении.
Характеристики микропровода
Материал жилы микропровола
Медь
Серебро
Никель
Манганин
Сплав 60 НГХ
Сплав 63 НГХ
Диаметр по жиле, мк . . ., .•
10—200
10-70
3—20
3-20
3—20
3-20
Диаметр по изоляции, мк
18—280
20-105
10-32
15-26
12—35
12—35
Сопротивление метра микропровода, ом
—
.—
—
55000—2000*
180000—6000*
180000 — 5000*
Интервал рабочих температур, “К. . S Пробивное напряжение изоляции:
213—673
213—673
213—673
213-353
213—473
213-473
в нормальных условиях, в (не менее)
1000—3000*
1500—2000*
1000-1500*
750
800
800
при максимальной рабочей температуре, в (не менее) .
250—350*
- 250-350*
250-300*
250—500*
250-500*
250-500*
Температурный коэффициент сопротивления, град-1 (не более) .
—
—
±6-10-5
±5-10-5
±5-10-5
Термоэлектродвижущая сила в. паре с медью, мкв]град (не более) . . , .
—
—-
5
2
3
Разрывное усилие, г (не менее) .
15—250*
20-200*
4-20*
5-9*
4-25*
4—25*
Отношение допускаемого диаметра намотки к диаметру провода .
150
150
150
150
150
150
Основные характеристики микропроводов
ТАБЛИЦА 5.2
• Первое число относится к проводу меньшего диаметра, второе — к проводу большего диаметра.
ю to
Изоляционные основания переменных проволочных резисторов часто выполняют из термостойких волокнистых материалов (стеклопластиков). Один из видов стеклопластиков — пресс-материал АГ-4В — представляет собой термореактивный волокнистый материал, полученный из стеклянного волокна и модифицированной фенолоформальдегидной смолы.
Пресс-материал АГ-4В предназначается для изготовления конструкционных изделий повышенной прочности, работающих в течение продолжительного времени при температурах до 470° К и кратковременно при температурах до 520° К-
Основные свойства стеклопластика, изготовленного
из пресс-материала АГ-4В
Удельное электрическое сопротивление: поверхностное .1010—1011 ом
объемное 1010 ом-м
Теплостойкость по Мартенсу 550°К
Диэлектрическая проницаемость при 106 гц8
Тангенс угла диэлектрических потерь при
10s гц . . 0,05
Электрическая прочность 107 в/м
Плотность 1700—1800 кг]я?
Предел прочности 5п-10~6, н/м2: при статическом изгибе. . ' 1000
при сжатии 1300
при растяжении 800
Содержание связующего 38±2 вес. %
Для крепления витков проволоки к каркасу и улучшения его изоляционных свойств применяют кремнийорганический лак К-47. Этот лак используют и для электроизоляционных, термостойких покрытий, обеспечивающих работу при температуре до 470° К. Удельное объемное сопротивление пленки лака составляет 1013— 1014 ом • м, средняя пробивная напряженность электрического доля 70— 80 Мв[м.
Одним из важных элементов конструкции переменного резистора является контактная пружина.
В связи с тем, что критерием отказа резистора, кроме изменения полного сопротивления, является также потеря проводимости через подвижный контакт, к материалам подвижного контакта предъяв- . ляются следующие требования:
обеспечение малого по величине и стабильного по времени переходного сопротивления;
постоянство упругих -свойств при широком диапазоне рабочих температур;
стойкость к коррозии;
высокая проводимость и теплопроводность;
высокая износоустойчивость.
Материал подвижного контакта и его Давление должны быть такими, чтобы обеспечивался минимальный износ пары контактная щетка — проводящий элемент и сохранялись необходимые параметры при эксплуатации резистора.
Чтобы обеспечить надежную работу резистора в широком интервале рабочих температур для элементов конструкции выбирают материалы, имеющие идентичные температурные коэффициенты линейного расширения.
При изготовлении корпуса проволочного резистора выбирают материалы с хорошей теплопроводностью для интенсивного отвода тепла, выделяющегося в проводящем элементе. Конструкции корпусов, предназначенные для работы в условиях тропического климата, изготавливают из алюминиевого сплава АМГ, обладающего при оксидировании высокой стойкостью против коррозии.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫПОСТОЯННЫХ РЕЗИСТОРОВ
Намотку провода на изоляционные каркасы производят на специальном оборудовании, позволяющем регулировать натяжение провода и устанавливать необходимый шаг намотки.
Микропровод наматывают на каркас с помощью специальных станков с принудительной раскладкой микропровода, широким диапазоном скоростей и плавным пуском.
Полый алюминиевый барабан, с которого сматывается провод, приводится во вращение основным и вспомогательным электродвигателями. Скорость вращения электродвигателей регулируется датчиками (индуктивным, емкостным или оптическим), механически связанными с регулируемым пружинным натяжным приспособлением. При изменении установленного натяжения провода на вход усилителя поступает соответствующий сигнал и электродвигатель изменяет скорость вращения барабана с микропроводом.
Диаметр каркаса, при котором гарантируется сохранность стеклянной изоляции, Z?q=j150 d, где d— диаметр микропровода в изоляции. Указанное соотношение справедливо лишь при намотке
наиболее тонких проводов.
С уменьшением диаметра каркаса чаще могут возникнуть дефекты намотки. Повреждения в микропроводе можно обнаружить путем погружения его в водный раствор фенолфталеина. При этом на проводящую жилу подается отрицательное напряжение и по окраске раствора устанавливаются дефекты изоляции до появления
видимых трещин.
При уменьшении толщины стеклянной изоляции повышается ее эластичность, что позволяет производить намотку на изоляционные
основания с меньшим диаметром.
При диаметрах микропровода в 250—300 мкм силы упругости стремятся раскрутить микропровод, поэтому необходимо снять на-, пряжения в стекле. Для снятия напряжений в стекле при намотке проводят разогрев до температуры размягчения стекла, что позволяет получить изделие желаемой формы без разрушения изоляции, а также осуществлять в ряде случаев бескаркасную намотку, не при
меняя склеивающих веществ.
Бескаркасное изготовление резисторов на основе микропровода заключается в следующем. Каркас, на который наматывается, микропровод, выполняют разъемным, обеспечивая снятие микропровода после намотки, или из материала, который в дальнейшем разрушается при помещении в растворитель.
Способы горячей намотки микропровода различны в зависимости от его диаметра.
При намотке тонкого микропровода, у которого величина разрывного усилия соизмерима с натяжением, предварительный нагрев микропровода может вызвать его разрушение. Поэтому холодный провод наматывают на каркас, нагретый до температуры размягче-. ния стекла.J
При намотке толстого микропровода разогревают его и каркас-1 до температуры размягчения стекла.-J
Современные намоточные станки позволяют производить одно- 1 слойную и многослойную намотку с помощью быстродействующих 1 электромагнитных реверсирующих устройств, изменяющих направ- j ление укладки обмотки.|
Важным требованием, предъявляемым к проволочным резисто- si рам является, как известно, сохранение их характеристик в течение длительного времени.
Причинами нестабильности характеристик резисторов являются напряжения, возникающие в процессе намотки микропровода, структурные изменения в металле, изменения свойств стеклянной изоляции в условиях повышенной температуры и влажности.
Горячая намотка способствует искусственному старению резне-1 тора, позволяет уменьшать изменение его сопротивления при эксплу-Д атации.1
Полное снятие механических усилий и деформаций, а также прочих неоднородностей по всему объему микропровода повышае! стабильность резисторов. С этой целью микропроволочные резисторы подвергают искусственному старению при повышенной температуре. Чтобы при охлаждении от температуры искусственного старения (650—800° К) до комнатной температуры не возникали механические напряжения и для обеспечения надежной работы резистора Я в широком интервале температур, каркасы резистора с повышен- Я ной точностью выполняют из материалов с температурными коэф- Я фициентами линейного расширения, идентичными температурным Я коэффициентам линейного расширения микропровода.1
При изготовлении проволочных резисторов очень важна подгонка величины сопротивления к номинальному значению, что осущест- 5 вляется путем снятия части обмотки, а также в процессе старения, ’ при повышенной электрической нагрузке или температуре.
Защиту проводящих элементов от климатических и механиче- I ских воздействий часто осуществляют эмалевыми покрытиями.
Эмали, применяемые в технологии производства резисторов, ■ состоят из следующих компонентов: борной кислоты, плавикового шпата, кальцинированной соды, перекиси марганца и др. Повыше-
ине нагревостойкости и термостойкости эмали достигается добавлением кварцевого -песка.
Составленная из перечисленных материалов шихта сплавляется при температуре 1250—1300° К, а затем охлаждается в холодной воде. Образующиеся при этом кристаллы эмали высушивают и подвергают помолу на шаровой мельнице. Порошок, полученный после помола, просеивают, потом равномерно насыпают на поверхность резистора, нагретую до температуры 850—1000° К- Далее резисторы поступают в печь, где при расплавлении порошка эмали образуется остеклованный слой. Этот слой -создает изоляцию между отдельными витками обмотки, защищает обмотку от механических повреждений, влаги, а также препятствует ее окислению при рабочих температурах порядка 550° К.
При другом способе нанесения эмали исходным материалом служит жидкая паста (раствор порошка эмали в воде). Нанесение пасты производится на установках, состоящих из транспортера со специальными зажимами, исключающими попадание пасты внутрь трубки каркаса, ванны с пастой и печи для сушки и расплавления пасты.
В производстве проволочных резисторов с регулируемым сопротивлением на часть поверхности проводящего элемента, которую необходимо оставить без эмалевого покрытия, наносят пасту на основе каолина, которая защищает поверхность от остеклования. После обжига этот слой удаляется механическим путем.
Конструкции резисторов, в которых проводящие элементы для защиты от воздействия внешней среды покрыты стеклоэмалью, отличаются высокой механической прочностью, обеспечивающей им надежную работу в широком интервале вибрационных и ударных нагрузок.
Технологический процесс покрытия стеклоэмалью сложен и трудоемок, требует высоких температур. В процессе покрытия стеклоэмалью крепление высокоомного провода на каркасе ослабляется вследствие его расширения; при этом расплавленная стеклоэмаль может стянуть ослабленные витки, вызывая их частичное замыкание.
Стеклоэмалевое защитное покрытие не обладает высокой влагостойкостью. При воздействии влаги в стеклоэмали происходят явления гидролизного характера. Вода, являясь хорошим растворителем, взаимодействует с силикатами калия и натрия, входящими в состав эмали. Щелочи, образовавшиеся при гидролизе, взаимодействуя с углекислым газом в окружающей среде, образуют карбонаты— на поверхности эмали возникает налет.
В последние годы для защиты проводящих элементов от внешней среды разработаны 'кремнийорганические материалы, которым не свойственны недостатки, присущие стеклоэмалям. Однако при их использовании несколько снижается механическая прочность изделий.
Конструктивное оформление постоянных проволочных резисто* ров в зависимости -от их использования весьма различно.
регулируемые)регулируемые)Наиболее распространенными постоянными проволочными рези- ) спорами являются ПЭ (эмалированные), ПЭВ (эмалирован-: ные, влагостойкие), ПЭВР (влагостойкие, (рис. 5.3, а, б, в).
регулируемые)
регулируемые)
В качестве изоляционных оснований для данных типов резисторов служат керамические трубчатые каркасы из талько-шамотной массы или ультрафарфора.
Выводы обмотки у резисторов ПЭ выполяют из медного гибкого провода, а у резисторов ПЭВ — из жестких латунных пластинок с отверстиями.
Рнс. 5.3. Конструкций резисторов ПЭ (а), ПЭВ (б) ПЭВР Ге) ПЭВТ (г)vРнс. 5.3. Конструкций резисторов ПЭ (а), ПЭВ (б) ПЭВР Ге) ПЭВТ (г)v
Рнс. 5.3. Конструкций резисторов ПЭ (а), ПЭВ (б) ПЭВР Ге) ПЭВТ (г)v
Рнс. 5.3. Конструкций резисторов ПЭ (а), ПЭВ (б) ПЭВР Ге) ПЭВТ (г)v
Резисторы ПЭВР являются разновидностью резисторов ПЭВ и отличаются наличием хомутика, который можно передвигать вдоль корпуса резистора, изменяя величину сопротивления. Для контакта хомутика с витками вдоль корпуса резистора имеется очищенная от стеклоэмали дорожка.
Крепление рассмотренных типов проволочных резисторов в аппаратуре осуществляют шпильками или болтами, пропускаемыми через отверстие керамической трубки. В электрических цепях с напряжением свыше 500 в переменного тока применяют дополнительную изоляцию в местах крепления.
Проволочные резисторы ПЭ, ПЭВ, ПЭВР имеют диазапон рабочих температур 213—430° К. Резисторы ПЭВ и ПЭВР предназначены для эксплуатации в условиях с относительной влажностью до 98%, резисторы ПЭ — до 80%. -
Основные параметры резисторов ПЭ, ПЭВ и ПЭВР приведены в табл. 5.3.
Номинальной мощностью рассеяния резисторов ПЭ, ПЭВ, ПЭВР называют максимально допустимую мощность, которую резисторы могут рассеивать при температуре окружающей среды 313° К и атмосферном давлении 105 н{м?. При повышении температуры окру-
Основные параметры постоянных проволочных резисторов
—
Номинальные
сопротивления
Размеры, мм
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния, вт
ом
ком
L
D
Г 13-7,5 113-15 ПЭ-20 ПЭ-25 ПЭ-50 113-75 ПЭ-150
7,5
15
20
25
50
75.
150
3
3
2,4
4,7
1
1
1 .
5,1
5,1
5,1
5,6
16
30
51
40
50
50
50
90
160
215
12
14
18
23
23
23
30
пэв-з ПЭВ-7,5 ПЭ В-Ю ПЭВ-15 ПЭ В-20 ПЭВ-25 ПЭ В-30. ПЭ В-40 ПЭВ-50 ПЭ В-75 ПЭВ-100
3
7,5
10
15
20
25
30
40
50
75
100
3
1
1,8
3,9
4,7
10
10
18
18
47
47
0,51
3,3
10
15
20
24
30
51
51
56
56
26
35
41
.45
50
50
71
87
90
140
170
14
14
14
17
17
21
21
21
29
29
29
ПЭВР-Ю ПЭВР-15 ПЭВР-20 ПЭВР-25 ПЭВР-30 ПЭВР-50 ПЭВР-ЮО
10
15
20
25
30
50
100
3
5,1
10
11
15
22
. 47
0,22 0,22 0,43 0,51 1
1,5
2,7
41
45
50
50
71
90
170
14
17
17
21
21
29
29
жающего воздуха допустимая электрическая нагрузка резисторов снижается (рис. 5.4).
Допустимые отклонения величины сопротивления резисторов от номинальных значений составляют ±5 и ±10%.
Резисторы выдерживают резкие изменения температуры от 210 до 600° К без механических повреждений, изменение их сопротивления при этом не превышает ±2%.
Резисторы ПЭВТ (проволочные, эмалированные, влагостойкие, теплостойкие) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Применение специальной теплостойкой эмали обеспечивает работоспособность резисторов при температу
ре 700—720° К.
Конструктивное оформление резисторов ПЭВТ показано на рис. 5.3, г/
За номинальную мощность рассеяния резисторов ПЭВТ принимают предельно допускаемую мощность при непрерывной нагрузке током и температуре окружающей среды 570° К (рис. 5.4).
Резисторы ПЭВТ делятся на два класса точности: для I класса отклонение величины сопротивления от номинального значения составляет не более ± 5%, для II класса — ±10%.
Резисторы ПЭВТ допускается применять в условиях с относи- тельной влажностью до 98%.
В электронной аппаратуре используются микропроволочные высокостабильные резисторы МВС и МВСГ, выполняемые на основе манганинового микропровода. Конструктивное оформление резисторов показано на рис. 5.5, а и б, основные параметры приведены в табл. 5.4.
Рис. 5.4. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры для резисторов:/ — ПЭ, ПЭВ. ПЭВР; 2 —ПЭВТРис. 5.4. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры для резисторов:/ — ПЭ, ПЭВ. ПЭВР; 2 —ПЭВТРис. 5.5. Конструкции резисторов МВС (а), МВСГ (б), С5-5 (в), С5-716 (г), С5-726 (б)Рис. 5.5. Конструкции резисторов МВС (а), МВСГ (б), С5-5 (в), С5-716 (г), С5-726 (б)
Рис. 5.4. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры для резисторов:
/ — ПЭ, ПЭВ. ПЭВР; 2 —ПЭВТ
Рис. 5.4. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры для резисторов:
/ — ПЭ, ПЭВ. ПЭВР; 2 —ПЭВТ
Рис. 5.5. Конструкции резисторов МВС (а), МВСГ (б), С5-5 (в), С5-716 (г), С5-726 (б)
Рис. 5.5. Конструкции резисторов МВС (а), МВСГ (б), С5-5 (в), С5-716 (г), С5-726 (б)
Резисторы МВС предназначены для работы в цепях постоянного тока при температуре 280—375° К и относительной влажности воздуха не более 80%; резисторы МВСГ при 230—375° К и относительной влажности воздуха до 98%.
Различие в температурных коэффициентах линейного расширения проводящей жилы, стеклянной оболочки и керамического основания сужает интервал рабочих температур резисторов до указанных значений. С целью повышения стабильности характеристик проводящий элемент резисторов помещают в герметичную оболочку.
Номинальная мощность рассеяния резисторов МВС и МВСГ, указанная в табл. 5.4, дана при температуре окружающей среды 330° К и атмосферном давлении 105 н]м2. С увеличением температуры окружающей среды допускаемая электрическая нагрузка снижается линейно до 370° К.
Резисторы МВС и МВСГ делятся на три класса: резисторы класса А имеют ТКС не более ±1,5- 10-5 град~\ класса Б — не более ±3 • 10-5 град-1 и класса В — не более ±6 • 10-5 град-4.
Основные параметры постоянных микропроволочных ■ точных однослойных * резисторов
—
Размеры, мм
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния, вт
Номинальные сопротивления
L
D
МВС-0,25
МВСГ-0,25
МВС-0,5
МВС Г-0,5
МВС-1
МВСГ-1
0,25 0,25
0,5 0,5
1
1
10 ком — 2 Мом
10 » — 2 »
10 » — ю »
10 » —10 »
■ 50 > — Ю »
50 > — Ю >
23,5 40
28 34
46 51
5
13
7
14
9
14
С5-5. .
1
2
5
8
10
ом — 13 ком
> - 30 >
5,1» — 75 »
10 > —100 »
10 » —180 »
20
25
33
42
52
6
6
11
11
11
С5-716
С5-717
С5-726
С5-727
0,5
0,25
0,5
0,25
10 ком — 5 Мом
10 » —1,6» Ю » —5»
10 » —1,6»
15
10
25
16
4,5 3,5 6 6
• Резисторы с сопротивлением в сотни килоом обычно имеют многослойную обмотку.
Точные однослойные проволочные резисторы С5-5 (рис. 5.5, в) предназначены для работы в целях постоянного и переменного тока в интервале температур 210—430° К и относительной влажности воздуха до 98% (при 313° К).
Резистор представляет собой керамический каркас, на торцы которого напрессованы колпачки с приваренными выводами; на каркас наматывается провод марки Х20Н80 или Н80ХЮД диаметром от 0,012 до 0,4 мм. Выводы резистора выполняют из меди, покрытой тонким слоем серебра. Для защиты проводящего элемента от внешней среды используют пленку из фторопласта-4 и керамические шайбы, устанавливаемые по торцам элемента. Всю конструкцию резистора закрывают алюминиевым кожухом.
Трудоемкой технологической операцией является подгонка сопротивления резисторов с малым допускаемым отклонением (0,01—0,05%), производимая путем электрической тренировки.
Отечественной промышленностью выпускаются также точные проволочные резисторы С5-716, С5-717 и С5-726, С5-727 (рис. 5.5). Для защиты от воздействия внешней среды проводящие элементы
резисторов С5-726 и С5-727 помещают в герметизированную ■ оболочку.I
Эти резисторы предназначены для работы в интервале темпера- I тур 210—430° К при относительной влажности воздуха до 93% I (С5-716, С5-717) и 98% (С5-726, С5-727).J
Номинальная мощность рассеяния резисторов С5-716, С5-717, С5-726 и С5-727, указанная в табл. 5.4, соответствует температуре 31 340° К. Температурный коэффициент сопротивлений резисторов не|| превышает ±3 • 10~ град~\
Резисторы с сопротивлениями 10—500 ком. имеют однослойную намотку, свыше 500 ком — многослойную.
Многослойные проволочные резисторы могут иметь номинальное сопротивление свыше 1 Мом.
Основные параметры постоянных многослойных проволочных резисторов
Тип резистора
Номинальная мощность рассеяния, etn.
Пределы номинальных сопротивлений
ГаЗМсры, ль л* 1
• L
D
.— —
0,5
51 ом — 150 ком
18
16
ПТ-0,5
51 ком — 620 »
26
18
ПТ-1
ПТ-1а
1
2
680 , — 1 Мом
20 , — 160 ком
28
32
20 , 28
ПТ-2
ПТН-0,5
0,5 1
1 ом —250 ком
।— 500 „
16
23
15
16
ПТН-1
1
' 560 ком — 1 Мом
27
19
ПТН-1а
2
20 ом —ЮО ком
27
1У
19
7
ПТН-2
ПТМ-1
1
0,5
ю .—100 „
1 , —300 .
27
14
ПТМН-0,5
1—1 Мом
22
9
ПТМН-1
0,5
0,5
200 I — 3 ком
22
9
ПТМК-0,5
200 „ — 3
22
1 9
ПТММ-0,5
ПКВ-1
1
51 ом —270 ком
51 „ — 560 ,
16
20
12
15,5
17,5
24,5
12
15,5
17,5
24,5
ПКВ-2 ПКВ-2А ПКВ-5 ПКВ-0,5-11
2
5
0,5
620 ком — 1 Мом
51 ом — 1
51 я —270 ком
51 » —560 ,
22,5
32
16
20
ПКВ-1-П .ПКВ-la-II
1
1
* 2
620 ком — 1 Мом
51 ом — 1 »
22,5 ■
32
ПКВ-2-П
Резисторы ПКВ (проволочные влагос^ие^^ основании) предназначены для работы в цепях постоян
менногои импульсного токов.
Рис. 5.7. Резистор С5-6:внешний вид; 2 - проводящий элемент; 3 - керамическая платаРис. 5.7. Резистор С5-6:внешний вид; 2 - проводящий элемент; 3 - керамическая плата
Рис. 5.7. Резистор С5-6:
внешний вид; 2 - проводящий элемент; 3 - керамическая плата
Рис. 5.7. Резистор С5-6:
внешний вид; 2 - проводящий элемент; 3 - керамическая плата
На рис. 5.6 показаны конструкции-многослойных проволочных резисторов ПТ, ПТН, ПТМ, ПКВ; основные параметры приведены в Табл. 5.5.
Допускаемые отклонения величины сопротивления от номинального значения у резисторов ПТН (проволочных точных на основе нихрома) и ПТМ (на основе манганина) составляют ±0,25; ±0,5; ± 1 %.
Температурный коэффициент сопротивления не более ±2 МО-4 град' * у -резисторов ПТН и не более ± 1 • 10~4 град"1 у ПТМ.
Проволочные точные малогабаритные резисторы ПТМН, ПТМК и ПТММ, выполняемые соответственно на основе нихромового, константанового и манганинового провода, предназначены для работы в интервале температур 210—400° К при относительной влажности воздуха до 98% (при 313° К).
Допустимые отклонения величин сопротивлений от номинальных значений составляют: ±0,25; 0,5 и 1%.
В зависимости от условий эксплуатации резисторы ПКВ делятся на две группы. К первой группе относятся резисторы ПКВ-1, ПКВ-2, ПКВ-2а, ПКВ-5, ко второй — ПКВ-0,5-И, ПКВ-1-П, ПКВ-1а-П, ПКВ-2-П. Интервал рабочих температур резисторов 210—470° К для первой группы и 210 — 390° К для второй группы.
Резисторы ПКВ выпускают с допускаемыми отклонениями величины сопротивления от номинального значения ±0,5; ±1; ±2; ±5%.
Для использования в микромодулях созданы постоянные прово-• л очные резисторы С5-6 (рис. 5.7), предназначенные для работы .bj цепях постоянного и переменного тока (до 20 кгц) при рабочих* напряжениях до 120 в. :
Проводящий элемент резистора С5-6 укрепляется на стандарт-: ной керамической плате. Номинальная мощность рассеяния резистора составляет 0,05 вт, номинальные значения сопротивления от 1 ом до 510 ком.
ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫПЕРЕМЕННЫХ РЕЗИСТОРОВ
Переменные проволочные резисторы выполняют на тороидальных каркасах и трубчатых каркасах круглого, квадратного и прямоугольного сечений, а также на плоских каркасах.
Для нанесения обмотки на плоские каркасы используют обычные станки для рядовой обмотки; на кольцевые каркасы — специальные станки для тороидальных обмоток.
После намотки плоским каркасам придается- кольцевая форма путем их нагрева до 290—300° К и изгибания на латунных оправках, нагретых до такой же температуры.
Изогнутые каркасы закрепляют хлопчатобумажной лентой и выдерживают в термостате при повышенной температуре в течение нескольких часов, после чего они сохраняют приданную им форму.
Чтобы обеспечить равномерное соприкосновение скользящего контакта с обмоткой, осуществляют плотную укладку провода с одинаковым усилием натяжения.
Для регулировки в электрических цепях электро- и радиотехнических устройств выпускают переменные проволочные резисторы РП и ППБ (бескаркасные). Проводящие элементы этих резисторов выполняют на основе нихромового провода. Резисторы РП изготовляют на керамических основаниях, резисторы ППБ бескаркасным способом (рис. 5.8). Конструкция резистора ППБ компактна, узлы и детали ее просты и позволяют применять прогрессивные технологические методы.
Номинальная мощность рассеяния резисторов РП составляет 25 и 80 вт; номинальные сопротивления лежат в диапазоне 18 ом — 2 ком. Номинальная мощность рассеяния резисторов ППБ составляет 1—100 вт; номинальные сопротивления для большинства типов резисторов — 3,3 ом — 47 ком.
Рис. 5.8. Резисторы РП (а) и ППБ с мощностью рассеяния 15 вт (б) н 1 вт (в)
Рис. 5.9. Резисторы ПП1 и ППЗ:
а —ПП1-1- б — ПП1-3; в — ПП1-4; г —ПП1-7; 8 — ППЗ-1; е — ППЗ-4; ж—ППЗ-5; з-ППЗ-8; и — ППЗ-13; к — ППЗ-40; л — ППЗ-41; м — ППЗ-43; я—.ППЗ-44; о — ППЗ-45; п — ППЗ-47
Допускаемое отклонение величины сопротивления от номинального значения составляет ±10% для резисторов РП и ±2,5; ±5; ±10% для резисторов ППБ.
Интервал рабочих температур резисторов РП 210—360° К и резисторов ППБ 210—430° К; допускается эксплуатация при относительной влажности до 98% при температуре 313° К.
Переменные проволочные резисторы ПП1-1—9, ППЗ-1—22, ППЗ-40—47 (рис. 5.9) предназначены для регулировок наземной и бортовой аппаратуры в цепях постоянного и переменного тока.
Рис. 5.10. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры дляРис. 5.10. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры дляНоминальная мощность рассеяния 1 вт у резисторов ПП1-1 —9 и 3 вт у резисторов ППЗ-1—22; номинальные сопротивления резисторов 2,2 ом — 20 ком.
Рис. 5.10. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры для
Рис. 5.10. Допустимые электрические нагрузки в зависимости от температуры для
Функциональная характеристика резисторов— линейная, допускаемое отклонение сопротивления от характеристики составляет ±10%.
Резисторы ППЗ-40, ППЗ-41, ППЗ-43 выпускаются одинарными, ППЗ-44, ППЗ-45, ППЗ-47 — сдвоенными.
Номинальная мощность рассеяния резисторов ППЗ-40—47 до 3 вт, номинальные
сопротивления 4,7 ом — 20 ком; эксплуатация резисторов допускается при относительной влажности воздуха до 98%.
С увеличением температуры окружаю-
резисторов:щей среды допускаемая электрическая на-
/-ппм-э-,ппз-1-22; грузка резисторов ПП1 и ППЗ снижается
в соответствии с кривыми, показанными на рис. 5.10.
Для подстройки режимов электронных и радиотехнических устройств в цепях постоянного и переменного тока частотой до 1 кгц
созданы проволочные подстроечные резисторы СПб (рис. 5.11).
Резисторы СПб имеют небольшие габариты и вес, высокую износоустойчивость, способны сохранять неизменными характеристики при различных условиях эксплуатации.
Для повышения эксплуатационных характеристик в конструкциях резисторов СП5 применяют теплостойкие изоляционные мате
риалы, нержавеющую сталь, сплавы алюминия и драгоценные металлы. Различные детали резисторов изготовляют прогрессивными технологическими методами: штамповкой, литьем под давлением, прессованием и т. п.
Конструктивно резисторы СП5 выполняют' закрытого типа, основными элементами являются проводящий элемент и подвижный пружинный контакт. Эти резисторы обеспечивают плавную подстройку величины сопротивления к заданному значению, имеют повышенные механические и климатические параметры.
Для работы в условиях тропического климата созданы резисторы СП5-16Т с герметичным корпусом. При длительном хранении, а
также при изменении температуры окружающей среды происходит обезгаживание органических материалов, используемых в конструкции резистора. При этом побочные продукты внутри герметичного корпуса могут достигать высокой концентрации. Их адсорбция проводящим элементом может вызвать образование пленок с малой проводимостью, что в ряде случаев приводит к нарушению контактирования между проводящим элементом и подвижным контактом. Все необходимо учитывать при выборе материалов для герметичных конструкций переменных резисторов.
1 — СП5-1А;1 — СП5-1А;Рис. 5.11. Резисторы СПб:2 — СП5-2; 3 — СП5-3; 4 - СП5-4; 5, 6 - СП5-6;СП5-11; 9 —СП5-14; 10 — СП5-15Рис. 5.11. Резисторы СПб:2 — СП5-2; 3 — СП5-3; 4 - СП5-4; 5, 6 - СП5-6;СП5-11; 9 —СП5-14; 10 — СП5-157 - СП5-9; 8 -7 - СП5-9; 8 -
1 — СП5-1А;
1 — СП5-1А;
Рис. 5.11. Резисторы СПб:
2 — СП5-2; 3 — СП5-3; 4 - СП5-4; 5, 6 - СП5-6;
СП5-11; 9 —СП5-14; 10 — СП5-15
Рис. 5.11. Резисторы СПб:
2 — СП5-2; 3 — СП5-3; 4 - СП5-4; 5, 6 - СП5-6;
СП5-11; 9 —СП5-14; 10 — СП5-15
7 - СП5-9; 8 -
7 - СП5-9; 8 -
Резисторы СП5-1, СП5-11, СПб-14, СПб-15 имеют прямолинейное перемещение подвижного контакта, а резисторы СПб-2, СПб-3, СПб-12, СПб-13, СПб-16Т —круговое.
Номинальная мощность рассеяния резисторов СПб составляет 1 вт, интервал рабочих температур 210—400° К. С увеличением температуры окружающей среды допускаемая электрическая нагрузка резисторов снижается в соответствии с кривой, показанной на рис. 5.10.
Допускается эксплуатация резисторов при относительной влажности воздуха до 93%.
В последние годы советскими учеными разработана серия низкоомных подстроечных резисторов с номинальными сопротивлениями 0,22—2,2 ом и номинальной мощностью рассеяния 0,5—10 вт.
Глава шестая
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЛИНЕЙНЫЕ РЕЗИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Полупроводниковые материалы в настоящее время применяют для создания твердых схем, в которых наряду с активными элементами (транзисторами и диодами) в объеме монокристалла получают пассивные элементы (резисторы и конденсаторы). В полупроводниковых твердых схемах в качестве резисторов используют объемное сопротивление материала между двумя контактами, поверхностное сопротивление между омическими контактами, сопротивление электронно-дырочного перехода.
Кроме того, на основе полупроводниковых материалов (германия, кремния, карбида кремния) создают дискретные пассивные, элементы — резисторы и конденсаторы.
Полупроводниковые резисторы предназначаются главным образом для схем, где низкий ТКС и высокая точность номинальных значений должны сочетаться с высокой стабильностью параметров во времени, низким уровнем шумов, способностью выдержать боль
шие кратковременные перегрузки.
При создании низкоомных резисторов возникают определенные трудности, связанные с технологией их изготовления и выбором материалов. Так, распространенную технологию получения прово
дящих элементов путем пиролиза углеродистых соединений (метана, гептана) нецелесообразно использовать при изготовлении низко
омных резисторов, так как для образования значительного по толщине проводящего слоя необходимо длительное время реакции. Предельная рабочая температура углеродистых резисторов обычно не превышает 400° К. Металлопленочные резисторы МЛТ имеют нижнюю границу номиналов около 24 ом.
Создание низкоомных резисторов на основе композиций также затруднено, потому что с увеличением процентного содержания проводящих компонентов ухудшаются механические свойства проводящего элемента.
Для низкоомных резисторов наиболее целесообразно использовать полупроводниковые материалы, так как при этом можно получить хорошие электрические параметры. На основе полупроводниковых материалов с концентрацией примесей 1024—1025 ат/м3 выпол
няют низкоомные резисторы с объемным проводящим элементом, способные работать в широком интервале температур. Предельная рабочая температура кремниевого резистора при концентрации примесей в кристалле порядка 1022—1023 ат^м3 составляет 500— 550° К.
На основе бинарных полупроводниковых соединений типа AnI Bv получены линейные резисторы с еще более высокой рабочей температурой, так как многие бинарные соединения имеют ширину запрещенной зоны более 1,2 эв.
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ РЕЗИСТОРОВ
Параметры полупроводниковых резисторов определяются свойствами использованных полупроводниковых материалов. Так основные параметры резистора— номинальное сопротивление, ТКС, номинальная мощность рассеяния — непосредственно связаны с удельным сопротивлением материала, с зависимостью удельного сопротивления от температуры.
Энергия электрона. - ■Энергия электрона. - ■■Зона "пробой и мбс№■Зона "пробой и мбс№Зона/пробойцмостиЗона/пробойцмостиЗапрещенная зона.Запрещенная зона.Вробни-йоноры Вробни-акцепторы,Вробни-йоноры Вробни-акцепторы,
Энергия электрона. - ■
Энергия электрона. - ■
■Зона "пробой и мбс№
■Зона "пробой и мбс№
Зона/пробойцмости
Зона/пробойцмости
Запрещенная зона.
Запрещенная зона.
Вробни-йоноры Вробни-акцепторы,
Вробни-йоноры Вробни-акцепторы,
:ВдлеШная\збна:ВдлеШная\збнаВалентная зондВалентная зонд
:ВдлеШная\збна
:ВдлеШная\збна
Валентная зонд
Валентная зонд
й)й)б)б)б)б)
й)
й)
б)
б)
б)
б)
Рис. 6.1. Энергетические диаграммы полупроводникового материала:а — энергетические уровни свободного атома; б — эиергетическне зоны в идеаль-ном кристалле; в — энергетическая диаграмма полупроводника с донорными иакцепторными примесями
Для получения проводящих элементов резисторов используют полупроводники, легированные донорной или акцепторной примесью, т. е. полупроводники n-типа, электропроводность которых обусловлена в основном электронами, или полупроводники р-типа, электропроводность которых обусловлена в основном дырками.
Как известно, примеси создают в запрещенной зоне локальные уровни, которые могут отдавать электроны в зону проводимости (донорные) и захватывать электроны из валентной зоны (акцепторные). Так, например, элементы третьей и пятой групп таблицы Менделеева образуют в кремнии акцепторные и донорные уровни, расположенные вблизи краев соответствующих зон (рис. 6.1).
Для получения полупроводниковых резисторов используют главным образом кремний и германий.
Проводимость полупроводникового материала определяется концентрацией носителей зарядов (электронов или дырок) и их подвижностью.
Проводимость материала, обусловленная электронами,
а„т=еу.„п,(6.1)
где е — заряд электрона; цп—подвижность электрона; п — концентрация свободных электронов.
(6.2)(6.2)Проводимость материала, обусловленная дырками,
(6.2)
(6.2)
V=ev-pP'
Для полупроводника со смешанной электропроводностью
°п.Р=еу.ппАгер.рр-
(6.3)
с собственной электропроводностью при
П=р = Щ
а, = еи;(р.л + р.
pv
(6.4)
Основные свойства кремния и германия
Кремний
Германий
Атомный номер . . . .
Атомный вес
Кристаллическая структура
Число атомов в 1 лг3
Плотность, кг1м?
Твердость по шкале Мооса
Диэлектрическая проницаемость . .
Работа выхода электронов, эв . . .
Ширина запрещенной зоны, эв: при 0° К
при 300° К
Температура плавления, °К
Удельная теплоемкость при
270—370° К, дж) (кг-град) . . . . .
. Температурный коэффициент линейного расширения, град-'
Удельная теплопроводность, втЦм-град)
Подвижность, ^/(в-сек1) электронов
дырок .
Собственное удельное сопротивление при 290° К, ом-м . . .
1432
28,0872,59
гранецентрированная субщеская (типа алмаза) 4,99-10284,42-1028
23295326
76,25
12,516
4,34,78
1,210,78
1,120,72
16871210
710333
4,2-10-66-10-6
8055
0,140,39
0,050,19
23000,68
При выборе материала для проводящего элемента очень важной является зависимость проводимости от температуры, обусловливающая ТКС, диапазон рабочих температур элемента и ряд других параметров.
Зависимость собственной проводимости кремния от температуры определяется выражением
-6500
ан (ол-л/)~1 = .1,04- 10ье т .(6.5)
Зависимость проводимости полупроводников и- и р- типа от температуры носит весьма сложный характер, так как концентрация подвижность носителей заряда определяются составом примеси температурой и т. п.'’
На рис. 6.2 представлены зависимости проводимости от температуры для кремния n-и р-типа.
Приведенные кривые показывают, что температурный коэффициент сопротивления полупроводникового материала может быть положительным и отрицательным в различных интервалах температур.
Увеличение проводимости в области низких температур происходит в результате изменения концентрации носителей заряда в материале при ионизации примесей. В области температур, когда примеси ионизированы, проводимость уменьшается вследствие зависимости подвижности от температуры.
Рис. 6.2. Зависимость проводимости кремния n-типа (а) и p-типа (б) от температурыРис. 6.2. Зависимость проводимости кремния n-типа (а) и p-типа (б) от температуры
Рис. 6.2. Зависимость проводимости кремния n-типа (а) и p-типа (б) от температуры
Рис. 6.2. Зависимость проводимости кремния n-типа (а) и p-типа (б) от температуры
Подвижность носителей заряда характеризует их дрейфовую скорость в электрическом поле. Величина подвижности определяется механизмом рассеяния носителей заряда в решетке кристалла
(6.6)(6.6)у ет
(6.6)
(6.6)
Е т* ’
где у — средняя статистическая скорость совокупности носителей заряда (дрейфовая скорость); Е — напряженность электрического поля; Т — среднее время свободного пробега носителя заряда; т * — эффективная масса носителя заряда.
Рассеяние носителей заряда происходит на тепловых колебаниях решетки (фононах), ионизированных примесях, дефектах структуры, дислокациях, а также на подвижных носителях заряда. При низких температурах, когда тепловые колебания решетки невелики, подвижность в основном определяется рассеянием на примесях. При более высоких температурах интенсивность рассеяния носителей на
тепловых колебаниях решетки возрастает, что приводит к уменьшению проводимости полупроводникового материала.
(6.7)(6.7)Особенно существенны процессы рассеяния на ионизированных примесях и фононах. Подвижность носителя заряда при этом описывается выражением
(6.7)
(6.7)
I4 Iх/ ^£
где ц/—подвижность, обусловленная рассеянием на примесях; Hl — подвижность, обусловленная рассеянием на фононах.
В широком интервале температур, когда рассеяние носителей заряда в основном происходит на ионизированных примесях и тепловых колебаниях решетки, зависимость подвижности от температуры может быть представлена так:
_к=Л7"3/2+С7'3/2,(6.8)
где Л и С — постоянные.
Первый член зависимости характеризует рассеяние на ионизированных примесях, второй — на тепловых колебаниях решетки.
Рис. 6.3. Зависимость наибольшей (а) и наименьшей (б) рабочей температуры кремниевых и германиевых элементов от концентрации примесей в кристаллеРис. 6.3. Зависимость наибольшей (а) и наименьшей (б) рабочей температуры кремниевых и германиевых элементов от концентрации примесей в кристалле
Рис. 6.3. Зависимость наибольшей (а) и наименьшей (б) рабочей температуры кремниевых и германиевых элементов от концентрации примесей в кристалле
Рис. 6.3. Зависимость наибольшей (а) и наименьшей (б) рабочей температуры кремниевых и германиевых элементов от концентрации примесей в кристалле
Вследствие рассеяния на ионизированных примесях подвижность носителей заряда оказывается зависящей от концентрации примеси или от удельного сопротивления материала.
Рассеяние на дислокациях в кристаллах, свободных от внутренних напряжений, сказывается сравнительно мало, а рассеяние на подвижных носителях заряда может стать значительным при высоких температурах в области собственной проводимости.
При концентрациях примесей порядка 1023—1025 л-3 зависимость проводимости от температуры незначительна, что позволяет использовать полупроводниковые монокристаллические материалы для
получения проводящих элементов, стабильных в сравнительно широком интервале рабочих температур.
Температурная зависимость проводимости определяет диапазон рабочих температур резистора. Предельно допустимой является температура резистора, при которой в полупроводниковом кристалле начинает сказываться собственная электропроводность.
Величина этой температуры определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала. У германия собственная электропроводность начинает влиять при температуре 370—400° К, У кремния с высокой концентрацией примесей — при 500—600° К-
Зависимость предельной рабочей температуры кремниевых и германиевых элементов от концентрации примеси в кристалле показана на рис. 6.3, а.
Минимальной рабочей температурой проводящего элемента является температура, при которой примеси ионизированы и дальнейшее повышение температуры не вызывает существенного изменения проводимости кристалла. Зависимость минимальной рабочей температуры кремниевых и германиевых приборов от концентрации примесей в кристалле приведена на рис. 6.3, б; энергия ионизации акцепторных примесей равна 0,05 эе, донорных— 0,01 эв.
Полупроводниковый материал, выбираемый для проводящих элементов, должен иметь минимальную зависимость проводимости от приложенного напряжения.
Зависимость проводимости полупроводникового материала от напряженности электрического поля можно разделить на область слабых полей, область сильных полей и область электростатической ионизации (рис. 6.4). В области слабых полей проводимость не зависит от приложенного напряжения и соответственно от напряженности электрического поля. При сильных полях зависимость проводимости от напряженности электрического поля описывается законом Пуля
а = а0е°<£-£о>, (6.9)
где а — постоянная; Е — напряженность электрического поля; Eq — напряженность, которая разделяет области слабых и сильных полей (определяется свойствами полупроводникового материала).
Сильное электрическое поле вызывает деформацию энергетических зон полупроводника, сопровождающуюся увеличением концентрации свободных носителей заряда.
Область электростатической ионизации, в которой наблюдается сильная зависимость проводимости от напряженности электрического поля, находится на участке, предшествующем пробою; верхней границей области является пробой.
Приведенная зависимость проводимости от напряженности электрического поля показывает, что в достаточно широком интервале напряжений сопротивление проводящих элементов, выполненных на основе монокристаллических полупроводниковых материалов, не зависит от приложенного напряжения.
Область слабы* палейОбласть слабы* палейРис. 6.5. Поперечный разрез слоя, в который проведена диффузия (а), и распределение примесей в нем (б)Рис. 6.5. Поперечный разрез слоя, в который проведена диффузия (а), и распределение примесей в нем (б)Величина сопротивления объемного резистора определяется удельным сопротивлением и размерами полупроводникового кристалла. Однако очень часто в интегральных и твердых схемах, а также в дискретных резисторах проводящим элементом служит слой, полученный путем диффузии примеси в полупроводниковый материал. В связи с этим расчет сопротивления проводящего элемента несколько усложняется, так как необходимо учитывать изменение концентрации примеси по глубине диффузионного слоя. Распределение примесей в диффузионном слое показано на рис. 6.5.
Область слабы* палей
Область слабы* палей
Рис. 6.5. Поперечный разрез слоя, в который проведена диффузия (а), и распределение примесей в нем (б)
Рис. 6.5. Поперечный разрез слоя, в который проведена диффузия (а), и распределение примесей в нем (б)
Рис. 6.4. Зависимость проводи-мости полупроводников от на-пряженности электрическогополя
В толще полупроводникового материала распределение концентрации атомов примесей определяется уравнением диффузии
(6.10)(6.10)dN^>0 = D d2N(x,t)dtдх^
(6.10)
(6.10)
где D — коэффициент диффузии; t — время диффузии.
В случае, когда количество примеси практически не ограничено и концентрация ее на поверхности образца No во время диффузии постоянна, решение уравнения (6.10) приводит к распределению примесей по закону:
ДГ(х)=ЛГ0[1~Ф(г)],(6.11)
где
Ф^=ф(—— (^^da.(6.12)
\ V2D/ /' л
Величина удельной проводимости тонкого слоя толщиной dx, параллельного поверхности, определяется выражением
da = ey.(x)[jV(x)— N^dx,(6.13)
где р(х) —подвижность основных носителей заряда в диффузионном слое; зависит от концентрации ионизированных примесей и изменяется, следовательно, в соответствии с расстоянием от поверхности кристалла; N(x) — распределение примесей, продиффундиро- вавших в кристалл; Na— концентрация примесей на глубине залегания электронно-дырочного перехода.
Глубина залегания электронно-дырочного перехода х, определяется при этом трансцендентным уравнением
1-ф/—(6.14)\ V^ot / ^
При ——— > 1 уравнение (6.14) можно упростить и предста-
вить в следующем виде:
. г*
1-Ф(г)^1/ — —.(6.15)
У л г
В этом случае расстояние от р-п-перехода до поверхности кристалла
х,^2.(6 J6)
\ 2 Na )
При ограниченном количестве примеси .
N„ = J N ^dxо
решение уравнения диффузии можно представить в виде гауссова распределения:
NW=Noe 4“(6.17)
где
jV0 = 7Vn/ТБ/.
В рассмотренном случае расстояние от р-/г-перехода до поверхности кристалла
^ = 2/57101/2^.(6.18)
Подвижность носителей заряда определяется концентрацией ионизированных примесей. При концентрациях в диффузионном слое, не превышающих 3 • 1023 лг3, а также практически при полной ионизации примесей
MxWtA^xHArj.(6.19)
Проводимость тонкого диффузионного слоя толщиной dx на основании уравнений (6.13) и (6.19) можно представить так:
с?а=е[ДГ(х)—^o] и. [^ (х)—N^dx.(6.20)
Интегрируя полученное выражение, получим проводимость единицы площади диффузионного слоя
°=л = е J1 [Д^ (х) - WJ р [2V (х) - NJ dx.(6.21)
о
С помощью формулы (6.21) можно производить расчет проводимости диффузионных слоев. Для упрощения расчетов можно использовать графики зависимости величины R6a У Dt от N0,Na при различных концентрациях примесей в исходном кристалле (рис. 6.6).
Рис. 6.6. Величина сопротивления диффузионного слоя в кремнии:а — при гауссовском распределении примесей; б — при распределении примесей по закону интеграла ошибокРис. 6.6. Величина сопротивления диффузионного слоя в кремнии:а — при гауссовском распределении примесей; б — при распределении примесей по закону интеграла ошибок
Рис. 6.6. Величина сопротивления диффузионного слоя в кремнии:
а — при гауссовском распределении примесей; б — при распределении примесей по закону интеграла ошибок
Рис. 6.6. Величина сопротивления диффузионного слоя в кремнии:
а — при гауссовском распределении примесей; б — при распределении примесей по закону интеграла ошибок
Согласно изложенному полупроводниковые материалы по своим физическим свойствам перспективны для получения пассивных компонентов — постоянных резисторов.
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЯПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕЦИЗИОННЫХРЕЗИСТОРОВ
Создавая на проводящем элементе изолирующие прорези, получают прецизионные объемные резисторы с малым допускаемым отклонением от номинального сопротивления (0,5—1%).
Кратко остановимся на расчете сопротивления проводящего элемента объемного прецизионного резистора в зависимости от размеров юстировочной прорези.
На рис. 6.7 показаны конструкции проводящих элементов кремниевых резисторов с юстировочной прорезью.
(6.22)(6.22)Для проводящего элемента, изображенного на рис. 6.7, а, сопротивление рассчитывается по формуле
(6.22)
(6.22)
R=—^—L,2bS
где р — удельное сопротивление материала проводящего элемента; L, S, 2Ь — длина, ширина и толщина проводящего элемента, соответственно.
Рис. 6.7. Конструкции проводящих элементов объемных полупроводниковых резисторов с юстировочными прорезями:/ — контакты; 2 — монокристаллический полупроводниковый материал; 3 —юстировочная прорезьРис. 6.7. Конструкции проводящих элементов объемных полупроводниковых резисторов с юстировочными прорезями:/ — контакты; 2 — монокристаллический полупроводниковый материал; 3 —юстировочная прорезь
Рис. 6.7. Конструкции проводящих элементов объемных полупроводниковых резисторов с юстировочными прорезями:
/ — контакты; 2 — монокристаллический полупроводниковый материал; 3 —юстировочная прорезь
Рис. 6.7. Конструкции проводящих элементов объемных полупроводниковых резисторов с юстировочными прорезями:
/ — контакты; 2 — монокристаллический полупроводниковый материал; 3 —юстировочная прорезь
При расчете сопротивления проводящего элемента, показанного на рис. 6.7, б, увиду симметричности элемента, можно рассматривать лишь его половину (рис. 6.8).
Отобразим прямоугольник на верхнюю полуплоскость (рис. 6.8, а, б). Если L]2b>b, что выполняется для наиболее распространенных конструкций проводящих элементов, отображение можно осуществить с помощью функции
2020(6.23)
20
20
При преобразовании точки 1 и 2 перейдут в —1 и +1, соответст- венно, а точка 3 в точку с координатой ch —. Симметризуем точки 26
2 и 3 относительно начала координат отображением:
2zi-ch—
22л/
ch — +1
26
(6.24)(6.24)Далее отобразим полуплоскость на полуполосу шириной 2Ь с помощью функции
(6.24)
(6.24)
z3= — aresin г2.
Полностью отображение полуполосы на полуполосу, переводящее контакт на торец проводящего элемента, запишем в следующем виде:
2sin—— — ch —1
26.2626
z3 =arcsin—±£ лл/
ch~+lль
(6.25)
Проведенные преобразования показывают, что с удалением от контакта распределение потенциала и тока в проводящем элементе становится все более равномерным. Область резистора, в котором
z2
Т’ТТЧ77”77^ 5 7
6)
Рис. 6.8. Отображение проводящего элемента сбоковым расположением контакта на элемент сконтактом, расположенным на торце:
а — исходный проводящий элемент; б — отображениена полуплоскость; в — симметризация; г—отображениена полуполосу; д — зависимость эффективной длины отвеличины контакта
имеет место нарушение равномерности распределения электрическо- го поля более чем на 0,5%, назовем «возмущенным» участком. Это значит, что при определении эффективной длины возмущенного участка Z/ (рис. 6.8, г) появится ошибка порядка 0,5%.
Плотность тока в проводящем элементе определяется производной dz?jdz. Рассчитаем длину возмущенного участка, т. е. положе-
238
ния точек 4 и 5, согласно условию
1 <0,005.lim —2-^00 \ dZ /
На рис. 6. 8, д приведена зависимость 1'11 от отношения величины контакта f к толщине проводящего элемента 2Ь. Учтем, что при 2<f/2b<15 значение Z ^2.
Общее сопротивление резистора
s L\ 266J
При //26 > 2,5 для расчета можно использовать формулу
^-т+Ч-
Рис. 6.9. К расчету проводящего элемента с юстировочной прорезью: а — исходный проводящий элемент; б — отображение на полуплоскость; в н г — отображение полуплоскости с прорезью на полуплоскость без прорези; д — симметризация; е — отображение иа полуполосу
Рассмотрим расчет проводящего элемента с юстировочной прорезью, показанного на рис. 6.9, а. При отображении на полуплоскость с помощью функции
. Z1==sin Л1£±М. .
126
вырез ab перейдет в дугу полуэлипса с центром в начале координат и с полуосями, равными ch -У и sh -^ -
26
26
Отметим, что при f/2b>l эксцентриситет эллипса будет менее 0,001. При этом условии можно с большой степенью точности
239
считать полуэллипс полуокружностью. Вырез в виде дуги окружности отображаем в отрезок прямой на мнимой оси полуплоскости функцией (рис. 6.9, в)
Z\ — ю
22 = Ю —1 ,
21 + Ю
где /o=ch —— .
26
Координата точки 4 при данном преобразовании
гм = 21 ch.гм = 21 ch.Л/Л/лаsin
гм = 21 ch.
гм = 21 ch.
Л/
Л/
26 ла COS ~ + 126 ла COS ~ + 12
26 ла COS ~ + 1
26 ла COS ~ + 1
Параметр, определяющий величину прорези, меняется в пределах 0^а<2.
Полуплоскость с вырезом отображаем на полуплоскость без выреза с помощью функции
^3=1^ £2+224.
Далее, симметризуя точки / и 2 с координатами Z31 и Z32, получаем:
£4=———; э=у /о2—2+;
^З + 3
д 2зз ~Ь ^зг 2з , g 2z33g32 — з (Z33 + Z32)^ЗЗ г32*32 — 233
Наконец, преобразуем полуплоскость на полуполосу без выреза
шириной 2Ь функцией
26г5=arcstn г4.л
Анализ приведенных преобразований показывает, что в случае, когда а/2й^0,9, длина возмущенного участка проводящего элемента меньше f+2b при относительной неравномерности тока, не превышающей 0,5%.
Кроме того, при f/26^2,5 влияние омического контакта на проводящий момент можно не учитывать, что упрощает преобразование (рис. 6.10).
Вследствие симметричности полосы, можно рассматривать только ее половину (рис. 6.10, а). В этом случае функция
о . и2па
2 sin - cos + 1
Zj=—a resin_
лла
1 — cos ■—26
На рис. 10, г и д приведены графики зависимости длины возмущенного участка и эффективной длины от размеров юстировочной прорези. Длина возмущенного участка принята равной 46. Приведенные выражения позволяют рассчитать сопротивление объемных резисторов с юстировочной прорезью.
Рис. 6.10. К расчету эффективной длины проводящего элемента с вырезом:Рис. 6.10. К расчету эффективной длины проводящего элемента с вырезом:6)6)6)6)
Рис. 6.10. К расчету эффективной длины проводящего элемента с вырезом:
Рис. 6.10. К расчету эффективной длины проводящего элемента с вырезом:
6)6)
6)6)
а — исходный элемент; 6 н в — отображение проводящего эле-мента; г — зависимость длины возмущенного участка Z726 от ве-личины прорези; д — зависимость эффективной длины V'llb отвеличины прорези
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВАИ ПАРАМЕТРЫ РЕЗИСТОРОВ
На рис. 6.11 показаны конструкции резисторов, проводящие элементы которых получены различными технологическими способами.
В качестве проводящих элементов объемных полупроводниковых резисторов обычно используют кремниевые пластинки разных размеров в зависимости от мощности рассеяния резистора (рис. 6.11, а).
Для получения диффузионных проводящих элементов резисторов в полупроводниковую пластинку с определенным типом электропроводности путем диффузии проводят примеси, создающие в поверхностном слое электропроводность противоположного типа. Проводящие элементы с поверхностным проводящим слоем показаны на рис. 6.11, б, в.
На границе слоев с различным типом электропроводности образуется потенциальный барьер, препятствующий протеканию тока через весь объем кристалла. Изменяя величину проводящего слоя и
соответственно глубину расположения электронно-дырочного перехода в проводящем элементе, а также удельное сопротивление материала, получают резисторы с заданным номинальным сопротивлением.
Резисторы с высокими номинальными сопротивлениями изготавливают путем создания в исходной пластинке из полупроводникового материала одного или двух электронно-дырочных переходов. Однако вследствие зависимости обратного тока электроннодырочного перехода от температуры такие резисторы имеют сравнительно большой ТКС и значительный коэффициент напряжения.
Рис. 6.11. Конструкции полупроводниковых резисторов:
а —с объемным проводящим элементом: / — проводящий элемент; 2 — вывод; 3 — контакт; б, в — с диффузионным проводящим элементом; г — с герметичным корпусом: / — керамический корпус; 2— кремниевая пластинка; 3 — термостойкий компаунд; 4— выводы
Благодаря современным технологическим методам на пластинке из полупроводникового материала можно получить проводящие слои очень малых размеров и самой различной конфигурации. Предварительно поверхность полупроводниковой пластинки подвергают специальной термической обработке в окислительной атмосфере для создания окисной пленки. Затем на окисную пленку наносят локально защитное покрытие. Окисную пленку, не защищенную покрытием, снимают травлением в плавиковой кислоте. Далее на пластинке из полупроводникового материала в местах, свободных от окисной пленки, диффузией примесей создают проводящий элемент заданной конфигурации.
Для получения дискретных объемных резисторов материал разрезают на пластинки в виде брусков. Затем с целью обезжиривания и очистки от различных клеящих веществ органического происхождения пластины промывают в толуоле, который хорошо растворяет пицеин и другие загрязнения. (Однако толуол применять нужно осторожно ввиду низкого значения температуры вспышки.) Потом пластины шлифуют и, чтобы удалить остатки шлифовального порошка, промывают в горячей дистиллированной воде, и разрезают на элементы. Элементы помещают в горячую 30%-ную КОН для травления, так как после резки и шлифовки на поверхности элементов имеется тонкий аморфный слой, являющийся результатом механического разрушения монокристаллической структуры. Помимо
этого, на поверхности элементов из-за пребывания на открытом воздухе образуются окисли и адсорбируются разнообразные примеси.
Химическое травление можно использовать также для получения проводящих элементов нужной толщины.
Принцип травления, т. е. химического растворения кремния, основан на окислении его поверхности и последующего удаления окис- лов. Во избежание образования плохо растворимой в воде кремниевой кислоты из-за гидролиза силиката калия травление проводят в избытке щелочи.
Травление происходит интенсивно при температуре щелочи 360—370° С. Скорость травления в значительной мере определяется концентрацией К.ОН.
После травления элементы промывают и сушат при температуре 400° К в течение 30—40 мин.
Далее создают омические контакты, которые должны удовлетворять следующим основным требованиям:
электрическое сопротивление контакта должно быть незначительным;
при протекании тока через контакт не должно быть генерации неосновных носителей заряда в приконтактном слое;
контакты должны быть механически прочными.
Часть образца, защищаемую от осаждения никеля, покрывают лаком на основе перхлорвиниловой смолы ХСЛ. После двухчасовой сушки лака на поверхность проводящих элементов осаждают никель Методом электролиза. При этом на всех участках поверхности, доступных для электролита, получают равномерное покрытие.
Для никелирования кремния используют раствор следующего
состава (в г/л): ,хлористый никель_ 30
фосфорноватистокислый натрий 10
лимоннокислый аммоний 65
хлористый аммоний 50
Для лучшего растворения смеси дистиллированную воду -предварительно подогревают. Осаждение никеля проводится при температуре 365—370° С в течение 5—10 мин.
Процесс никелирования заключается в следующем. Ион гипофосфита, отдавая электроны, переходит в ион фосфита, а ион никеля, получая электроны, осаждается на поверхности кремния. Выделение водорода, которым сопровождается реакция осаждения, способствует очистке поверхности. Толщина получаемой пленки составляет несколько микрон.
В состав пленки входит 4—6% фосфора, который при последующей термообработке образцов диффундирует в кремний и, являясь донорной примесью, создает слой с высокой проводимостью.
После нанесения никеля образцы сушат в термостате в течение 15—20 мин при температуре 390—410° К.
Для улучшения качества покрытия, никель необходимо вплавлять в кремний при температуре 1020—1070° К. Вплавление производится в камерах при давлении 10-2—10~3 н/м2 в течение 3—5 мин.
Вторичное никелирование проводят в той же последовательности.
Для защиты от воздействия внешней среды и для повышения механической прочности проводящие элементы резисторов помещают в стеклокерамическую оболочку, торцы которой заливают специальным термостойким компаундом.
На рис. 6.11, г показана конструкция низкоомного кремниевого резистора. Объемный проводящий элемент резистора представляет собой пластинку кремния n-типа с концентрацией примесей 1023 — 1025 ат!ма-, длина пластинки 7 мм, поперечное сечение 0,3—0,4 мм2. На концах проводящего элемента имеются омические контакты, к
Рис. 6.12. Зависимость допустимой электрической нагрузки кремниевых резисторов от температурыРис. 6.12. Зависимость допустимой электрической нагрузки кремниевых резисторов от температурыРис. 6.13. Зависимость сопротивлениякремниевых резисторов от темпера-туры
Рис. 6.12. Зависимость допустимой электрической нагрузки кремниевых резисторов от температуры
Рис. 6.12. Зависимость допустимой электрической нагрузки кремниевых резисторов от температуры
Номинальная мощность рассеяния этих резисторов 0,25 вт. При использовании кремниевых пластинок больших размеров можно получить резисторы с более высокой номинальной мощностью.
Кремниевые объемные резисторы имеют сопротивления 0,1— 10 ом и способны работать при повышенных температурах. Предельная рабочая температура их, ввиду высокой термостойкости проводящего элемента, определяется обычно температурой размягчения припоя, используемого для пайки выводов к омическим контактам. Зависимость допустимой электрической нагрузки низкоомных кремниевых резисторов от температуры приведена на рис. 6.12.
Температурный коэффициент сопротивления низкоомных кремниевых резисторов положителен и обычно составляет (1—6) X X Ю~4 град-1 в связи с уменьшением подвижности электронов в кристалле кремния с ростом температуры (рис. 6.13).
Подвергнув кремниевые проводящие элементы перед помещением в стеклокерамическую оболочку химическому или электрохимическому травлению, можно получить резисторы с допускаемым отклонением от номинального сопротивления 0,5—1 %.
Резисторы на основе кремния имеют достаточно высокую стабильность электрических параметров. Изменение сопротивления
опытных образцов таких резисторов после воздействия трех температурных циклов от 213 до 520° К составляет не более ±2%; после 500 ч работы в режиме с номинальной мощностью при температуре 450° К не превышает 1,5%.
Проводящий элемент может быть выполнен прессованием из порошкообразного полупроводникового материала.
Регулируя степень окисления полупроводникового материала,
получают резисторы с сопротивлением от десятых долей ома до сотен килоом. Такие резисторы, выполненные на основе кремния, способны работать при температурах свыше 500° К, однако они имеют большой коэффициент напряжения (10— 15%) и значительный уровень собственных шумов. Чтобы уменьшить коэффициент напряжения и уровень собственных шумов к кремнию добавляются другие термостойкие компоненты.
На основе окисных полупроводников CuO, CdO, ВеО и др. получены резисторы с сопротивлениями Юол— 1 ком, способные работать при температурах до 550° К. - ■ . -f.
Рис. 6.14. Полупроводниковый резистор в микро- модульном исполнении: 1 — стандартная керамическая плата; 2 — полупроводниковый проводящий элементРис. 6.14. Полупроводниковый резистор в микро- модульном исполнении: 1 — стандартная керамическая плата; 2 — полупроводниковый проводящий элементПутем спекания смеси компонентовCuO и CdCO3 получены резисторы высокой термостабильности с сопротивлениями 0,1 —10 ом. Для повышения сопротивления в смесь этих окислов может быть добавлен полупроводниковый окиПутем спекания смеси компонентовCuO и CdCO3 получены резисторы высокой термостабильности с сопротивлениями 0,1 —10 ом. Для повышения сопротивления в смесь этих окислов может быть добавлен полупроводниковый окисел с высоким сопротивлением.
Рис. 6.14. Полупроводниковый резистор в микро- модульном исполнении: 1 — стандартная керамическая плата; 2 — полупроводниковый проводящий элемент
Рис. 6.14. Полупроводниковый резистор в микро- модульном исполнении: 1 — стандартная керамическая плата; 2 — полупроводниковый проводящий элемент
Путем спекания смеси компонентов
CuO и CdCO3 получены резисторы высокой термостабильности с сопротивлениями 0,1 —10 ом. Для повышения сопротивления в смесь этих окислов может быть добавлен полупроводниковый оки
Путем спекания смеси компонентов
CuO и CdCO3 получены резисторы высокой термостабильности с сопротивлениями 0,1 —10 ом. Для повышения сопротивления в смесь этих окислов может быть добавлен полупроводниковый оки
Полупроводниковые резисторы часто выполняют в микромодуль- ной конструкции (рис. 6.14). В этом случае один или несколько полупроводниковых микрорезисторов укрепляют на керамической квадратной плате со стороной 9,6 мм. Для этого на плате делают специальные углубления, что позволяет максимально уменьшить конечную высоту микроэлемента в собранном виде.
Глава седьмая
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Терморезисторами называют резисторы, сопротивления которых значительно изменяются при изменении температуры. Принцип действия этих приборов основан на терморезистивном эффекте, т. е. изменении проводимости материала под действием температуры. Как известно, терморезистивный эффект наиболее ярко выражен в полупроводниковых материалах. Полупроводниковый материал для терморезистора выбирается с таким расчетом, чтобы самые небольшие изменения температуры заметно меняли его проводимость. Это дает возможность измерять очень малые по величине потоки теплого излучения.
Наиболее распространенными являются терморезисторы с отрицательным ТКС, для которых характерно резкое уменьшение сопротивления при увеличении температуры.
Наряду с полупроводниковыми терморезисторами выпускаются проволочные терморезисторы, основным материалом которых служит проволока диаметром 0,04—0,08 мм из меди, платины и других металлов. Проволочные терморезисторы имеют положительный ТКС и обладают высокой стабильностью характеристик. Однако они имеют ТКС не более 0,006 град~х и весьма значительные габариты.
На основе полупроводниковых материалов с большим удельным сопротивлением получают терморезисторы с сопротивлением в несколько Мом и малыми габаритными размерами, с ТКС в 10—20 раз больше по сравнению с проволочными.
С уменьшением габаритов снижается инерционность, что позволяет измерять и регулировать температуру с большой степенью точности.
К недостаткам полупроводниковых терморезисторов можно отнести нелинейную зависимость сопротивления от температуры.
Кроме того, величина допустимого отклонения сопротивления от номинального значения у наиболее распространенных полупроводниковых терморезисторов составляет ±20%, а разброс температурного коэффициента для партии терморезисторов одного номинала ±10%. Это ограничивает взаимозаменяемость полупроводниковых терморезисторов. Однако при использовании контуров взамозаме- няемости, состоящих из терморезистора и последовательно соединенных с ним резисторов, можно указанный недостаток частично устр анить.
По принципу действия и конструктивным особенностям терморезисторы можно подразделить на три группы:
терморезисторы прямого подогрева;
терморезисторы косвенного подогрева;
терморезисторы для индикации и измерения интенсивности теплового излучения в оптическом диапазоне частот (болометры).
Терморезисторы прямого подогрева, принцип действия которых основан на изменении сопротивления термочувствительного элемента при изменении температуры окружающей среды или вследствие изменения величины тока, протекающего по элементу, выпускают с отрицательным и положительным ТКС.
Большая серия полупроводниковых терморезисторов с отрицательным ТКС, выпускаемая в настоящее время, разработана учеными и инженерами под руководством Б. Т. Коломийца и И. Т. Шеф- теля.
В течение 1960—1970 гг. Б. Т. Коломиец, И. Т. Шефтель, Г. Н. Текстер-Проскурякова и др. разработали серию высокочувствительных терморезисторов с положительным ТКС, называемых позисторами. Для позисторов характерен очень высокий ТКС в определенном интервале температур.
Терморезисторы косвенного подогрева имеют специальную спираль подогрева, расположенную вблизи термочувствительного элемента. Принцип действия терморезисторов основан на изменении сопротивления термочувствительного элемента при изменении мощности в спирали подогрева.
Полупроводниковые болометры являются высокочувствительными неселективными индикаторами инфракрасного излучения. Термочувствительный элемент болометра представляет собой тонкую пленку из полупроводникового материала, проводимость которого меняется от малейших изменений температуры, вызванных колебаниями интенсивности инфракрасного излучения.
В настоящее время создание приемников, работающих в инфракрасной области спектра, ведется в двух направлениях:
использование фотоэффекта в полупроводниковых материалах для создания на их основе фоторезисторов и фотоприемников с р-п-переходом, т. е. фотоэлементов;
использование материалов с ярко выраженным терморезистивным эффектом для разработок термоэлементов, болометров (металлических и полупроводниковых).
Характерной особенностью первой группы приемников инфракрасного излучения является селективность спектральной чувствительности , небольшие области инфракрасной чувствительности (1—8 мкм) перекрываются использованием 6—8 приемников различных типов. Эти приемники имеют высокую чувствительность, однако большинство из них требует охлаждения жидким кислородом, водородом или гелием.
Полупроводниковые болометры, принадлежащие ко второй группе приемников, характеризуются отсутствием выраженной селек-
тивности и постоянством спектральной чувствительности в диапазоне 1—18 мкм. Важной положительной особенностью болометров является простота конструкции; в процессе работы они не требуют охлаждения.
§ 7.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫPI ХАРАКТЕРИСТИКИ
Полупроводниковые терморезисторы характеризуются следующими основными параметрами:
номинальным сопротивлением;
коэффициентом температурной чувствительности;
температурным коэффициентом сопротивления;
Рис. 7.1. Температурная зависимость сопротивления терморезистора с отрицательным ТКСРис. 7.1. Температурная зависимость сопротивления терморезистора с отрицательным ТКСмаксимальной мощностью рассеяния при заданной температуре окружающей среды;
Рис. 7.1. Температурная зависимость сопротивления терморезистора с отрицательным ТКС
Рис. 7.1. Температурная зависимость сопротивления терморезистора с отрицательным ТКС
коэффициентом рассеяния;
коэффициентом энергетической чувствительности;
постоянной времени.
номинальное сопротивлениеноминальное сопротивлениеНоминальное сопротивление R— это сопротивление терморезистора при определенной температуре То. Для большинства типов терморезисторов пределы номинальных сопротивлений устанавливают при температуре Т'о = 29О°К. Для ряда терморезисторов, выполняемых из материалов с большим удельным сопротивлением, определяют обычно при 420° К. Боль
номинальное сопротивление
номинальное сопротивление
шинство типов терморезисторов выпускаются с допускаемыми отклонениями от номинального сопротивления ±10 и ±20%.
Измерение сопротивления терморезистора проводят с погрешностью не более ±1%, помещая их в ультратермостат, поскольку при измерении необходимо поддерживать температуру термочувствительного элемента с высокой точностью (0,05—0,1° К).
Зависимость сопротивления терморезистора от температуры показана на рис. 7.1. Сопротивление терморезистора с отрицательным ТКС в интервале рабочих температур обычно изменяется по экспоненциальному закону
(7.1)(7.1)R=Ae8iT,
(7.1)
(7.1)
где А — постоянная, определяемая физическими свойствами материала; В — коэффициент температурной чувствительности.
Коэффициент температурной чувствительности В определяется характером зависимости концентрации носителей заряда в используемом полупроводниковом материале от темпе-
ратуры, а также температурной зависимостью подвижности носителей заряда.
Коэффициент температурной чувствительности В легко находят экспериментально путем измерения сопротивления терморезистора при двух каких-либо температурах Т{ и Т2. Так как при температуре Т\ сопротивление терморезисторов А'^Лехр—, а при
Т2 равно А'2=Лехр —, то
отсюдаотсюда^е'Чй (к^е'Чй (кТ1Т2 In-51 т2-т\ r2Т1Т2 In-51 т2-т\ r22,303 Г1Гг- 1g -51-.Т2-Тх & R22,303 Г1Гг- 1g -51-.Т2-Тх & R2(7.2)(7.3)(7.2)(7.3)
отсюда
отсюда
^е'Чй (к
^е'Чй (к
Т1Т2 In-51 т2-т\ r2
Т1Т2 In-51 т2-т\ r2
2,303 Г1Гг- 1g -51-.Т2-Тх & R2
2,303 Г1Гг- 1g -51-.Т2-Тх & R2
(7.2)
(7.3)
(7.2)
(7.3)
У различных терморезисторов значение В лежит в пределах 600—20 000° К.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) показывает относительное изменение абсолютной величины сопротивления терморезистора при изменении температуры на 1° К и выражается в град-1. Поскольку зависимость сопротивления терморезистора от температуры нелинейна принято определять температурный коэффициент сопротивления при 293° К, рассчитывая его по сопротивлениям, измеренным при 292,5 и 293,5° К.
ТКС29з=^^^^--100%.(7.4)
Зная коэффициент температурной чувствительности В, можно вычислить температурный коэффициент сопротивления для любой температуры Т:
ТКСГ = — — = - — .(7.5)
т R dT ПХ '
Согласно выражению (7.5) ТКС терморезистора прямо пропорционален коэффициенту температурной чувствительности В, причем с повышением температуры происходит уменьшение ТКС по абсолютной величине. Зависимости ТКС от температуры терморезисторов прямого подогрева с различными значениями В приведены на рис. 7.2.
Максимальной мощностью рассеяния терморезистора называют мощность, при которой терморезистор нагревается до максимальной рабочей температуры. Максимальная рабочая температура — это температура, при которой характеристики терморезистора остаются стабильными длительное время (в течение указанного срока службы). Рабочая температура определяется как свойствами материала термочувствительного элемента, так и
материалом конструкции терморезистора; в ряде конструкций ее допустимая величина ограничивается температурой размягчения
сплава, используемого для создания омических контактов на термо
резистивном элементе.
Коэффициент рассеяния Н численно равен мощности рассеяния терморезистора, при разности температур образца и окружающей среды в 1 град и выражается в мет!град.
Рис. 7.2. Зависимость [ТКС] от температуры терморезисторов с различными значениями В:1 - 2500° к («299=220 ом); 2- 3500’ К («290=2,2 ком); 3 — 4500’К («299= = 22 ком); 4 — 6000° К («420 - 22 ком);5 — 7500° К («420-220 ком); 6 — 9000° К (^420 = 2,2 ком")Рис. 7.2. Зависимость [ТКС] от температуры терморезисторов с различными значениями В:1 - 2500° к («299=220 ом); 2- 3500’ К («290=2,2 ком); 3 — 4500’К («299= = 22 ком); 4 — 6000° К («420 - 22 ком);5 — 7500° К («420-220 ком); 6 — 9000° К (^420 = 2,2 ком")Коэффициент энергетической чувствительности G равен мощности, которую необходимо подвести к терморезистору, чтобы его сопротивление уменьшилось на 1%. Значение коэффициента энергетической чувствительности зависит от режима работы терморезистора.
Рис. 7.2. Зависимость [ТКС] от температуры терморезисторов с различными значениями В:
1 - 2500° к («299=220 ом); 2- 3500’ К («290=2,2 ком); 3 — 4500’К («299= = 22 ком); 4 — 6000° К («420 - 22 ком);
5 — 7500° К («420-220 ком); 6 — 9000° К (^420 = 2,2 ком")
Рис. 7.2. Зависимость [ТКС] от температуры терморезисторов с различными значениями В:
1 - 2500° к («299=220 ом); 2- 3500’ К («290=2,2 ком); 3 — 4500’К («299= = 22 ком); 4 — 6000° К («420 - 22 ком);
5 — 7500° К («420-220 ком); 6 — 9000° К (^420 = 2,2 ком")
Коэффициент энергетической чувствительности G и коэффициент рассеяния Н определяются свойствами используемого полупроводникового материала, характером теплообмена терморезистора с окружающей средой.
Эти коэффициенты связаны между собой соотношением
G=—^— юотксG=—^— юоткс(7.6)(7.6)и возрастают с увеличением скорости движения среды, окружающей терморезистор, а также с увеличением ее теплопроводности. На этом основано использование
G=—^— юоткс
G=—^— юоткс
(7.6)
(7.6)
терморезисторов для измерения скорости движения, теплопроводности жидкостей и газов.
Постоянная времени т, характеризующая тепловую инерционность терморезистора, — это время (в секундах), в течение которого температура терморезистора изменяется в е раз при перенесении его из среды с температурой 273° К в среду с 373° К- Тепловая инерционность терморезистора определяется его конструкцией и размерами, а также теплопроводностью окружающей среды.
Основными для терморезистора являются зависимость сопротивления от температуры и вольтамперная характеристика.
Статическая вольтамперная характеристика — это зависимость тока, протекающего через элемент, от приложенного к нему напряжения в условиях теплового равновесия между терморезистором и окружающей средой.
Вид статической вольтамперной характеристики терморезистора зависит от конструктивного оформления элемента, свойств полупро-
водникового материала, из которого он выполнен, среды, в которую помещен элемент, тепловой связи между терморезистором и окружающей средой. Поэтому во время снятия таких характеристик при изменении протекающего через элемент тока необходимо, чтобы установилось равновесие между мощностью, выделяющейся в термочувствительном элементе терморезистора, и мощностью, рассеиваемой им в окружающую среду.
Вольтамперная характеристика терморезистора прямого подогрева с отрицательным ТКС приведена на рис. 7.3.
При малых токах (участок ба) статическая вольтамперная характеристика терморезистора линейна; на данном участке сопротивление элемента практически не изменяется, поскольку мощность, выделяющаяся в элементе, недостаточна для существенного изменения температуры.
Дальнейшее увеличение тока приводит к росту выделяющейся мощности и соответственно температуры терморезистора. При этом сопротивление термочувствительного элемента уменьшается и линейная зависимость между напряжением и током нарушается. При некотором токе напряжение на терморезисторе достигает максимального значения и далее с ростом тока падение напряжения на терморезисторе уменьшается (участок аб).
В каждой точке вольтамперной характеристики можно определить статическое и динамическое сопротивление терморезистора.
Статическое сопротивление терморезистора — это отношение напряжения на терморезисторе U к протекающему току / в установившемся режиме.
Величина статического сопротивления пропорциональна тангенсу угла, образованного секущей, проведенной из начала координат в рассматриваемую точку вольтамперной характеристики, и осью токов (рис. 7.3):
(7.7) 1
где ту п mj — масштабные множители по соответствующим осям. Динамическое сопротивление терморезистора равно пределу отношения приращения напряжения на терморезисторе At) к приращению тока А/ в нем, которое стремится к нулю.
Величина динамического сопротивления пропорциональна тангенсу угла, образованного касательной в рассматриваемой точке вольтамперной характеристике и осью токов (рис. 7.3):
dUт
Rk=^=^~*(7-8)
Wт.]
Зависимости статического и динамического сопротивлений терморезистора от тока показаны на рис. 7.4. На начальном участке вольтамперной характеристики, когда сопротивление терморезистора практически не изменяется, статическое сопротивление равно ди-
намическому, и на всем участке вольтамперной характеристики, где соблюдается закон Ома, статическое и динамическое сопротивление сохраняют постоянное значение. Далее на нелинейном участке вольтамперной характеристики статическое сопротивление уменьшается.
На участке Оа рис. 7.3 динамическое сопротивление положительно: dUldI>0\ в точке максимума вольтамперной характеристики динамическое сопротивление равно нулю, а правее точки максимума оно становится отрицательным: dU!dI<0.
Рис. 7.3. Статическая вольт- амперная характеристика терморезистораРис. 7.3. Статическая вольт- амперная характеристика терморезистораРис. 7.4. Зависимости статического Rc и динамического Rr сопротивлений терморезистора от токаРис. 7.4. Зависимости статического Rc и динамического Rr сопротивлений терморезистора от тока
Рис. 7.3. Статическая вольт- амперная характеристика терморезистора
Рис. 7.3. Статическая вольт- амперная характеристика терморезистора
Рис. 7.4. Зависимости статического Rc и динамического Rr сопротивлений терморезистора от тока
Рис. 7.4. Зависимости статического Rc и динамического Rr сопротивлений терморезистора от тока
Область отрицательного динамического сопротивления обычно является рабочей частью вольтамперной характеристики.
Мощность рассеяния терморезистора
(7.9)(7.9)Рт-Н<Г-Тс\
(7.9)
(7.9)
где Т и Тс — температура термочувствительного элемента и окружающей среды соответственно.
Мощность, выделяющуюся в терморезисторе Рт, можно выразить через ток терморезистора Тт, напряжение UT и сопротивление его термочувствительного элемента RT:
Pt^PtRt^UMRt.(7.10)
Если подставить значение RT из (7.1), то
Рг=/=Лехр(й/П-7^7-=/У(7-Г1).(7.11)
Из выражения (7.11) получаем уравнения статической вольтамперной характеристики в параметрической форме
IT= V Н(A (7'-Гс)ехр(-Д/Г);(7.12)
^/ Я(Г-Гс)ехр(-В/Т)^/ Я(Г-Гс)ехр(-В/Т)(7.13)(7.13)
^/ Я(Г-Гс)ехр(-В/Т)
^/ Я(Г-Гс)ехр(-В/Т)
(7.13)
(7.13)
Полученные выражения показывают, что вольтамперная характеристика, терморезистора определяется температурой окружающей среды ТС) коэффициентом температурной чувствительности В, а также коэффициентами А и Н.
изменении:изменении:а — температуры; б — коэффициента температурной чувствительности В; в — коэффициента рассеяния Н (в)а — температуры; б — коэффициента температурной чувствительности В; в — коэффициента рассеяния Н (в)
изменении:
изменении:
а — температуры; б — коэффициента температурной чувствительности В; в — коэффициента рассеяния Н (в)
а — температуры; б — коэффициента температурной чувствительности В; в — коэффициента рассеяния Н (в)
При увеличении температуры окружающей среды сопротивление терморезистора уменьшается, при этом снижается положение максимума на вольтамперной характеристике и несколько уменьшается ее крутизна (рис. 7.5, а). Увеличение коэффициента температурной чувствительности В обычно приводит к смещению положения максимума характеристики в сторону меньших мощностей, а крутизна падающего участка возрастает (рис. 7.5, б). С уменьшением коэффициента Н происходит более интенсивный разогрев термочувствительного элемента и точка перегиба на вольтамперной характеристике возникает при меньших токах и напряжениях (рис. 7.5, в).
Для терморезисторов косвенного подогрева имеется ряд дополнительных параметров: сопротивление подогревателя, максимальный ток через подогреватель и др.
Статическая вольтамперная характеристика терморезисторов с косвенным подогревом определяется током Тп, протекающим по спирали нагрева (рис. 7.6).
Полупроводниковые болометры также обладают рядом специфических параметров, определяющих их свойства и границы использования: чувствительность, порог чувствительности, э. д. с. шумов.
Чувствительность болометра (в/втплив- см2]вт) численно равна величине отношения сигнала, получаемого с болометра, к мощности излучения, падающего на приемную площадку термочувствительно-
го элемента. Чувствительность болометра определяется в основном электрофизическими свойствами «материала, из которого выполнен элемент, приложенным напряжением и размером поверхности
термочувствительного элемента.
Порог чувствительности болометра — это минимальная энергия электромагнитного излучения, которая может быть зарегистрирована болометром на фоне его собст
Рис. 7.6. Статические вольтамперные характеристики терморезистора косвенного подогрева при изменении тока в спирали подогреваРис. 7.6. Статические вольтамперные характеристики терморезистора косвенного подогрева при изменении тока в спирали подогревавенных шумов при данных условиях измерения.
Рис. 7.6. Статические вольтамперные характеристики терморезистора косвенного подогрева при изменении тока в спирали подогрева
Рис. 7.6. Статические вольтамперные характеристики терморезистора косвенного подогрева при изменении тока в спирали подогрева
Электродвижущей силой шумов болометра называют эффективное значение переменного напряжения, возникающего на выводах болометра вследствие тепловых и токовых шумов в термочувствительном элементе.
Важнейшим параметром болометра является и постоянная вре-
мени — промежуток времени, в течение которого можно получить сигнал величиной, достаточной для использования. Как и у дру
гих терморезисторов, постоянная времени болометра определяется теплоемкостью, теплопроводностью термочувствительного элемента, условиями его теплообмена
с другими элементами конструкции.
СВОЙСТВА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВИ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
Материалы, используемые для производства терморезисторов, должны удовлетворять ряду требований: чисто электронной электропроводности, возможности регулирования проводимости и ТКр в широких пределах, стабильности характеристик в рабочем диапазоне температур и простоте технологического процесса получения изделий. Кроме того, эти материалы должны обладать малой чувствительностью к загрязнениям, возможным в процессе изготовления.
Обычно для создания терморезисторов используют полупроводниковые материалы с большим ТКр.
Материалы со значительным терморезистивным эффектом были известны еще в прошлом столетии, однако потребовались многочисленные исследования, чтобы выявить полупроводниковые материалы, обладающие комплексом необходимых свойств.
Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом выполняют в основном из синтетических материалов — смеси окислов переходных металлов, способных изменять в соединениях
свою валентность. Соединения переходных металлов с кислородом имеют обычно ярко выраженные полупроводниковые свойства.
В 1947—1955 гг. были проведены значительные работы по созданию промышленных терморезисторов. Причем основным направлением являлась разработка терморезисторов на основе окислов титана и магния. Величина удельного сопротивления смесей окислов
титана и магния регулировалась путем изменения стехиометрического состава материала при обжиге в восстановительной среде ( в водо
роде). Однако вследствие существенного изменения проводимости материала при небольших нарушениях стехиометрии трудно было получить изделия с необходимыми характеристиками. Кроме того, необходимость герметизации термочувствительных элементов в восстановительной среде или в вакууме при использовании специальных баллонов или корпусов радиоламп значительно увеличивало габариты терморезисторов и, следовательно, ограничивало их область применения, а также приводила к увеличению инерционности.
Изменение проводимости материала возможно не только в резуль-
СиО # го ад 60 80 ЮО Ып^молСиО # го ад 60 80 ЮО Ып^молРис. 7.7. Проводимость о (кривая 7) и [ТК р] (кривая 2) медио- маргаицевых материалов в зави-Рис. 7.7. Проводимость о (кривая 7) и [ТК р] (кривая 2) медио- маргаицевых материалов в зави-тате изменения стехиометрии при обжиге в восстановительной среде, но и его основного состава. Поэто-тате изменения стехиометрии при обжиге в восстановительной среде, но и его основного состава. Поэто-му исследовались материалы, тер- симости от содержания компоиеи- мический синтез которых можно*тов Си0 и Пз 4
СиО # го ад 60 80 ЮО Ып^мол
СиО # го ад 60 80 ЮО Ып^мол
Рис. 7.7. Проводимость о (кривая 7) и [ТК р] (кривая 2) медио- маргаицевых материалов в зави-
Рис. 7.7. Проводимость о (кривая 7) и [ТК р] (кривая 2) медио- маргаицевых материалов в зави-
тате изменения стехиометрии при обжиге в восстановительной среде, но и его основного состава. Поэто-
тате изменения стехиометрии при обжиге в восстановительной среде, но и его основного состава. Поэто-
было бы проводить в воздушной ат-
мосфере, а не в восстановительной среде, что позволило бы упростить технологию производства изделий, отказаться от герметизации, значительно уменьшить их объем и улучшить ряд парамет
ров.
Многочисленные исследования, проведенные в Физико-техническом институте АН СССР, показали, что материалы в системе СиО— МпзО4, прошедшие термическую обработку в окислительной среде — в воздушной атмосфере имеют проводимость 10-5—Ю ом~х • м-х и ТКр = —(0,03—0,045) град-х.
Зависимости проводимости и ТКр медномарганцевого материала от содержания компонентов СиО и Мп3О4 показаны на рис. 7.7.
Большой интервал значений проводимости обусловлен тем, что система окислов СиО — Мп3О4, представляющая собой сложную композицию из двух химических соединений, образует с исходными компонентами серию твердых растворов типа замещения. Особенностью данной системы является то, что при значительном изменении состава материала и его проводимости величина ТКр изме-
няется незначительно. На основе системы окислов СиО— МП3О4 создана серия медномарганцевых терморезисторов (ММТ-1, ММТ-4 и т. п.).
Кроме того, синтезированы оксидные полупроводниковые материалы, представляющие собой различные комбинации окислов марганца, меди, кобальта и никеля. Всестороннее изучение их электрических и физико-химических свойств в зависимости от состава и кристаллической структуры позволило синтезировать материалы с широким диапазоном удельных сопротивлений и ТКр, обладающих необходимыми физико-химическими свойствами и в первую очередь стабильностью состава и кристаллической структуры в рабочих интервалах температур.
В настоящее время терморезисторы с отрицательным ТКС выполняют на основе большого числа оксидных полупроводниковых материалов (СиО, МП3О4, СО3О4, №0 и т. д.), что обусловливает специфические особенности технологии и соответственно параметры термочувствительных элементов. Среди оксидных полупроводников наибольший интерес представляют соединения, образованные из элементов, расположенных в переходном ряду таблицы Менделеева (от титана до меди).
Элементы переходного ряда, изменяя в соединениях свою валентность, позволяют синтезировать полупроводниковые материалы с необходимой величиной проводимости и ТКр. Так, на основе смесей окислов кобальта и марганца получены материалы, проводимость которых лежит в пределах 10-3 — 10~7 ом • м в зависимости от состава.
Электрические свойства медномарганцевых и кобальтомарганце- вых полупроводников определяются соотношением исходных окислов, входящих в состав материала, структурой материала, расположением и валентностью катионов в решетке, пространственным распределением кристаллических фаз, образующих материал, а также контактными явлениями в поверхностных слоях отдельных кристаллов полупроводника, прослойками с повышенным сопротивлением вследствие образования их при окислении поверхности кристаллов.
Технологические принципы получения терморезисторов различных типов идентичны. Рассмотрим последовательность технологических операций при производстве медномарганцевых терморези- сторов.
Исходные порошковые материалы для изготовления медномарганцевых терморезисторов получают или совместным осаждением гидратных соединений меди и марганца или механическим смешиванием окислов марганца и меди.
Для совместного осаждения гидратных соединений меди и мар- ,ганца из концентрированных водных растворов азотнокислых солей •применяют раствор едкой щелочи (NaOH или КОН).
После осаждения производят промывку осадка, до тех пор пока в воде не будет содержаться азотнокислых солей (NaNO3 или KNO3), а затем его фильтрацию. Далее осуществляют термообра-
ботку (при 350—360° К) материала и помол на шаровых мельницах или специальном оборудовании до заданной дисперсности.
У полученных порошков контролируют химический состав — определяют содержание меди и марганца и правильность составленной рецептуры.
Изменяя процентное соотношение компонентов, можно варьировать свойства получаемых порошков и выполняемых на их основе керамических полупроводниковых материалов, получать терморезисторы с заданными значениями номинального сопротивления и ТКС.
После контроля порошок просеивают через сито с заданным размером ячеек. В просеянную смесь добавляют связующий компонент до получения тестообразной массы.
Для изготовления термочувствительных элементов медномарган- цевых и кобальтомарганцевых терморезисторов методом протяжки через мундштучный пресс в качестве связующего компонента применяют растительный белковый клей РБ или пластификаторы, состоящие из метилцеллюлозы и поливинилового спирта, обладающие более высокими пластическими свойствами по сравнению с клеем РБ.
Приготовленную массу закладывают в мундштучный пресс и выдавливают в виде стержней, которые сушат на воздухе в течение десятков часов.
Терморезистивные элементы изготовляют также путем горячего литья под давлением, что позволяет уменьшить допустимые отклонения сопротивления от номинального значения и облегчает получение изделий одинаковых геометрических размеров.
Следующая технологическая операция — обжиг при 1370— 1400° К. Технологическими инструкциями регламентируется, скорость повышения температуры, время выдержки при заданной температуре или скорость движения конвейерной ленты через нагретую рабочую зону.
Обжиг является одним из основных этапов получения полупроводниковой керамики. При обжиге происходят сложные физико-химические процессы в кристаллах и на их границах. Характер связи между кристаллами определяется условиями прессования материала, температурой и длительностью обжига. В процессе обжига материал рекристаллизируется, вследствие спекания уменьшается его объем; материал приобретает значительную механическую прочность.
Важной технологической операцией в производстве полупроводниковых терморезисторов является создание омических контактов. Для этого на торцевых поверхностях термочувствительных элементов, выполненных в виде стержней, дисков или шайб, создают серебряные контакты с помощью специальных паст.
Для повышения стабильности параметров элементы подвергают термообработке при температуре 470—500° К. Дополнительную стабилизацию параметров производят путем прогрева элементов в течение сотен часов при максимальной рабочей температуре.
С целью защиты от воздействия внешней среды поверхность тер-
нечувствительных элементов покрывают соответствующими эмалями и лаками.
В настоящее время наиболее распространенными являются полупроводниковые терморезисторы на основе медномарганцевых (ММТ и СТ2), кобальтомарганцевых (КМТ и СТ1) и меднокобаль- томарганцевых (СТЗ) оксидных полупроводников.
Бусинковые миниатюрные термочувствительные элементы выполняют капельным методом. В качестве исходного материала служит тестообразная жидкая масса, изготавливаемая из основного порошкового материала. Электрические характеристики термочувствительного элемента и его размеры фиксируются после термического обжига в обычной окислительной атмосфере при температурах около 1400° К и последующей термообработки.
Для получения терморезисторов в последнее время стали использовать тройные системы окислов. Проводимость таких систем обладает малой чувствительностью к примесям и к изменениям расположения и валентности катионов, что позволяет получать терморезисторы с малым разбросом электрических параметров, обеспечивать массовый выпуск терморезисторов с заданными электрическими параметрами, поскольку примеси не оказывают существенного влияния на свойства материала.
Для получения термочувствительных элементов, стабильных при высоких температурах (до 800—900° К), используют смеси окисей и гидратных соединений титана и кобальта. Термочувствительные кобальтотитановые элементы выполняют в виде миниатюрных бусинок с платиновыми выводами. Одной из основных операций является обжиг бусинок при температуре 1700—1800° К. Наиболее технологичны составы с молекулярным отношением СоО к TiO, как 0,5 и 1. В этом случае термочувствительные элементы обжигают при температуре 1720° К, при которой материал оплавляется и прочно спекается с платиновыми выводами. После основного обжига элементы подвергают дополнительному окислению путем прогрева на воздухе при температуре около 1050° К в течение нескольких часов для перевода титана в четырехвалентное состояние.
Кроме окислов марганца, меди, кобальта и титана, в качестве исходных компонентов для терморезисторов используют также окис- лы ванадия, железа и др. Изменяя соотношения компонентов в материале, получают заданные величины проводимости и ТКр. Применяя указанные компоненты и несколько видоизмененных способов смешения и термического обжига, создали терморезисторы с косвенным подогревом (ТКП).
Термочувствительные элементы терморезисторов ТКП-50А и ТКП-20 выполняют из смеси двуокиси титана (ТЮг) и окиси магния (MgO). Взвешенные в определенных соотношениях компоненты подвергают помолу и перемешиванию в течение 24 ч в шаровой мельнице. Затем выпаривают разбавитель и просеивают состав
через сито, после чего добавляют органический связующий компонент. Эластичную тестообразную массу выдавливают через специальный мундштук на вертикальной формовочной установке. Полученные трубки сушат при комнатной температуре в течение 10— 15 ч, потом парафинируют при температуре 350—360° К. Далее из трубок нарезают элементы заданных размеров, которые отжигают в окислительной атмосфере при температуре 1670° К несколько часов. Температуру поднимают постепенно в течение 5—8 ч.
В процессе обжига в воздушной среде происходит спекание частиц, выгорание органического связующего компонента, изменение кристаллической структуры двуокиси титана. Вследствие указанных процессов происходит усадка элементов на 30—35%.
На концы полученных элементов наносят контактную пасту из МоО3 и МпСОз, замешанных на разбавителе из нитроклетчатки.
Дальнейшую обработку элементов осуществляют в восстановительной среде в атмосфере водорода. В процессе обжига происходит восстановление ТЮ, приводящее к увеличению проводимости элемента, а также восстановление МоОз в металлический молибден и спекание его с поверхностью трубчатого элемента.
Восстановление МоО3 происходит в две стадии:
МоО3^МоО2 при /' = 700 — 900° К;
МоО2->Мо при /'=900—1200° К.
Поскольку постепенное увеличение температуры не всегда удобно и заготовки помещают в печь с температурой 1600—1650° К, во избежание распыления контактного покрытия вводят МпСО3, который при более низкой температуре образует термически устойчивое соединение МпМоО2. Полученный элемент укрепляют на вольфрамовых проволоках и монтируют на четырехэлектродной ножке, внутрь трубки вставляют спираль из сплава с высоким удельным сопротивлением. Баллон с элементом заваривают и из него откачивается воздух до давления 10-3 н1м2. Во время откачки проводится температурная обработка стекла и термочувствительного элемента. Далее на подогреватель терморезисторов в течение заданного времени подается .мощность, в 2—3 раза превышающая номинальную, с целью стабилизации параметров элемента.
Термочувствительный элемент терморезистора ТДП-300 выполняют из двуокиси титана (Т1О2), окиси кобальта (Со2О3) и метаванадата аммония (NH4VO3). Заготовки подвергают обжигу в окислительной среде при температуре 1020—1070° К, в процессе которого происходит выгорание связующего компонента, переход метаванадата аммония в пятиокись ванадия (V2Os) и опекание частиц. Затем производят термообработку элементов в восстановительной среде (в водороде) при температуре 1170—1220° К в течение 30—40 сек. Термочувствительный элемент укрепляют на никелевых электродах и помещают в кварцевую трубку с вольфрамовой спиралью. Далее трубка заваривается, из нее откачивается воздух до давления 10-2—10-3 н!м?.
Особым видом полупроводниковых терморезисторов являются болометры, получившие распространение в качестве индикаторов лучистой энергии. Термочувствительный элемент болометра помещают в герметичный корпус, в котором создается вакуум.
Термочувствительный элемент болометра выполняют в виде пленки толщиной 8—10 мкм, изготовленной преимущественно из смеси окислов кобальта, марганца и никеля (раньше использовались тонкие платиновые полоски). После помола окислов, взятых в определенном процентном соотношении, смешения их с растворителем и органическим связующим компонентом полученную композицию наносят тонким слоем на изоляционное основание (кварц, стекло) с таким расчетом, чтобы после усадки, происходящей при обжиге, толщина пленки составляла 8—10 мкм.
Нанесенную пленку подвергают термической обработке при тех же режимах, что и у других терморезисторов. На концы термочувствительного элемента для получения надежного омического контакта с минимальным уровнем собственных шумов наносят электроды из золота или серебра. Размеры поверхности термочувствительного элемента, на которую падает поток теплового излучения, обычно от 0,1 Х0,1 до 2x2 мм.
Для обеспечения малой постоянной времени термочувствительный элемент болометра располагают на подложке, имеющей высокую теплопроводность при малой проводимости. В качестве подложек служат такие материалы, как сапфир или кристаллический кварц, обладающие высокой теплопроводностью. Сложность технологии получения болометров заключается в получении еще одного термочувствительного элемента (компенсационного), который по своим параметрам должен быть идентичен основному элементу. Компенсационный элемент, защищенный от излучения, предназначен для температурной компенсации изменения сопротивления основного термочувствительного элемента.
Для создания терморезисторов с большим отрицательным ТКС в узком интервале температур перспективны окислы ванадия. В окислах ванадия V2O3 и V2O4 при температуре фазовых превращений (340, 390° К) наблюдается резкое увеличение проводимости на несколько порядков. В области температур, соответствующих фазовым превращениям в материале, величина ТКр достигает— (8—10) град-1.
Разработана технология производства терморезисторов с большим положительным ТКС в узком диапазоне температур (позисторов).
Терморезисторы с положительным ТКС выполняют главным образом на основе титанатобариевой керамики, удельная проводимость которой значительно повышена за счет добавления примесей редкоземельных элементов.
Титанат бария (ВаТЮ3) является диэлектриком с удельным сопротивлением 108—1010 ом • м при температуре 273° К-
Этот материал обладает в определенном интервале температур аномальной температурной зависимостью: в узком интервале тем-
ператур его сопротивление увеличивается на несколько порядков. Аномальная температурная зависимость удельного сопротивления титаната бария наблюдается в области тетрагонально-кубического фазового перехода, т. е. в той области, в которой материал при повышении температуры выше точки Кюри переходит из сегнетоэлек
трического впараэлектрическоесостояние.
Положение точки Кюри изменяется при изменении катионного состава сегнетоэлектриков. Создавая более сложные системы, например, ВаТЮз— SrTiO3 и ВаТЮ3 — BaSnO3, можно смещать точ
ку Кюри в сторону более низких температур, увеличивая содержание в материале твердого раствора стронция и олова. Легируя эти материалы небольшими добавками редкоземельных элементов, варьируют диапазон температур с аномальной температурной зависимостью проводимости. Так, увеличение содержания катионов стронция и олова приводит к сдвигу области поло-, жительного ТК р в сторону низких температур.
Удельное сопротивление титаната бария зависит от вида примеси и от ее концентрации. Введение в титанат ,бария таких примесей, как лантан или церий в ничтожно малых количествах (0,1—0,3 ат. %), уменьшает его удельное сопротивление до 0,1—1 ом-м.
Рис. 7.8. Влияние концентрации примеси на удельное сопротивление титаиата бария:I — ниодим; 2 — церий, лаитан, ниобий; 3 — иттрийРис. 7.8. Влияние концентрации примеси на удельное сопротивление титаиата бария:I — ниодим; 2 — церий, лаитан, ниобий; 3 — иттрийОднако при дальнейшем увеличении концентрации примесей удельное сопротивление очень быстро увеличивается и материал теряет полупроводниковые свойства (рис.
Рис. 7.8. Влияние концентрации примеси на удельное сопротивление титаиата бария:
I — ниодим; 2 — церий, лаитан, ниобий; 3 — иттрий
Рис. 7.8. Влияние концентрации примеси на удельное сопротивление титаиата бария:
I — ниодим; 2 — церий, лаитан, ниобий; 3 — иттрий
7.8).
При комнатной температуре материалы имеют структуру перовскита тетрагональной модификации. Причем с увеличением содержания церия свыше 0,3 ат. % степень тетрагональности уменьшается и происходит разукрупнение кристаллов.
Основные этапы получения полупроводниковой керамики аналогичны существующим при получении керамики обычного типа, необходимы только особые меры предосторожности для обеспечения высокой частоты материала, а также тщательный контроль за процессом производства, поскольку температурно-резистивные характеристики позистора определяются микроструктурой керами
ки и примесями.
При смешивании и помоле исходных компонентов в шаровой мельнице материал, из которого выполнены ее стенки, не должен оказывать загрязняющего действия. После помола смесь фильтруют, высушивают и обжигают при температуре свыше 1300° К. В результате обжига материал превращается в белые хрупкие куски, которые подвергают вторичному помолу в шаровой мельнице. Полу-
ченный порошок прессуют под давлением в пластины, диски или бруски.
Термочувствительные элементы, полученные прессованием, подвергают обжигу в печи при 1600—1700° К в течение нескольких часов. Далее на элементах создают омические контакты. Выводы, присоединяемые к элементам, должны обеспечивать хороший электрический контакте керамикой и в результате малое переходное сопротивление.
После присоединения контактных выводов на термочувствительный элемент наносят защитное изоляционное покрытие, далее измеряют его параметры и производят маркировку.
Терморезисторы с положительным или отрицательным ТКС выполняют также на основе кремния, германия, карбида кремния, фосфида галлия; чаще используют кремний и карбид кремния.
Термочувствительные элементы с положительным ТКС в случае применения Si, Ge, SiC получают на основе эффекта уменьшения подвижности носителей заряда с ростом температуры за счет их рассеяния на фононах. Кремниевые термочувствительные элементы представляют собой пластинки, выполненные из материала п- или p-типа с концентрацией примеси 1021—1022 м~\ Омические контакты создают различными технологическими способами, например, двухкратным химическим осаждением никеля. Для защиты от влаги и других внешних воздействий термочувствительный элемент покрывают термостойким лаком или помещают в герметичную оболочку.
КОНСТРУКЦИИ И ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯПАРАМЕТРОВ
Конструкции термочувствительных элементов терморезисторов весьма разнообразны: в виде цилиндрических стержней, дисков, миниатюрных бусинок и плоских прямоугольников.
Конструкции основных типов медномарганцевых (ММТ) и ко- бальтомарганцевых терморезисторов (КМТ) приведены на рис. 7.9 и 7.10, параметры — в табл. 7.1.
Терморезисторы ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой стержни из соответствующего полупроводникового материала, на концах которых напрессованы металлические колпачки с проволочными выводами. Поверхность терморезистора с целью защиты от воздействия внешней среды покрыта эмалью. По конструктивному оформлению эти терморезисторы подобны резисторам МЛТ.
У ММТ-4 и КМТ-4 термочувствительные элементы помещены в герметичный корпус цилиндрической формы. Один металлический колпачок термочувствительного элемента с помощью оловянносвин- цового сплава впаян в корпус, который таким образом является одним из его выводов. Другой вывод элемента выходит из корпуса через впаянный в него стеклянный изолятор. Для лучшего отвода тепла от элемента к корпусу пространство между ними заполнено медной фольгой.
Терморезисторы ММТ-1 и КМТ-1 не герметизированы и предназначены для работы в закрытых и сухих помещениях, ММТ-4 и КМТ-4 герметизированы и работоспособны в условиях повышенной влажности, а также в жидкой среде.
Терморезистор ММТ-6 представляет собой тонкий стержень, диаметром около 0,8 мм, из торца которого выходят проволочные выводы толщиной 0,2 мм. Поверхность терморезистора покрыта влагостойкой эмалью.
КМТ: и КМТ-8;КМТ: и КМТ-8;д - ММТ-9; — термочув-д - ММТ-9; — термочув-Рис. 7.9. Конструкции терморезисторов ММТ и а —ММТ-1 и КМТ-1; б —ММТ-4 и КМТ-4; в —ММ~-6; г — ММТ-8 . е — КМТ-10; ас —КМТ-11; з —ММТ-12 и КМТ-12: и — ММТ-13а; к — ММТ-136; 1 ствительный элемент; 2 — корпус; 3 — контактные выводы; 4 — стеклянный изолятор; 5— медная фольга; 6 — компаундРис. 7.9. Конструкции терморезисторов ММТ и а —ММТ-1 и КМТ-1; б —ММТ-4 и КМТ-4; в —ММ~-6; г — ММТ-8 . е — КМТ-10; ас —КМТ-11; з —ММТ-12 и КМТ-12: и — ММТ-13а; к — ММТ-136; 1 ствительный элемент; 2 — корпус; 3 — контактные выводы; 4 — стеклянный изолятор; 5— медная фольга; 6 — компаунд
КМТ: и КМТ-8;
КМТ: и КМТ-8;
д - ММТ-9; — термочув-
д - ММТ-9; — термочув-
Рис. 7.9. Конструкции терморезисторов ММТ и а —ММТ-1 и КМТ-1; б —ММТ-4 и КМТ-4; в —ММ~-6; г — ММТ-8 . е — КМТ-10; ас —КМТ-11; з —ММТ-12 и КМТ-12: и — ММТ-13а; к — ММТ-136; 1 ствительный элемент; 2 — корпус; 3 — контактные выводы; 4 — стеклянный изолятор; 5— медная фольга; 6 — компаунд
Рис. 7.9. Конструкции терморезисторов ММТ и а —ММТ-1 и КМТ-1; б —ММТ-4 и КМТ-4; в —ММ~-6; г — ММТ-8 . е — КМТ-10; ас —КМТ-11; з —ММТ-12 и КМТ-12: и — ММТ-13а; к — ММТ-136; 1 ствительный элемент; 2 — корпус; 3 — контактные выводы; 4 — стеклянный изолятор; 5— медная фольга; 6 — компаунд
Термочувствительный элемент у ММТ-8 и КМТ-8 состоит из одной-двух полупроводниковых шайб, соединенных между собой. Для защиты от воздействия повышенной влажности и механических нагрузок шайбы залиты специальным компаундом в герметически закрытом корпусе.
Терморезистор ММТ-9 —• эта шайба или несколько шайб, выполненных из смеси окислов меди и марганца. На боковые поверхности шайб нанесена изоляционная эмалевая краска, а на торцевые — вжиганием серебряные электроды. Контакт с терморезистором ММТ-9 обычно осуществляют с помощью контактных пружин, прижатых к посеребренным поверхностям.
0505Рис. 7.10. Конструкции терморезисторов КМТ-14 (а), КМТ-17а и КМТ-176:1 — полупроводниковый элемент; 2 — платиновый вывод; 3 — стеклянный изолятор; 4 — платинитовый вывод; 5 — стеклянный корпусРис. 7.10. Конструкции терморезисторов КМТ-14 (а), КМТ-17а и КМТ-176:1 — полупроводниковый элемент; 2 — платиновый вывод; 3 — стеклянный изолятор; 4 — платинитовый вывод; 5 — стеклянный корпусо5ЮЮЮЮЮ10ЮЮ | ] Ю Ю Ю со СОВ 1 si кх "а?g оЙ Й 5 ^ % 1 I I S ° 1 1 1 isX о 8? Я к X н•6*0о -сососо со—< io| | ^ см см ООЯ и X ио XСОООю ю* со со |1* о—4 —4 1ОI0—45 со -■ ®О О О ООООО Уоо о о оо со оСО оО _(МСОСМСООСЧ^СОООО^СОо оNM't^^Ots.cOM’OOOCOM’о111 1811 ISS8IIISо S о SSS S 8 л\О О О ОООО—ООСО СМ со СМ СО СМ смсм смК с256 «RООооООоОО ЮООЮ-СО^Ю*••'fюсо1 1 1 11 1 11 11*7WClxf-'^(74Tt'Tt'А/'^Д^^СОД•^ сч^см^смсмсмсм<ми XОООООООООООООооlOOOOOTfri-OOOOOO •^^TfiTf^COCO'fCOCOCOCO'*Ю ’Г1 1 II 1 11 1 1 II 1 IIОООООООООООООО о—<—<СОСО^-<Г'-Г^СО—<—<CS(M(MCM(M(M(M(M(M(M(M(MCM61 сма I 2 к * 2 X 2 * х §X cd Есо со ^ со Ю* * со со со о —О* О о* О О -4 (М СМ* о о оо о2 а X5 оВ ?и , xS1SSSSSSSI55III SSО О 00о О’-4 ю° X хО О SX иао о о см оо о* - о о- • о о7777 7 1J. Д м I И 1 Д •1^0000^^0—••° —г® • о о -о * ю о (МСМ’—О'-О-41-<ООО°о"°11<0 'О«4 \Ло5ЮЮЮЮЮ10ЮЮ | ] Ю Ю Ю со СОВ 1 si кх "а?g оЙ Й 5 ^ % 1 I I S ° 1 1 1 isX о 8? Я к X н•6*0о -сососо со—< io| | ^ см см ООЯ и X ио XСОООю ю* со со |1* о—4 —4 1ОI0—45 со -■ ®О О О ООООО Уоо о о оо со оСО оО _(МСОСМСООСЧ^СОООО^СОо оNM't^^Ots.cOM’OOOCOM’о111 1811 ISS8IIISо S о SSS S 8 л\О О О ОООО—ООСО СМ со СМ СО СМ смсм смК с256 «RООооООоОО ЮООЮ-СО^Ю*••'fюсо1 1 1 11 1 11 11*7WClxf-'^(74Tt'Tt'А/'^Д^^СОД•^ сч^см^смсмсмсм<ми XОООООООООООООооlOOOOOTfri-OOOOOO •^^TfiTf^COCO'fCOCOCOCO'*Ю ’Г1 1 II 1 11 1 1 II 1 IIОООООООООООООО о—<—<СОСО^-<Г'-Г^СО—<—<CS(M(MCM(M(M(M(M(M(M(M(MCM61 сма I 2 к * 2 X 2 * х §X cd Есо со ^ со Ю* * со со со о —О* О о* О О -4 (М СМ* о о оо о2 а X5 оВ ?и , xS1SSSSSSSI55III SSО О 00о О’-4 ю° X хО О SX иао о о см оо о* - о о- • о о7777 7 1J. Д м I И 1 Д •1^0000^^0—••° —г® • о о -о * ю о (МСМ’—О'-О-41-<ООО°о"°11<0 'О«4 \ЛПри 423° К.Рассчитан на 200 аварийных срабатываний при мощности на терморезисторе ие более 0,25 вт в течение 2 сек.При 423° К.Рассчитан на 200 аварийных срабатываний при мощности на терморезисторе ие более 0,25 вт в течение 2 сек.
05
05
Рис. 7.10. Конструкции терморезисторов КМТ-14 (а), КМТ-17а и КМТ-176:
1 — полупроводниковый элемент; 2 — платиновый вывод; 3 — стеклянный изолятор; 4 — платинитовый вывод; 5 — стеклянный корпус
Рис. 7.10. Конструкции терморезисторов КМТ-14 (а), КМТ-17а и КМТ-176:
1 — полупроводниковый элемент; 2 — платиновый вывод; 3 — стеклянный изолятор; 4 — платинитовый вывод; 5 — стеклянный корпус
о5
ЮЮЮЮЮ10ЮЮ | ] Ю Ю Ю со СО
В 1 si к
х "а?
g о
Й Й 5 ^ % 1 I I S ° 1 1 1 is
X о 8? Я к X н
•6*0
о -
сососо со—< io
| | ^ см см ОО
Я и X и
о X
СООО
ю ю* со со |1* о
—4 —4 1ОI0—4
5 с
о -
■ ®
О О О ООООО Уо
о о о оо со оСО оО _
(МСОСМСООСЧ^СОООО^СОо о
NM't^^Ots.cOM’OOOCOM’о
111 1811 ISS8IIIS
о S о SSS S 8 л\
О О О ОООО—ОО
СО СМ со СМ СО СМ смсм см
К с
25
6 «
R
ООооООо
ОО ЮООЮ-СО^Ю*••'fюсо
1 1 1 11 1 11 11*
7WClxf-'^(74Tt'Tt'А/'^Д^^СОД
•^ сч^см^смсмсмсм<м
и X
ОООООООООООООоо
lOOOOOTfri-OOOOOO •^^TfiTf^COCO'fCOCOCOCO'*Ю ’Г
1 1 II 1 11 1 1 II 1 II
ОООООООООООООО о
—<—<СОСО^-<Г'-Г^СО—<—<
CS(M(MCM(M(M(M(M(M(M(M(MCM61 см
а I 2 к * 2 X 2 * х §
X cd Е
со со ^ со Ю* * со со со о —
О* О о* О О -4 (М СМ* о о оо о
2 а X
5 о
В ?
и , xS
1
SSSSSSSI55III SS
О О 00о О’-4 ю
° X х
О О S
X и
ао о о см о
о о* - о о- • о о
7777 7 1J. Д м I И 1 Д •1^0000^^0—••
° —г® • о о -о * ю о (МСМ’—О'-О-41-<ООО
°о"°
1
1
<0 'О«4 \Л
о5
ЮЮЮЮЮ10ЮЮ | ] Ю Ю Ю со СО
В 1 si к
х "а?
g о
Й Й 5 ^ % 1 I I S ° 1 1 1 is
X о 8? Я к X н
•6*0
о -
сососо со—< io
| | ^ см см ОО
Я и X и
о X
СООО
ю ю* со со |1* о
—4 —4 1ОI0—4
5 с
о -
■ ®
О О О ООООО Уо
о о о оо со оСО оО _
(МСОСМСООСЧ^СОООО^СОо о
NM't^^Ots.cOM’OOOCOM’о
111 1811 ISS8IIIS
о S о SSS S 8 л\
О О О ОООО—ОО
СО СМ со СМ СО СМ смсм см
К с
25
6 «
R
ООооООо
ОО ЮООЮ-СО^Ю*••'fюсо
1 1 1 11 1 11 11*
7WClxf-'^(74Tt'Tt'А/'^Д^^СОД
•^ сч^см^смсмсмсм<м
и X
ОООООООООООООоо
lOOOOOTfri-OOOOOO •^^TfiTf^COCO'fCOCOCOCO'*Ю ’Г
1 1 II 1 11 1 1 II 1 II
ОООООООООООООО о
—<—<СОСО^-<Г'-Г^СО—<—<
CS(M(MCM(M(M(M(M(M(M(M(MCM61 см
а I 2 к * 2 X 2 * х §
X cd Е
со со ^ со Ю* * со со со о —
О* О о* О О -4 (М СМ* о о оо о
2 а X
5 о
В ?
и , xS
1
SSSSSSSI55III SS
О О 00о О’-4 ю
° X х
О О S
X и
ао о о см о
о о* - о о- • о о
7777 7 1J. Д м I И 1 Д •1^0000^^0—••
° —г® • о о -о * ю о (МСМ’—О'-О-41-<ООО
°о"°
1
1
<0 'О«4 \Л
При 423° К.
Рассчитан на 200 аварийных срабатываний при мощности на терморезисторе ие более 0,25 вт в течение 2 сек.
При 423° К.
Рассчитан на 200 аварийных срабатываний при мощности на терморезисторе ие более 0,25 вт в течение 2 сек.
Рассмотренные типы терморезисторов предназначены для схем измерения и регулирования температуры, а также температурной компенсации.
Терморезисторы, предназначенные для работы в системах температурной сигнализации и теплового контроля, выполняют герметизированными (КМТ-10) и негерметизированными (КМТ-11) в виде полупроводникового элемента без защитного корпуса. Терморезисторы КМТ-10 работоспособны при относительной влажности до 98%, КМТ-11 — при влажности, не превышающей 80%. Срок службы КМТ-10 и КМТ-11 рассчитан на 200 аварийных включений систе-
мы теплового контроля при максимальной мощности рассеяния не более 0,25 вт. Время работы терморезисторов при максимальной нагрузке не должно превышать 2 сек.
У терморезисторов ММТ-12, КМТ-12 и ММТ-13 термочувствительный элемент — шайба из соответствующего полупроводникового материала, на торцевые поверхности которой нанесены вжиганием серебряные электроды; проволочные выводы терморезисторов припаяны к электродам. Поверхность терморезисторов покрыта эмалью.
К наиболее термостойким относятся терморезисторы КМТ-14 и КМТ-17 (рис. 7.10). Термочувствительный элемент КМТ-14 в виде бусинки диаметром 0,5 мм нанесен на две параллельные платиновые проволоки, приваренные к платинитовым выводам (диаметром 0,4 мм), и расположен в коническом конце герметизированной стеклянной трубки, которая является корпусом терморезистора. Тер-
мочувствительные элементы у КМТ-17 выполняют в виде диска; два конструктивных варианта терморезистора отличаются расположением выводов.
Медномарганцевые и кобальтомарганцевые терморезисторы (табл. 7.1) имеют широкий диапазон номинальных сопротивлений, промежуточные значения которых устанавливают в соответствии ' с ГОСТ 2825—63. Терморезисторы КМТ по сравнению с ММТ име
7,
100
г)
6)
Рис. 7.11. Конструкции терморезисторов СТ1, СТ2, СТЗ: а — СТ1-17 и СТЗ-17; 6 —СТ1-18 и СТЗ-18; в —СТ1-19 и СТЗ-19; г — СТЗ-24; д — СТЗ-25; е — СТ2-26 н СТЗ-26
26*36
"1
ют более высокую температурную чувствительность. Так у терморезисторов КМТ ТКС = — (0,04—0,085) градЛ а у ММТ ТКС = =■(0,023—0,05) град-'.
Конструкции терморезисторов СТ на основе кобальтомарганце- вых (СТ1), медномарганцевых (СТ2) и меднокобальтомарганцевых (СТЗ) оксидных полупроводников приведены на рис. 7.11, основные
параметры — в табл. 7.2.
Терморезисторы СТ1-17 лочные выводы припаяны к
и СТЗ-17 имеют форму диска, прово- металлическим электродам, нанесен-
5 №
U
S
£
Q са о
о
S
о S
3
S
св С
O'O 5* у
СОЮЮСОСОСООЮю СО ХО 1Q
£ ” у У о
о § 3
S00 10 11^1 1
СО СО11 о •1
i.H ®s s и в
ь о ® °е
mи д
О у у о « ч ,
ОО LO ю
ЮсоООг-«4-1| 1О*Н о||
оооооосчОО
S н | 'о
ф к и в ° » о § * 2л
соосо
о оо)|
о о о о оо
£ о в ч о6
ЬЧ4
оооооооооооо
OOOCSIOIOOOCS1оQо
ОООО^ЪС^СПЬ*^LQсосо
ОСОООСОг^СОСОСОСОСО^*^
11 1 1 1 1 11 1 1 I
оооооооооооо
осохоюеооооюоо
ОЮОСМООО>Ь.Осоооо
сом^со^мммсосососо
л 1
о си «
„*ю юю
0Lо_
** id -СО-со -*
7ТП J 77777
СОО^ЮСО^ОО<ОО
х^СО^СОСОСОСОСОсосососо
™ К н &=■ 2ьс go 1,0 s”§
ОООООООООооо
b-b.b.Ot^-000оооо
СОСОЮ^^Э^СО^со
1 1 1 1 1 1 1 11111
ооооооооо о о о
-(^уОО-^ОС-*^о- 4—< —^
COC'OCO’—'CSl—«С0<С0со 4-* со ОО
К К
та S а и Ч О
3 и^ X о
О
3
К ”1
о. Е к
со ОО ю
~ =1 R ° °. ° 1 со | °. ]|
о о о о о о оо
1! К
4 1
§ 8 9 2 3 9 7 11 оо 1 1
о ^ |Вв§ ® 8.К *
СОсо
”со & 12| со со
оо-о1*ОО
СО 1 СО со СО ДС00 СО —1*
СО 1 СО 1 ОО ° * со^«1 о
1 со I 11^*001^11
1со1 СО 1. *ОО 00о 1
СО о Ю О со СО* • О-'
-*ОО- Ю г-«
о Оо со сооо
Ь-ь«СО ОООCV- СОСО
Рсо СО-«СО СОСО
ииооооои
CS СО
о
При 423° К;
При 298° К-
ным на плоские поверхности дисков. У терморезисторов CT3-23 термочувствительный элемент выполнен в виде прямоугольной пластины.
Термочувствительный элемент, выполненный в виде бусинки, у СТ1-18 и СТЗ-18 диаметром 0,5 мм, а у СТЗ-26 диаметром 0,3 мм, для защиты от повреждений и загрязнений покрывают тонким слоем стекла; тонкие платиновые контакты приваривают или припаивают (СТЗ-25) к траверзам, изготовленным из более толстой проволоки.
Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 имеют герметичную конструкцию — их термочувствительные элементы помещены в конце миниа-
Рис. 7.12. Конструкции терморезисторов Т8 (а), ТП (б), ТКП (в) и МП (г)
тюрной стеклянной капсулы. Сплошная капсула защищает как элемент, так и места соединения платиновых контактов с платинитовыми выводами.
Терморезисторы СТ1-19 и СТЗ-19 по сравнению с терморезисторами КМТ-14 имеют меньшие габариты и отличаются значительной механической прочностью и надежностью в работе.
У терморезисторов микромодульного исполнения СТЗ-24, СТ2-26, СТЗ-26 термочувствительный элемент укрепляют непосредственно на стандартной керамической плате.
В качестве чувствительных элементов при измерениях мощности сверхвысокочастотных колебаний от долей микроватта до нескольких милливатт используют терморезисторы Т8. Термочувствительный элемент терморезисторов Т8 в виде бусинки из полупроводникового материала укреплен на тонких проводниках в стеклянной оболочке (рис. 7.12), Терморезисторы Т8 имеют сопротивление 120— 150 ом при 293° К, коэффициент температурной чувствительности В 1500—5000° К, ТКС составляет —(0,01—0,06) град-1, постоянная времени не более 2,5 сек.
Особое конструктивное оформление имеют терморезисторы ТП2/0,5, ТП2/2, ТП6/2, предназначенные для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока или переменного тока с частотой до 150 кгц. Они представляют собой цилиндрические стержни, за-
ТАБЛ»-
Параметры терморезисторов косвенного подогрева
Тип термореэисто- ра
Номинальное сопротивление ирн 293°К, ком
5^ У В ь &
Постоянная В,
со к
11
g О»
° = 5
о S
Оки
3 4 1S-2 til I 2 о« < К в
5s
ТКП-20
0,5
2
>1850
143
40*
40
3
ТКП-50
0,75;2
2,3
>3200
114
40*
35
3
ТК П-300
10
3,5
3000—4000
13,5
30*
20
3
СТ 1-21
33;68;100;150
3-4
3000-4100
15-40
100
25
5
СТЗ-21
0,68;1;1,5;
6,8;10;15
2-3,5
3100-3600
15-40
100
25
5
СТЗ-27
2,2
2—3,5
3000—3400
4-6
100
26
——
• При токе 10 jwo.
ключенные в стеклянный баллон, воздух из которого откачивается до давления 10~3 н/м2 (рис. 7.12, б). В обозначении терморезистора ТП цифра в числителе означает номинальное напряжение в вольтах, а в знаменатале — среднее значение рабочего тока в миллиамперах.
Терморезисторы косвенного подогрева ТКП (рис. 7.12, в) по конструктивному оформлению аналогичны терморезисторам ТП; основные параметры их приведены в табл. 7.3. Терморезисторы ТКП предназначены для электрических цепей, в которых необходимо разделить управляемую цепь от управляющей, т. е. в качестве регулируемых бесконтактных резисторов. Основной характеристикой ТКП, как уже указывалось, является зависимость сопротивления термочувствительного элемента от тока или мощности в спирали подогрева (рис. 7.13). На основе кобальтомарган- .цевых и меднокобальтомарганце-
Рис. 7.13. Зависимость сопротивления от мощности в спирали подогрева терморезисторов с косвенным подогревом:1 — СТЗ-21 (1 комУ 2 — СТ1-21 (10 кому, 3 — CTI-21 (100 КОМАРис. 7.13. Зависимость сопротивления от мощности в спирали подогрева терморезисторов с косвенным подогревом:1 — СТЗ-21 (1 комУ 2 — СТ1-21 (10 кому, 3 — CTI-21 (100 КОМАвых оксидных полупроводников разработаны новые терморезисторы косвенного подогрева СТ1-21, СТЗ-21, СТЗ-27, параметры которых даны в табл. 7.3.
Рис. 7.13. Зависимость сопротивления от мощности в спирали подогрева терморезисторов с косвенным подогревом:
1 — СТЗ-21 (1 комУ 2 — СТ1-21 (10 кому, 3 — CTI-21 (100 КОМА
Рис. 7.13. Зависимость сопротивления от мощности в спирали подогрева терморезисторов с косвенным подогревом:
1 — СТЗ-21 (1 комУ 2 — СТ1-21 (10 кому, 3 — CTI-21 (100 КОМА
В 1969—1971 ГГ- в МЭИ авторами разработаны мощные терморезисторы МП на основе германия и кремния с Ян=1—22 ом; /н=Ю—250 а; 5^4000° К. Материал для термочувствительных элементов выбирается с таким расчетом, чтобы при температуре 300—310° К начинала сказываться собственная проводимость.
я
Конструкция терморезистора мощностью 10—250 вт с монокристал- | лическим термочувствительным элементом показана на рис. 7.12, г. Я Термочувствительный элемент помещают в керамическую или в | кварцевую оболочку, на которой расположена спираль подогрева. |
Проводящие элементы на основе германия или кремния выпол- | няют с малым допусти- ] мым отклонением сопротивления от номи-
Рис. 7.14. Конструктивное оформление пози- сторов:
а —СТ5-1;6-СТ6-1А; в - СТ6-2Б; г —СТ6-ЗБ-
1 — терморезистивный элемент; 2 —электрод- 5 — вывод; 4 — изоляционное защитное покрытие
ласти более низких температур по сравнению с позисторами СТ5-1. Основные параметры терморезисторов с положительным ТКС (позисторов) приведены в табл. 7.4. Особенность позисторов заключается в том, что температурные зависимости сопротивления, полученные при нагреве позистора за счет мощности рассеяния и за счет окружающей среды, не совпадают (рис. 7.16).
нального
значения
R, ом
10 *
10 3
га2
13
ООО 500 Т, °К а-)
о
и, 6
40
30
20
w
(0,5—1%) путем механической или химической юстировки прово-. дящего элемента. Тер- ! морезисторы на основе! монокристаллического i германия или кремния обладают высокими ТКС и стабильностью характеристик во времени.
С 1965 г. выпуска- ; ются позисторы СТ5-1 (рис. 7.14). Температурная зависимость сопротивления и вольтамперная характеристика позистора СТ5-1 приведены на рис. 7.15. Сопротивление позистора мало изменяется при изменении температуры вплоть до 370° К, около 400° К наблю-
Тип термореаистора
Номинальное сопротивление при 293°К, ом
д к
• v
S § я ° у 8 Si
Ex
" 1
« н « о-в ё а ui:
|u5-
5*1 "
5а Яё
и S'0
£ а?
5<
И
СТ5-1
20—150
0,8
210-470
390—400
0,2
4
10-15
СТ6-1А
40- 400
1,1
210-430
360-390
0,1
8—9
10-15
СТ6-1Б
100-700
0,8
210-400
340—370
0,15
8-9
10-15
СТ6-2Б
10-100
1,3
210—400
340-370
0,15
12-14
—.
СТ6-ЗБ
100—10000
0,2
210—400
330-360
0,15
0,2-0,25
5
ТАБЛИЦА 7.4
Параметры терморезисторов СТ5 и СТ6
Начальные участки характеристик
близки
друг к другу, однако
увеличение сопротивления позистора СТ6-2Б в интервале температур выше 340° К составляет более четырех порядков при нагревании
Рис. 7.15. Зависимость
50100 I, ма. -
б)
сопротивления от температуры (а) и вольтамперная характеристика (б) позистора СТ5-1
дается резкое увеличение сопротивления.
Вид вольтамперной характеристики позистора определяется в значительной мере ус-
Рис. 7,16. Температурные зависимости терморезисторов на основе титаната бария (сплошные кривые — при нагреве терморезистора окружающей средой, пунктирная кривая — при нагреве под воздействием мощности рассеяния)
Рис. 7.17. Температурные зависимости терморезисторов иа основе кремния:
1—4 — с сопротивлением 25, 50, 75 и 100 ом соответственно
„ ловиями теплообмена термочувствительного элемента с окружающей средой. С увеличением температуры окружающей среды максимальное значение тока уменьшается (рис. 7.15). Это явление связано с тем, что по мере повышения температуры термочувствительного элемента требуется меньшая мощность для нагрева его до температуры, при которой происходит интенсивное увеличение сопротивления.
азработанная серия позисторов на основе титаната бария (позисторы СТ6) имеет аномальную температурную зависимость в об-
от окружающей среды и всего пол-
термочувствительного элемента
тора порядка величины при нагревании элемента за счет протекающего по нему тока. Это обусловлено тем, что сопротивление терморезистора на основе титаната бария зависит как от температуры
образца, так и от величины приложенного к нему напряжения. Увеличение напряжения приводит к уменьшению скачка сопротивления в области фазового перехода.
Терморезисторы с небольшим положительным ТКС (0,007— 0,01 град-1) получены на основе кремния КЭФ с удельным сопротивлением (0,5—1) • 10~2 ом - м. Сопротивление терморезисторов 10— 300 ом и номинальная мощность рассеяния 0,25 вт при использовании термочувствительного элемента длиной 8 мм и сечением 0,1— 0,4 мм1. Для защиты от внешних воздействий термочувствительный
элемент помещают в стеклокерамическую трубку, концы которой
а)6)6)
Рис. 7.18. Конструкция болометра и схема включения элементов в электрическую цепь:
а — термочувствительный элемент болометра; / — пленочный полупроводниковый элемент; 2 —электрод; <3 — изоляционная подложка; б — конструкция болометра; в — схема включения элементов в цепь
заливают термостойким компаундом, обладающим соизмеримой с внешним корпусом теплопроводностью и температурным коэффициентом линейного расширения. При герметизации элемента после 1000 ч эксплуатации изменение сопротивления терморезисторов не превышает 1,5—2%. Более перспективной является герметизация элемента в стеклянный запаянный баллон, что позволяет в несколь- ы ко раз уменьшить габариты терморезистора.
На рис. 7.17 представлены зависимости сопротивления кремни- I евых терморезисторов от температуры. Положительный ТКр обус- ;. ловлей уменьшением подвижности носителей заряда в кристалле с Л увеличением температуры за счет рассеяния их на фононах и ионах примеси..J
Терморезисторы на основе кремния имеют более высокий ТКС d и значительно меньшие габариты по сравнению с терморезисторами, 11 выполненными на основе меди и платины. Они обладают почти ли- за нейной зависимостью сопротивления от температуры и могут иметь м высокие номинальные значения сопротивления (десятки килоом). Ш Постоянная времени кремниевых терморезисторов значительно Ж меньше, чем у медных и платиновых терморезисторов ТСМ и ТСП. ™
Терморезисторы на основе кремния с положительным ТКС, равным 0,007—0,01 град-1, предназначены для использования в устройствах измерения и автоматического регулирования температуры, схемах сигнализации о превышении заданного температурного режима, для температурной компенсации в транзисторных схемах.
На рис. 7.18 показаны термочувствительный элемент болометра, его конструкция и схема включения термочувствительного (основного) и компенсационного элемента болометра в электрическую цепь; основные параметры даны в табл. 7.5. Промышленностью выпускаются кобальтомарганцевые болометры (БКМ-1, БКМ-2, БКМ-4) со стеклянными, кварцевыми подложками для термочувствительных элементов и без подложки.
Полупроводниковые болометры БКМ-1 и БКМ-2 предназначены в качестве приемников лучистой энергии в спектральных приборах, а болометры БКМ-4 — для бесконтактного измерения температуры в различных электротехнических установках.
Болометры БКМ-1 и БКМ-2 включают в обычную радиопанель, болометры БКМ-4 имеют малые габариты, их включают в панель для пальчиковых ламп.
ТАБЛИЦА 7.5
Параметры болометров
Тип болометра
Сопротивление при 293 СК, Моле
Рабочее напряжение, в
Чувствительность, e/em
Порог чувствительности, вт
Постоянная времени, мксек
Э. д. с. шумов, МКВ (эфф.)
Плота ль термочувствительного элемента, ммг
Материал подложки
БКМ-1
2,0
60
204
1,2-10-э
135
0,25
1,35
Без подложки
2,4
60
258
9-10-10
110
0,25
1,07 .
То же
2,2
60
290
8,6-10-ю
90
0,25
0,96
>
0,7
250
76
2,0-10-э
3,0
0,15
4,34
Кварц
БКМ-2
1,5
250
170
1,2-Ю-э
2,2
0,20
1,70
2,4
250
336
7,5-10-1»
2,1
0,25
0,95
0,6
100
35
4,3-10-э
6,5
0,15
3,96
' Стекло
БКМ-4
1,3
100
124
1,6-10-9
5,6
0,20
4,57
>
2,1
100
314
8- 10-ю
4,3
0,25
0,68
Глава восьмая
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВАРИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Рис. 8.1. Вольтампериая характеристика вари- стораРис. 8.1. Вольтампериая характеристика вари- стораВаристорами называют нелинейные полупроводниковые ре- : зисторы с симметричной вольтамперной характеристикой (рис. 8.1), основной особенностью которых является уменьшение сопротивле- . ния по нелинейному закону с увеличением приложенного напряжения. Синтезированы полупроводниковые материалы, позволяющие получать варисторы, у которых увеличение напряжения в два-три раза сопровождается уменьшением сопротивления в десятки раз. При неизменном напряжении, приложенном к варистору, перемена полярности не вызывает изменения величины протекающего тока.
Рис. 8.1. Вольтампериая характеристика вари- стора
Рис. 8.1. Вольтампериая характеристика вари- стора
Изменение сопротивления материала под действием приложенного напряжения наблюдается у поликристаллического карбида кремния, ряда окислов и сульфидов металлов, диборида титана и других материалов сложного состава. Многочисленными исследованиями доказано, что перспективным материалом для соз- • дания варисторов является карбид кремния.
Карбид кремния с различными связующими компонентами широко используют в высоковольтных разрядниках, предназначенных для защиты электрооборудования, аппаратуры и изоляции высоковольтных передач.
На основе карбида кремния разработана серия нелинейных вентильных разрядников.
В связи с интенсивным развитием электроники в конце сороковых— начале пятидесятых годов возникла необходимость создания варисторов с рабочими напряжениями от долей вольта до нескольких киловольт.
Первые отечественные образцы низковольтных варисторов были разработаны сотрудниками кафедры «Диэлектрики и полупроводники» ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) и Проблемной лаборатории электрофизических процессов в диэлектриках и полупроводниках (В. В. Пасынковым, Ю. Т. Окуневым, Л. К. Чиркиным, Г. А. Савельевым и др.).й
По технологии, разработанной в ЛЭТИ, с 1958 по 1961 выпускались полупроводниковые варисторы НПС. В 1962—1968 гг.-и
коллективом под руководством Б. Т. Коломийца и А. Я. Караченцева разработана серия полупроводниковых варисторов.
Интересные работы по синтезу и исследованию материалов для варисторов выполнены в Государственном научно-исследовательском электрокерамическом институте под руководством X. С. Валеева, в Киевском политехническом институте под руководством М. М. Некрасова, в Днепропетровском университете под руководством Б. К. Черного, на Заводе полупроводниковых приборов в г. Йошкар-Ола под руководством В. А. Крутенюка.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫИ ХАРАКТЕРИСТИКИ
К основным параметрам варистора относятся:
номинальная мощность рассеяния;
коэффициент нелинейности;
. в) классификационное напряжение;
классификационный ток;
величина асимметрии токов;
температурный коэффициент тока.
Номинальной мощностью рассеяния варистора называют максимально допустимую мощность, которую варистор может рассеивать во время непрерывной электрической нагрузки при температуре окружающей среды, указанной в технической документации на варистор, и атмосферном давлении 105 н/лД если напряжение на варисторе не превышает предельного. В импульсе мощность рассеяния может быть в несколько раз больше номинальной. Однако напряжение импульса не должно превышать значений, указанных в технических условиях на изделия; иначе возможен электрический пробой контактов между кристаллами полупроводникового материала.
Коэффициентом нелинейности ₽ называют отношение статического сопротивления в данной точке вольтамперной характеристики к динамическому сопротивлению в той же точке;
о ^ст ^Ш
— Ш1 ’
так как
Для резисторов с линейной вольтамперной характеристикой это отношение равно единице, а для резисторов с нелинейной вольтамперной характеристикой (варисторов) оно отличается от единицы.
На рис. 8.2 показана зависимость статического и динамического сопротивлений варистора от протекающего по нему тока.
Когда коэффициент нелинейности постоянен и не зависит от приложенного напряжения, вольтамперная характеристика варистора
соответствует уравнениюсоответствует уравнениюI=BU\I=BU\
соответствует уравнению
соответствует уравнению
I=BU\
I=BU\
Иногда вольтамперная характеристика варистора в данном диапазоне напряжений аппроксимируется уравнением
и = АГ.
В этих равенствах В, А, а и р — постоянные коэффициенты.
Коэффициент а, называемый показателем нелинейности, и коэффициент р связаны между собой соотношением
Р=1/«.
Постоянные коэффициенты А и В также связаны соотношением
B = A-Va=A~\
Для приближенного установления коэффициента нелинейности достаточно измерить токи через варистор 1Х и li при двух значениях напряжения U\ и Ui;
Поскольку статическоеПоскольку статическоеи динамическое сопротивления варисто
Поскольку статическое
Поскольку статическое
ра меняют свои значения в различных точках вольтамперной харак-
Рис. 8.2. Зависимость стати-Рис. 8.2. Зависимость стати-ческого и динамического сопротивлений от тока, протекающего по варисторуческого и динамического сопротивлений от тока, протекающего по варисторутеристики (рис. 8.2), величина коэффициента нелинейности и его показателя зависят от напряжения и также меняют свои значения от точки к точке. Постоянные Л и В также имеют различные значения на различных участках вольтамперной характеристики.
Рис. 8.2. Зависимость стати-
Рис. 8.2. Зависимость стати-
ческого и динамического сопротивлений от тока, протекающего по варистору
ческого и динамического сопротивлений от тока, протекающего по варистору
Классификационное напряжение варистора представляет собой условный параметр, показывающий величину постоянного напряже-
ния на варисторе при заданном значении классификационного тока и зависящий от технологии изготовления ва
ристора и состава выбранных материалов.
Классификационное напряжение не является рабочим эксплуатационным напряжением варистора, которое выбирают исходя из допустимой мощности рассеяния варистора и предельно допустимо
го значения амплитуды напряжения.
Классификационный ток — это ток, при котором определяется классификационное напряжение варистора.
Величину асимметрии токов для варисторов определяют при из-
менении полярности приложенного напряжения
/2— Л
где Л — ток при одной полярности; /2 — ток при другой полярности.
Величина асимметрии токов для варисторов с симметричной вольтамперной характеристикой должна быть минимальной.
Температурный коэффициент тока TKI вводят для оценки влияния температуры на вольтамперную характеристику варистора:
MV2 — T1)
где /] — ток при температуре Тх = 293±2° К; 7г — ток при температуре Т2=373±2° К.
Полупроводниковый варистор с вольтамперной характеристи
кой, содержащей участок отрицательного динамического сопротивления, характеризуется следующими параметрами: напряжением и током переключения, сопротивлением варистора в состоянии проводимости, током выключения (рис. 8.3).
Напряжение переключения варистора означает напряжение, при котором происходит резкое уменьшение сопротивления варистора от десятков килоом до долей ома.
Ток переключения соответствует напряжению пере-
Рис. 8.3. Волмамперная характеристика варистора с отрицательным динамическим сопротивлением:U и /п — напряжение и ток переключения,- /в—ток выключенияРис. 8.3. Волмамперная характеристика варистора с отрицательным динамическим сопротивлением:U и /п — напряжение и ток переключения,- /в—ток выключенияключения.
Рис. 8.3. Волмамперная характеристика варистора с отрицательным динамическим сопротивлением:
U и /п — напряжение и ток переключения,- /в—ток выключения
Рис. 8.3. Волмамперная характеристика варистора с отрицательным динамическим сопротивлением:
U и /п — напряжение и ток переключения,- /в—ток выключения
Сопротивление варистора в состоянии проводимости определяется при заданном токе по проводящему элементу варистора (величина тока определяется допустимой мощностью рассеяния варистора и может составлять для варисторов большой мощности десятки — сотни ампер).
Ток выключения — это ток, при котором происходит восстанов
ление первоначального значения сопротивления варистора.ление первоначального значения сопротивления варистора.СВОЙСТВА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВИ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ление первоначального значения сопротивления варистора.
ление первоначального значения сопротивления варистора.
Карбид кремния представляет собой соединение двух элементов четвертой группы периодической системы Менделеева — кремния и углерода.
Многочисленные исследования показали, что нелинейность вольтамперной характеристики варистора, выполненного на основе карбида кремния, обусловлена явлениями на контактах и на поверхности кристаллов. Причем отмечают существование четырех возможных причин:
эмиссия электронов из острых зубцов и граней кристаллов карбида кремния. С увеличением приложенного напряжения происходит замыкание контактных зазоров между отдельными кристаллами карбида кремния, увеличивается эффективная площадь сечения проводящего элемента и соответственно уменьшается его сопротивление;
микронагрев контактов между отдельными кристаллами карбида кремния, приводящий к увеличению проводимости контактов;
увеличение проводимости и частичный пробой оксидных пленок на поверхности кристаллов карбида кремния при напряженности электрического поля 105—106 в[м;
поверхности и ядра каждого кри- •поверхности и ядра каждого кри- •существование на поверхности кристаллов карбида кремния электронно-дырочных переходов, обусловленных различным ха-
поверхности и ядра каждого кри- •
поверхности и ядра каждого кри- •
рактером электропроводности сталла.
Рассмотрим эти причины более подробно. Порошок карбида кремния содержит кристаллы разнообразной формы, поверхность которых имеет большое число острых выступов. Таким образом, в проводящем элементе есть контакты с различными площадью соприкосновения и величиной зазоров. Каждой величине зазора соответствует определенная разность потенциалов, при которой возникает эмиссия электронов. С приложением напряжения первоначально ток проходит через места непосредственного соприкосновения кристаллов; при этом рост тока пропорционален росту приложенного напряжения. При увеличении приложенного напряжения начинает сказываться проводимость у контактов все с большими и большими зазорами.
Если считать, что электропроводность проводящего элемента обусловлена совокупностью контактных зазоров, то вольтамперная характеристика должна иметь вид ломаной линии с небольшими прямолинейными участками. Поскольку величины контактных зазоров не дискретны, вольтамперная характеристика варистора представляет собой плавную линию.
По теории микронагрева считается, что сопротивление проводящего элемента варистора в основном определяется сопротивлением., растекания между отдельными кристаллами. Причем сопротивле- > ние растекания сосредоточено в очень малой активной области кристалла под точечным контактом. Величина активной области может быть весьма малой, если учесть, что на поверхности кристалла возникают электронно-дырочные переходы, компенсированные слои и потенциальные барьеры. Через малые активные области протекают токи большой плотности и почти все напряжение, приложенное к варистору, распределяется на точечных контактах между отдельными кристаллами. В связи с этим в активных областях выделяется
значительная мощность, что приводит к нелинейности вольтампер- ной характеристики элемента.
Однако количественное сравнение выводов теории нелинейности показывает, что при малых напряжениях рост тока слишком велик для того, чтобы его можно было объяснить изменением сопротивления контактов от температуры.
Нелинейность вольтамперных характеристик варисторов объясняется увеличением проводимости и частичным пробоем оксидных пленок на поверхности кристаллов карбида кремния при напряженности электрического поля 105—106в/л. Но нелинейной вольтампер- ной характеристикой обладают порошки карбида кремния с различной величиной кристаллов, протравленные инепротравленные в кислотах, с пробитыми и непробитыми оксидными пленками на поверхности кристаллов. Это свидетельствует о том, что слой окиси кремния увеличивает сопротивление, но не является основной причиной роста проводимости с увеличением приложенного напряжения.
Считают, что нелинейность вольтамперной характеристики варистора обусловлена возникновением на поверхности кристаллов карбида кремния областей с противоположным типом электропроводности по сравнению с внутренним объемом кристалла (или поверхностных барьеров). Это явление связано с изменением структуры поверхности кристаллов, с поверхностными уровнями Тамма, которые возникают в отдельных местах кристаллов при дроблении ДРУ3- .
При прохождении тока через контакты кристаллов карбида кремния возникает излучение. Это явление, обнаруженное впервые О. В. Лосевым, долгое время связывалось с механизмом электронной эмиссии. Однако, как показали исследования, излучение возникает в результате рекомбинации носителей заряда в области электронно-дырочного перехода и на дефектах кристаллической решетки.
Многие исследователи считают, что в системе, состоящей из разнородных кристаллов карбида кремния, различные механизмы нелинейности могут проявляться последовательно — один за другим при изменении напряженности электрического поля, а иногда нелинейность может быть обусловлена несколькими одновременно действующими эффектами. Например, при небольшой напряженности электрического поля ток протекает через контактирующие поверхности с запирающими слоями, при увеличении напряженности поля снижается сопротивление запорных слоев и образуются новые проводящие цепочки вследствие перекрытия зазоров между участками кристаллов карбида кремния. В этом случае начинает сказываться контактный микронагрев, который приводит к дополнительному снижению сопротивления образца.
При стехиометрическом составе карбид кремния содержит 70.045%Si и 29,955% С. В природе карбид кремния встречается редко и в небольших количествах, по типу химической связи его можно отнести к ковалентным кристаллам. Технический карбид кремния
получают восстановлением двуокиси кремния (кварцевого песка) углеродом:
SiO24-3C = SiC + 2CO.
Чистый карбид кремния стехиометрического состава бесцветен. В качестве основных исходных компонентов для получения технического карбида кремния обычно служат кварцит, антрацит и нефтяной кокс. С зеленым оттенком карбид кремния получают, добавляя в шихту поваренную соль, черный электротехнический — добавляя бокситы.
Рис. 8.4. Друзы карбида кремния:
а — натуральная величина; б — структура поверхности зерен при различном увеличении
Исходные материалы подвергают дроблению, магнитной сепарации с целью удаления частиц магнитных материалов и тщательному перемешиванию для получения однородности шихты. Кроме перечисленных составляющих в шихту входят продукты предыдущих плавок— мелкокристаллический карбид кремния и силоксикон, т. е. оксикарбиды кремния. Приготовленную смесь загружают в электропечь, в которой при высокой температуре образуются сросшиеся пакеты кристаллов SiC (друзы). Друзы карбида кремния измельчают и подвергают обогащению. Графит, осевший на кристаллах карбида кремния, отмывают, кислотами удаляют различные окислы. Далее порошок SiC тщательно промывают, сушат, подвергают магнитной сепарации.
Отдельные кристаллы карбида кремния представляют собой осколки различной формы. Для структуры поверхности кристаллов карбида кремния характерно наличие большого числа дефектов решетки (рис. 8.4).
Электропроводность и окраска SiC определяются наличием примесей, а также избытком атомов углерода или кремния по сравнению со стехиометрическим составом. Зеленую окраску и электропроводность n-типа дают примеси из элементов V группы (N, Р, As,
Sb, Bi) периодической системы Менделеева, голубую и фиолетовую окраску и электропроводность р-типа— элементы II группы (Са, Mg) и III группы (В, Al, In).
Избыток атомов углерода в материале обусловливает электропроводность /7-типа; избыток атомов кремния — электропроводность «-типа.
Зависимость удельной проводимости от температуры для ряда кристаллов SiC показана на рис. 8.5. Собственная электропровод-
Рис. 8.5. Зависимость удельной проводимости от температуры для кристаллов карбида кремния n-типа (а) и p-типа (б)
ность у SiC с малой концентрацией примесей возникает при температурах 1600—1700° К-
Основные свойства кристаллов карбида кремния
Плотность3200кг/м3
Удельная теплопроводность , . . . .8,3—33,5 вт!(м-град)
Удельная теплоемкость* . . ..,._.630—750 джЦкг-град)
Температурный коэффициент линей
ного расширения ..(4—7) -10~6 град-1
Твердость по минералогической шка
ле 9,5—9,75
Ширина запрещенной зоны . . . ...2,8—3,1 эд
Подвижность электронов* . .,.;. .(1—3)-10~2 м2Цд-сек)
Подвижность дырок* . .......(1—2) ■ 10-s Л42/(е-сек)
Относительная диэлектрическая про
ницаемость ,,...,,6,5—7,5
Проводимость порошкообразного карбида кремния зависит от проводимости кристаллов исходного материала, степени их дисперсности, степени сжатия кристаллов, температуры и напряженности электрического поля.
Поскольку проводимость порошкообразного карбида кремния определяется многими факторами, при изготовлении варисторов для каждого заданного диапазона напряжений предварительно экспериментально устанавливают необходимую дисперность исходных материалов.
Механическая прочность варисторов достигается за счет применения связующих веществ — керамических материалов, жидкого, стекла, кремнийорганических лаков и т. п. Материалы с различными связующими компонентами имеют разные названия. Карбид кремния с керамической связкой называют тиритом, с жидким стеклом ■— вилитом, с ультрафарфоровой связкой после обжига методом термоудара при высокой температуре — лэтином.
К связующим компонентам варисторов предъявляются опреде-, ленные требования. Так, до обжига или термообработки связующее вещество должно иметь пластичность, обеспечивающую получение заготовок методом прессования или выдавливания через мундштук; после обжига и термообработки — достаточную механическую прочность и хорошую адгезию к кристаллам, поскольку это определяет механическую прочность получаемых изделий. Кроме того, связующий компонент должен обладать хорошими диэлектрическими свойствами, чтобы не нарушать процессов, происходящих в основном рабочем материале, а также хорошей влагостойкостью и термостойкостью.
Связующее вещество определяет режимы обжига и термообработки. Например, ультрафарфор начинает спекаться при температуре около 1550° К, отличается высокой термостойкостью. Прочность на изгиб после обжига у ультрафарфора достигает 2- 10s hUi2, температурный коэффициент линейного расширения составляет (4—6) • 10~6 град-1. Благодаря высокой механической прочности и идентичности температурных коэффициентов линейного расширения карбида кремния и ультрафарфора последний, несмотря на высокую температуру обжига, используют довольно часто. Обладая высокой теплопроводностью, ультрафарфор облегчает режим работы варисторов при перегрузках.
Глина имеет более низкую температуру спекания (около 1300° К), более пластична по сравнению с ультрафарфором, но обладает меньшей механической прочностью (6- 107 «Ли2) и меньшим температурным коэффициентом линейного расширения (около 4 • 10-6 град-1).
Исходными компонентами для изготовления низковольтных полупроводниковых варисторов (НПС) являются электротехнический карбид кремния, ультрафарфор и глина.
Для изготовления варисторов используют промышленные сорта карбида кремния черной и зеленой модификаций с размерами кристаллов 20—180 мкм.
Содержание связующего компонента в массе выбирают в зависимости от требуемых параметров варисторов и размера кристаллов карбида кремния — от 10 до 40%. Чтобы увеличить прочность и уменьшить пористость изделий для более крупного порошка берут
больший процент связующего компонента. С увеличением содержания связующего компонента облегчается прессовка заготовок, увеличивается их механическая прочность, возрастают рабочее напряжение варистора и коэффициент нелинейности.
Исходные компоненты смешивают в шаровых мельницах в целях получения однородной массы. Далее массу подсушивают так, чтобы содержание воды было 6—8%.
Прессование заготовок производят при давлении (1—2) • 108 н/м на гидравлических прессах, на выходе которых массу разрезают на заготовки необходимого размера. Путем выдавливания массы через мундштук получают заготовки цилиндрической формы. Перед обжигом заготовки дополнительно подсушивают при комнатной или повышенной температуре в течение нескольких часов. Заготовки со связующими компонентами из глины и ультрафарфора обжигают различными способами.
При длительном обжиге, обеспечивающем механическую прочность, заготовки выдерживают в силитовой печи в течение 2—6 ч при температурах 1450—1500° К.
Высокотемпературный кратковременный обжиг (термоудар) осуществляют для получения заготовок с низкими рабочими напряжениями. Заготовки укладывают в трубки из плавленного кварца и помещают в печь, где в течение 3—4 мин температура достигает 1600—1900° К, затем печь выключают и охлаждают. В результате затрудненного доступа кислорода и быстрого нагрева карбид кремния окисляется незначительно и изделия имеют меньшее рабочее напряжение, чем при длительном обжиге, хотя нагрев заготовок производится до более высокой температуры.
Таким образом, время спекания заготовок при термоударе мало, а прочность образцов не уступает прочности образцов, полученных при длительном обжиге. Это объясняется тем, что связующий компонент вследствие более высокой температуры, находясь в текучем состоянии, успевает прочно связать отдельные кристаллы карбида кремния.
При обжиге методом термоудара в пределах одной партии получается большой разброс параметров изделий, обусловленный градиентом температуры по радиусу и длине рабочего объема печи. Разброс параметров заготовок зависит от точности проведения режима обжига: времени выдержки при максимальной температуре, скорости повышения и снижения температуры.
Чтобы получить варисторы с параметрами в узком диапазоне значений рабочего напряжения и коэффициента нелинейности, используют импульсный обжиг. Этот способ обжига применяют для элементов цилиндрической формы. Печь имеет кварцевую трубку с внутренним диаметром несколько большим, чем диаметр заготовок. После разогрева печи до определенной температуры заготовки через определенный интервал времени пропускают через трубку. В этом случае все заготовки подвергаются обжигу в идентичных условиях, поэтому при поддержании температуры печи с достаточной точностью получают образцы с близкими параметрами.
Закончив обжиг, на поверхность заготовки наносят методом вжигания или шоопирования контактные электроды. После вжига- ния серебряной пасты ее подсушивают при 370—420° и, чтобы серебро восстановилось до металлического, подвергают термообработке при температурах 750—1000° К в течение 8—10 мин. При методе шоопирования используют более дешевые материалы—алюминий, медь, олово, латунь. При нанесении электродов на заготовки
Рис. 8.6. Установка для импульсной электрической нагрузки варисторов:ВВ — высоковольтный выпрямитель; R ^ — балластное сопротивление; С — конденсатор; U — варисторРис. 8.6. Установка для импульсной электрической нагрузки варисторов:ВВ — высоковольтный выпрямитель; R ^ — балластное сопротивление; С — конденсатор; U — варисторцилиндрической формы тщательно контролируют расстояние между ними, так как от этого зависит классификационное напряжение элементов, и величина их сопротивления. Путем изменения ширины контактных электродов можно варьировать в небольших пределах сопротивление варистора.
Рис. 8.6. Установка для импульсной электрической нагрузки варисторов:
ВВ — высоковольтный выпрямитель; R ^ — балластное сопротивление; С — конденсатор; U — варистор
Рис. 8.6. Установка для импульсной электрической нагрузки варисторов:
ВВ — высоковольтный выпрямитель; R ^ — балластное сопротивление; С — конденсатор; U — варистор
Для увеличения процента выхода варисторов используют их свойства необратимо изменять свои параметры под действием ряда факторов: дополнительного прогрева заготовок в окислительной среде, увеличивающего классификационное напряжение, пере
грузок по току, уменьшающих классификационное напряжение. Снижение классификационного напряжения варисторов проводится на установке, схема которой показана на рис. 8.6. От высоковольтного выпрямителя ВВ конденсатор С заряжается до заданного напряжения и разряжается на варистор U. Плохие контакты между кристаллами карбида кремния, а также отдельные оксидные
пленки по поверхности кристаллов разрушаются, что сопровождает- ся снижением классификационного напряжения образцов.
После отбраковки заготовок осуществляют пайку выводов. Причем к электродам, полученным вжиганием серебра, выводы обычно припаивают легкоплавкими припоями с небольшим процентным содержанием серебра. При использовании обычных припоев тонкий слой серебра в процессе пайки можно растворять оловом.
Стабилизация параметров варисторов достигается путем термообработки при температуре 400—-450° К. Для защиты от воздействия внешней среды проводящие элементы варисторов покрывают
специальными эмалями и лаками.
Исходным материалом для получения варисторов СП (рис. 8.7) является электротехнический карбид кремния. Высокая концентрация магнитных материалов приводит к резкому снижению нелинейных свойств образцов. Поэтому после помола осуществляют магнитную сепарацию или химическую очистку путем промывки порошка карбида кремния в смеси плавиковой и азотной кислот с водой. Это значительно улучшает его электрические характеристики, обеспечивает малый процент содержания магнитных материалов.
После просева порошок карбида кремния смешивают со связующим компонентом и пластификатором.
Прессовку заготовок или .протяжку через мундштук производят на специальных прессах; далее образцы подвергают сушке.
При первичном обжиге, который проводят на воздухе, выгорают органические материалы, входящие в состав связующего компонента и пластификатора. Заготовки, прошедшие первичный обжиг, разрезают на штабики необходимых размеров и вторично обжигают в водородных печах.
Во время первичного обжига происходит спекание глины, запол-
няющеи промежутки между кристаллами карбида кремния, что обеспечивает механическую прочность образцов. Обжиг в водороде позволяет получить образцы с низким удельным сопротивлением, причем с увеличением температуры обжига сопротивление материала уменьшается. Однако возможности изменения температуры обжига весьма ограничены. Так, если температура менее 1420° К, глина не спекается, а если более 1500° К, снижается коэффициент нелинейности образцов. Оптимальная температура обжи- гасоставляет 1450—1480° К. Каждую заготовку пропускают через рабочую зону печи. Это обеспечивает идентичность их температурной обработки и небольшой разброс изделий по параметрам.
У проводящих элементов цилиндрической формы на торцах снимают ф.аску, что позволяет укреплять выводы на высокопроизводительных автоматах. Далее методами шоопирования или вжигания на концы проводящих элементов наносят
Рис. 8.7. ВаристорРис. 8.7. ВаристорСНЫ:СНЫ:а— без контактов; б — с серебряными контактами;в — с выводамиа— без контактов; б — с серебряными контактами;в — с выводамиэлектроды.
Рис. 8.7. Варистор
Рис. 8.7. Варистор
СНЫ:
СНЫ:
а— без контактов; б — с серебряными контактами;
в — с выводами
а— без контактов; б — с серебряными контактами;
в — с выводами
После армировки и пайки выводов производят электрическую и тепловую тренировку. Электрическая тренировка дает пробой в слабых местах структуры проводящего материала, способствуя стабилизации параметров элементов. С целью защиты от воздействия внешней среды проводящие элементы покрывают лаком. Затем осуществляют измерение параметров и маркировку.
При создании варисторов очень важным является выбор материалов в качестве проводящих и связующих компонентов. Так, при использовании в качестве связующего компонента смеси CuO, CdO и борида хрома получены варисторы с хорошими электрическими параметрами.
Вольтамперная характеристика варистора, выполненного из электротехнического карбида кремния с 10%-ой добавкой окислов СиО и CdO, показана на рис. 8.8.
Изменяя температуру обжига, можно получить варисторы с различным сопротивлением. Сопротивление варисторов определяется
также средой, в которой производится обжиг. Высокоомные образцы получают при обжиге на воздухе, поскольку при этом на поверхности кристаллов -карбида кремния образуются окисные пленки ЗЮг; образцы, прошедшие обжиг в среде с недостатком кислорода, обычно имеют небольшое сопротивление.
Варисторы с малым сопротивлением можно получить при добавлении в низкоомный связующий компонент борида хрома.
При увеличении длительности обжига образцов на основе карбида кремния происходит уменьшение нелинейности и увеличение
Рис. 8.8. Вольтамперные характеристики варисторов, выполненных на основе карбида кремния и низкоомного связующего компонента из СиО и СбСОз (а) и органического связующего компонента (б):
1, 2, 3, 4, 5 — с величиной кристаллов 16, 25, 32, 40 и 80 мкм соответственно
термостабильности. Так, проводящие элементы из абразивного карбида кремния и ультрафарфора, после длительного обжига становятся линейными и имеют высокую термостабильность.
Применение органических полимеров в качестве связующего компонента не требует высокотемпературного обжига в водороде готовых изделий. Варисторы на основе электротехнического карбида кремния p-типа выполняют с органическим связующим компонентом — терефталевой смолой ТФ-4, представляющей собой продукт конденсации терефталевой кислоты и глицерина.
Рабочее напряжение варистора и нелинейность его вольтампер- ной характеристики зависят от соотношения используемых компонентов (карбида кремния и смолы), а также величины кристаллов карбида кремния. Как показано на рис. 8.8, б, с уменьшением размера кристаллов карбида кремния рабочее напряжение варисторов увеличивается. Коэффициент нелинейности варисторов составляет 4—6 при токе 2—10 ма, температурный коэффициент тока не превышает 0,005 град-1.
В технологии производства варисторов широко используют карбид кремния с примесями азота и алюминия. Энергия ионизации
этих примесей в карбиде кремния невелика, особенно при их высокой концентрации. При введении в карбид кремния примесей с большей энергией ионизации можно получить варисторы с большей нелинейностью, а также варисторы с вольтамперной характеристикой, имеющей участок отрицательного динамического сопротивления. ' Осциллограммы вольтамперных характеристик варисторов с высокой нелинейностью и отрицательным динамическим сопротивлением приведены на рис. 8.9.
Рис. 8.9. Осциллограммы вольтамперных характеристик варисторов с высокой нелинейностью и отрицательным динамическим сопротивлением
Полупроводниковые варисторы с симметричной нелинейной функциональной характеристикой, имеющей участок отрицательного динамического сопротивления, получают при использовании многослойных полупроводниковых структур типа р-п-р-п (рис. 8.10).
Рис. 8.10. Структура многослойного полупроводникового варистора (а) и его вольтамперная характеристика (б):
/•—слои р-типа; 2—слои п-типа
Проводящий элемент варистора состоит из двух р-п-р-п-структур, имеющих общие омические контакты.
При подаче на варистор напряжения по нему протекает незначительный ток. С превышением напряжения переключения Un происходит переход варистора в состояние проводимости, в котором его сопротивление составляет доли ома.
Если при работе варистора ток через него окажется, меньше некоторого значения 1В (рис. 8.3), то варистор восстанавливает свои
запирающие свойства. В цепочках защиты от перенапряжений такой варистор соединяют последовательно с балластным резистором. При возникновении в схеме перенапряжений с амплитудой, превышающей напряжение переключения, происходит включение варистора и по балластному резистору протекает разрядный ток. Когда полярность напряжения, приложенного к варистору, изменяется, происходит восстановление его запирающих свойств и до защитной цепочке протекает незначительный ток.
Проведенные исследования показали, что с помощью многослойных полупроводниковых варисторов можно достигнуть эффективного ограничения перенап-
Рис. 8.11. Вольтамперная характеристика кремниевого варистора (а) и его конструкция (б):/ — стеклянная подложка; 2— пленка алюминия; 3 — пленка кремния; 4— пленка алюминияРис. 8.11. Вольтамперная характеристика кремниевого варистора (а) и его конструкция (б):/ — стеклянная подложка; 2— пленка алюминия; 3 — пленка кремния; 4— пленка алюминияряжений и тем самым оградить электронные схемы от перенапряжений.
Рис. 8.11. Вольтамперная характеристика кремниевого варистора (а) и его конструкция (б):
/ — стеклянная подложка; 2— пленка алюминия; 3 — пленка кремния; 4— пленка алюминия
Рис. 8.11. Вольтамперная характеристика кремниевого варистора (а) и его конструкция (б):
/ — стеклянная подложка; 2— пленка алюминия; 3 — пленка кремния; 4— пленка алюминия
Проводящий элемент варистора с многослойной структурой получают обычными технологическими методами: фотолитографией, диффузией.
Когда технологический процесс и исходные материалы обеспечивают идентичность характеристик двух р-п-р-п-структур, создаваемых в одном или двух полупроводниковых кристаллах,
вольтамперная характеристика варистора симметрична относительно осей координат. Неод
нородность исходного материала по удельному сопротивлению и изменение условий диффузии в различных местах кристалла приводит к асимметрии вольтамперных характеристик варистора в пределах 10—15%.
Варисторы с симметричной вольтамперной характеристикой получают также на основе пленочных полупроводниковых элементов путем последовательного нанесения слоев металл — бор — металл. В качестве электродов используют различные металлы — алюминий, золото и др. —
Основные параметры варистора зависят от толщины аморфной пленки и ее размеров. Низкоомные пленочные варисторы получают на основе аморфных пленок кремния путем последовательного осаждения в вакууме слоев металла (алюминия) и кремния на диэлектрическую подложку. Вольтамперная характеристика кремниевого варистора и его конструкция приведены на рис. 8.11.
На основе окисных полупроводников ZnO, SnO2, СоО, NiO синтезированы материалы для получения варисторов. Доказано, что одной из перспективных является система ZnO—SnO2, которая состоит из двух полупроводников, обладающих электронной проводимостью и отличающихся величиной удельного сопротивления:
у SnOg удельное сопротивление на 4—5 порядков выше, чем у ZnO. К составам добавлялось 2% по весу окиси висмута (BigOa) марки «4» для лучшего спекания образцов; добавка BigOa приво
дит к значительному увеличению коэффициента нелинейности [63, 64].
Варисторы на основе окисных полупроводников выполнялись по обычной керамической технологии. При мокром помоле шихты дисперсность частиц не превышала 10 мкм. Диски диаметром 20 мм и толщиной 2—3 мм прессовались под давлением и обжигались в силитовой печи на воздухе в течение 0,5 ч\ оптимальная температу
ра обжига составляла 1450 К. Далее на шлифованные образцы наносили серебряные электроды.
Вольтамперные характеристики образцов, выполненных из ZnO— SnOg, аппроксимируются уравнением I=BU^, Наибольшим коэффициентом нелинейности (р = 7—10) обладают образцы, выполненные из состава 20%' мол. ZnO и 80% мол. SnOg. Сопротивление образцов зависит от температуры обжига и времени выдержки при максимальной температуре. Увеличение температуры и длительности обжига приводит к снижению удельного сопротивления образцов. На рис. 8.12 приведены вольтамперные характеристики варисторов из состава 30% ZnO и 70% SnO2, полученных при различной
Рис. 8.12. Вольтамперные характеристики варисторов на основе 30%• мол. ZnO и 70% мол. SnO2:1» 2, 3 — при температуре обжига 1450е К в течение 15, 45 и 60 мин соответственноРис. 8.12. Вольтамперные характеристики варисторов на основе 30%• мол. ZnO и 70% мол. SnO2:1» 2, 3 — при температуре обжига 1450е К в течение 15, 45 и 60 мин соответственнодлительности обжига. Увелидлительности обжига. Увеличение продолжительности обжига сдвигает вольтамперные характеристики в область более низких напряжений, т. е. значительно уве- Личивает проводимость. Температурный коэффициент тока варисторов отрицателен и находится в пределах (0,01—0,02) • 10-2 грасН.
Рис. 8.12. Вольтамперные характеристики варисторов на основе 30%
• мол. ZnO и 70% мол. SnO2:
1» 2, 3 — при температуре обжига 1450е К в течение 15, 45 и 60 мин соответственно
Рис. 8.12. Вольтамперные характеристики варисторов на основе 30%
• мол. ZnO и 70% мол. SnO2:
1» 2, 3 — при температуре обжига 1450е К в течение 15, 45 и 60 мин соответственно
длительности обжига. Увели
длительности обжига. Увели
Резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой может быть получен, если в его структуре создать два встречно включенных перехода. Вольтамперная характеристика варистора в этом случае представляет собой обратную вольтамперную характеристи
ку р-п-перехода.
Вольтамперная характеристика р-п-перехода характеризуется равенством
/ еЦj = JS\^T
где е — заряд электрона; к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; js — плотность тока насыщения р-л-перехода.
При приложении к р-п-переходу обратного напряжения, по величине значительно превосходящего кТ]е, происходит насыщение
тока перехода, т. е. ток в значительном диапазоне не зависит от приложенного напряжения.
Плотность тока насыщения
isis— b кТ f 1 I 1 \
is
is
- (6 + 1)2 е1 Lpan + Ln=p ) *
где 6 = рп/р,р—отношение подвижностей электронов и дырок; а/, On, dp — удельная проводимость собственного полупроводника, п- и p-типа соответственно; Ln, Lp ■— диффузионная длина электронов и дырок; Т — температура; U — приложенное напряжение.
Следовательно, для обратного тока р-п-перехода характерен участок насыщения. Однако, если в приведенном выражении для обратного тока р-п-перехода учесть явление генерации носителей
Рис. 8.13. Вольтамперные характеристики нелинейных резисторов на основе германия и кремнияРис. 8.13. Вольтамперные характеристики нелинейных резисторов на основе германия и кремнияCZZZ3CZZZ3г-IIг-IIШ/Ж] 4Ш/Ж] 43
Рис. 8.13. Вольтамперные характеристики нелинейных резисторов на основе германия и кремния
Рис. 8.13. Вольтамперные характеристики нелинейных резисторов на основе германия и кремния
CZZZ3
CZZZ3
г-II
г-II
Ш/Ж
] 4
Ш/Ж
] 4
Рис. 8.14. Конструкция низковольтного варистора на основе селеновых элементов:
/ — алюминиевое основание; 2 — слой кадмия; 3--слой селена; 4 — катодный сплав
заряда, то в ряде случаев можно получить нелинейную характеристику. Влияние тока генерации (/ген) на обратный ток р-п-перехода можно оценить с помощью соотношения
/ген
/диф 4п(/о
где /диф — диффузионный ток; d— ширина перехода; пп — концентрация электронов в полупроводнике n-типа при термодинамическом равновесии; Lo — эффективная диффузионная длина носителей.
Для полупроводников с малым временем жизни (Lo^l^ ДоТо) и малым значением nt ток генерации больше диффузионного и его необходимо учитывать. Так, у кремниевых р-п-переходов ток генерации больше диффузионного тока, поэтому кремниевые переходы обычно не имеют участка насыщения обратного тока (рис. 8.13). Если в кремниевом кристалле создать два р-п-перехода, то получим прибор с вольтамперной характеристикой, аналогичной вольтампер- ной характеристике варистора. Перегрузочная способность кремниевых р-п-переходов по напряжению невелика. Проведены исследования по созданию кремниевых р-п-переходов, способных рассеивать
т,мат,маРис. 8.15. Вольтамперные характеристики селеновых варисторов:1, 2, 3, 4— характеристики варисторов, выполненных из 2, 4, 6 и 8 элементов соответственноРис. 8.15. Вольтамперные характеристики селеновых варисторов:1, 2, 3, 4— характеристики варисторов, выполненных из 2, 4, 6 и 8 элементов соответственнобольшие мощности при нагрузке в запирающем направлении. На основе кремния можно изготовить нелинейные приборы на рабочие напряжения в десятки и сотни вольт.
т,ма
т,ма
Рис. 8.15. Вольтамперные характеристики селеновых варисторов:
1, 2, 3, 4— характеристики варисторов, выполненных из 2, 4, 6 и 8 элементов соответственно
Рис. 8.15. Вольтамперные характеристики селеновых варисторов:
1, 2, 3, 4— характеристики варисторов, выполненных из 2, 4, 6 и 8 элементов соответственно
Низковольтный варистор получают встречным включением селеновых элементов серии А или Г. Конструкция низковольтного варистора, полученного включением двух селеновых элементов серии А, показана на рис. 8.14. Выпуск селеновых элементов миллионными тиражами дает возможность изготовлять низковольтные варисторы в массовых масштабах. Гетеропереход селенового элемента имеет высокую перегрузочную способность при воздействии напряжения в запирающем направлении.
Вольтамперные характеристики варисторов, выполненных на основе селена, приведены на рис. 8.15. Варисторы получены встречным включением селеновых элементов серии Г.,
Технология изготовления варистора состоит из следующих основных операций: подготовка алюминиевого основания, нанесение слоя кадмия, а затем селена, повторное нанесение кадмия и укрепление алюминиевой фольги с последующей термообработкой.
Во время технологического процесса селен образует с кадмием соединение селенид кадмия, которое является полупроводником п-типа.
На границах селена и кадмия образуются гетеропереходы, обеспечивающие симметричную нелинейную вольтамперную характеристику варистора.
КОНСТРУКЦИИ И ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯПАРАМЕТРОВ
По конструктивному оформлению полупроводниковые варисторы на основе карбида кремния выпускают стержневыми и дисковыми (рис. 8.16).
У полупроводниковых варисторов СН1-3 , предназначенных.для применения в микросхемах радиотехнических устройств, проводя*
щий элемент, выполненный из карбида кремния, укрепляется на стандартной керамической плите размером 9,6X9,6 мм.
На рис. 8.17 приведены вольтамперные характеристики ряда промышленных образцов варисторов на основе карбида кремния. Основные параметры варисторов даны в табл. 8.1. Допустимая электрическая нагрузка варисторов СН при различных температурах окружающей среды показана на рис. 8.18.
Рис. 8.16. Конструкции варисторов СН и СОН: а —СНЫ; б —СН1-2; в —СН1-3; г — СОН
Температурный коэффициент тока варисторов СН в интервале рабочих температур в среднем составляет (3—6) ■ 10-3 град-1.
Варисторы в обычном исполнении работоспособны при относительной влажности до 95% (при 303° К), варисторы, рассчитанные на условия тропического климата, — до 98% (при 313° К).
Рис. 8.17. Вольтамперные характеристики варисторов СН
После выдержки варисторов в обычном исполнении в условиях относительной влажности 90—95% при температуре 300° К в течение 4 суток изменение сопротивления их не превышает 10%; варисторы, рассчитанные на тропический климат, после выдержки при относительной влажности 95—98% и температуре 313° К в течение 6 суток изменяют сопротивление не более, чем на 15%.
Изменение сопротивления варисторов после трех термоциклов (с температурами от 230 до 370° К) не превышает ±2,5%.
Механическая прочность варисторов весьма велика, они выдерживают вибрацию с ускорением до 2,5 g в диапазоне частот
5—80 гц, а также ударные нагрузки с ускорением до 12 g и ли. ные нагрузки с ускорением до 9 g.
Варисторы обладают высокой стабильностью параметров; только у отдельных образцов варисторов в первые часы работы имеет место изменение параметров в пределах 2—3%.
Рис. 8.18. Допустимая электрическая нагрузка варисторов при различных температурах окружающей среды
Конструктивное оформление варисторов на основе селена СОН показано на рис. 8.16, в, основные параметры приведены в табл. 8.1.
ТАБЛИЦА 8.1
Параметры полупроводниковых варисторов
Тип варистора
Материал проводящего элемента
Номинальная мощность рассеяния, вт
Классификационное напряжение, в
Клас- сифи- каци- онный ток, ма
Коэффициент нелинейности 0
Интервал рабочих температур, СК
СН1
Карбид кремния > > >
0,8 1 1 1
560—1500 560-1500 56—270 33-100
10
10
2
3
3,5-4,5
3,5-4,5
3-3,5
3-3,5
230-370
сон
Селен
0,5
10-600
2-5
>5
230-350
Варисторы СОН работоспособны при относительной влажности окружающей среды до 98% (при 313° К), способны выдерживать вибрационные ускорения до 10 g в диапазоне часто до 600 гц, многократные ударные нагрузки с ускорением до 75 g и постоянные линейные- нагрузки с ускорением до 25 g.
Глава девятая
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОРЕЗИСТОРЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Фоторезисторы — это резйсторы принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте, т. е. изменении проводимости полупроводникового материала, обусловленного действием электромагнитного излучения и не связанного с нагреванием. Различают положительный фоторезистивный эффект, сопровождающийся увеличением проводимости, и отрицательный, когда проводимость уменьшается. Полупроводниковые материалы, используемые для получения фоторезисторов, имеют положительный фоторезистивный эффект.
Кристаллические полупроводниковые материалы в чистом виде (‘без примесей), если на них не воздействуют излучение и электрическое поле, не имеют свободных электронов в зоне проводимости. При воздействии электромагнитного излучения часть электронов приобретает энергию, достаточную для их перевода из валентной зоны в зону проводимости, т. е. некоторые электроны становятся свободными и обусловливают увеличение проводимости.
У полупроводниковых материалов количество свободных электронно-дырочных пар возрастает при освещении, если энергия фотонов достаточна для перевода электронов в зону проводимости. Это явление называют генерацией свободных носителей заряда.
Энергия, отдаваемая электрону, определяется частотой электромагнитного излучения и не зависит от его интенсивности, т. е. с увеличением интенсивности излучения растет число поглощающих свет электронов, но не энергия, получаемая каждым из них.
Энергия фотона определяется согласно известной формуле Планка
^=Av,
где /1=6,625-10~34 дж-сек — постоянная Планка; v — частота излучения.
Энергия фотона желтого света (частота излучения около 5 • 1014) составляет более 2 эв, что многим полупроводниковым материалам вполне достаточно для перевода электронов в зону проводимости.
Возбужденные излучением электроны находятся в зоне проводимости в течение времени жизни т, а затем переходят на примесные уровни или в валентную зону. При непрерывном воздействии излучения устанавливается динамическое равновесие, при котором число генерируемых электронов равно числу рекомбинирующих.
Фоторезистивный эффект впервые был обнаружен в 1873 г. у селена. Поэтому первые образцы фоторезисторов были выполнены на
основе селена. Их светочувствительны элемент представлял собой тонкий слой селена (20—30 мкм), нанесенный на стеклянную подложку.
Селеновые фоторезисторы не нашли широкого применения в технике из-за нестабильности параметров во времени. Так, чувствительность селеновых фоторезисторов при эксплуатации, хранении и в условиях продолжительного интенсивного освещения падала. Промышленный выпуск селеновых фоторезисторов был прекращен, хотя до сих пор они являются непревзойденными по чувствительности в ближней ультрафиолетовой части спектра.
Исследования свойств различных полупроводниковых материалов привели к созданию сернистоталлиевых фоторезисторов — тал- лофидов.
Таллофиды имели высокую чувствительность (2,5 а[лм^ при малых освещенностях и значительно меньшую при освещенности более 8—10 лк. Так как чувствительность таллофидов расположена в инфракрасной области спектра, они использовались в качестве приемников инфракрасного излучения в спектроскопии.
Спектральная чувствительность таллофидов равнялась 0,4— .1,4 мкм; максимум чувствительности соответствовал длинам волн 0,5 и 1 мкм.
Сернистоталлиевые фоторезисторы до 1941 г. практически были единственными изготовляемыми приборами на фоторезистивном эффекте. Но параметры таллофидов обладали значительной зависимостью от температуры, а также необратимой потерей чувствительности при воздействии коротковолнового излучения. Для защиты от воздействия коротковолнового излучения таллофиды помещали в вакуумированные баллоны и покрывали красным фильтром. Срок службы таллофидов был весьма небольшим (300—400 ч). В настоящее время сернисто-таллиевые фоторезисторы не выпускаются.
Сернистовисмутовые фоторезисторы, разработанные Б. Т. Коло- мийцем, отличались от селеновых фоторезисторов и таллофидов большей чувствительностью и стабильностью электрических параметров.
С 1948 г. отечественная промышленность начала серийный выпуск фоторезисторов ФС-Б1 и ФС-Б2 на основе сернистого висмута (зарубежными фирмами подобные фоторезисторы не выпускались).
Чувствительность сернистовисмутовых фоторезисторов составляла 80 ма/лм при освещенности 100 лк и напряжении 100 в. Уменьшение освещенности приводило к возрастанию чувствительности. Так, при 1 лк чувствительность фоторезисторов достигала 400 ма/лм. Постоянная времени, характеризующая инерционность фоторезисторов, была сравнительно невысока (10-3 секу
Советскими учеными и инженерами под руководством Б. Т. Ко- ломийца были разработаны фоторезисторы на сульфиде и селениде кадмия на 5—6 лет раньше, чем за рубежом. Селенистокадмиевые фоторезисторы по своим основным параметрам превзошли сернистовисмутовые.
В последние годы синтезированы полупроводниковые материалы, у которых для перевода электронов в зону проводимости достаточно несколько десятых долей электронвольта. Увеличение проводимости у таких материалов может наблюдаться при частотах, соответствующих инфракрасной области спектра.
ПотокизлученияПотокизлученияРис. 9.1. Конструктивное устройство фоторезистора и схема его включения:Рис. 9.1. Конструктивное устройство фоторезистора и схема его включения:Группой ученых под руководством Б. Т. Коломийца разработаны сернистосвинцовые фоторезисторы, чувствительные в инфракрасной области спектра и обладающие хорошей стабильностью характеристик.
Потокизлучения
Потокизлучения
Рис. 9.1. Конструктивное устройство фоторезистора и схема его включения:
Рис. 9.1. Конструктивное устройство фоторезистора и схема его включения:
1 — светочувствительный полупро-водниковый слой; 2 — изоляционноеоснование; 3 — металлическиеэлектроды1 — светочувствительный полупро-водниковый слой; 2 — изоляционноеоснование; 3 — металлическиеэлектродыПреимущество фоторезисторов по сравнению с вакуумными фотоэлементами состоит в том, что они дают возможность получать фототоки, измеряемые миллиамперами (для фотоэлементов рабочий ток составляет микроамперы), и осуществлять простую и надежную конструк- щию фотореле. Большинство выпускаемых фоторезисторов могут работать при питании схем непосредственно от сети (220, 127 в), т. е. не требуют специальных понижающих трансформаторов.
1 — светочувствительный полупро-водниковый слой; 2 — изоляционноеоснование; 3 — металлическиеэлектроды
1 — светочувствительный полупро-водниковый слой; 2 — изоляционноеоснование; 3 — металлическиеэлектроды
Полупроводниковые фоторезис
торы обладают высокой чувствительностью к излучению в широком диапазоне длин волн — от инфракрасной области спектра до рентгеновских и гамма-лучей — стабильны в работе, имеют простую конструкцию и малые габариты. Все это позволяет использовать фоторезисторы в самой разнообразной аппаратуре для контроля, автоматизации и регулирования различных производственных процессов.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫИ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Основными параметрами полупроводниковых фоторезисторов (рис. 9.1) являются: темновое сопротивление, кратность изменения сопротивления, темновой и световой ток, удельная чувствительность, номинальная мощность рассеяния, рабочее напряжение, инерционность. Характеристики фоторезисторов (спектральная, люксам- перная) показывают их особенности и границы использования.
Темновое сопротивление — это сопротивление фоторезистора при полной защите чувствительного элемента от излучения.
Для сернистосвинцовых фоторезисторов обычно указывают диапазон значений темнового сопротивления. Промежуточные значения темновых сопротивлений фоторезисторов соответствуют шкале
ГОСТ 2825—66. Для большинства фоторезисторов устанавливают
нижний предел темнового сопротивления.
Кратность изменения сопротивления характеризует чувствительность фоторезистора, показывая степень изменения сопротивления фоторезистора под действием определенного светового потока; обычно это отношение темнового сопротивления фо- торезистора к сопротивлению при освещенности в 200 лк от источника с цветовой температурой 2850° К.
Темновой ток фоторезистора огра
ничивается по верхнему пределу; причем его минимальное значение может быть на 1—2 порядка меньше указанного предельного значения.
Световой ток фоторезистора в соответствии с ГОСТ 10675—63 определяют при рабочем напряжении и освещенности в 200 лк от источника света с цветовой температурой 2850° К. Часто для фоторезисторов устанавливают только ■нижний предел светового тока.
Чувствительность фот ор е- ■з и с т о р а характеризуется отношением фототока, полученного при освещении фоторезистора, к величине светового потока: А//Ф (а/ллг).
Из вольтамперной характеристики фоторезистора (рис. 9.2) видно, что этот па-
Рис. 9.2. Вольтамперная характеристика фоторезистора:1—при отсутствии света; 2 — при некоторой освещеи- иостн; ДА и Д/г— фототоки; Ux и Ui — приложенные к фоторезистору напряженияРис. 9.2. Вольтамперная характеристика фоторезистора:1—при отсутствии света; 2 — при некоторой освещеи- иостн; ДА и Д/г— фототоки; Ux и Ui — приложенные к фоторезистору напряженияраметр является условным, поскольку
Рис. 9.2. Вольтамперная характеристика фоторезистора:
1—при отсутствии света; 2 — при некоторой освещеи- иостн; ДА и Д/г— фототоки; Ux и Ui — приложенные к фоторезистору напряжения
Рис. 9.2. Вольтамперная характеристика фоторезистора:
1—при отсутствии света; 2 — при некоторой освещеи- иостн; ДА и Д/г— фототоки; Ux и Ui — приложенные к фоторезистору напряжения
уровень фототока определяется приложенным напряжением. Зависимость фототока от приложенного напряжения у полупроводниковых фоторезисторов практически линейна. Поэтому фоторезистор удобно характеризовать удельной чувствительностью, т. е. чувствительностью на 1 6 приложенного напряжения.
Удельная чувствительность — это отношение фототока А/ к падающему на фоторезистор световому потоку Ф (ля) и приложенному к нему напряжению Д (в):
д/
ФУ
где А/ — фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору при определенной освещенности (200 лк) и в темноте, ма или яка.
Линейная зависимость фототока от приложенного напряжения наблюдается только в области слабых электрических полей. При увеличении напряжения свыше некоторого значения, величина ко-
торого определяется свойствами используемого полупроводникового материала, рост фототока замедляется и в сильных электрических полях у некоторых типов фоторезисторов наблюдается насыщение фототока.
Насыщение фототока обусловлено следующими явлениями. После возбуждения свободные электроны дрейфуют в направлении, противоположном приложенному электрическому полю Е до момента их рекомбинации. Длина дрейфа электронов в полупроводниковом материале определяется их подвижностью ц и временем жизни т:
Е = уЕл.
Фототок пропорционален концентрации свободных электронов, возбужденных в единицу времени излучением, и длине дрейфа L и линейно зависит от напряжения, пока L меньше расстояния между электродами d. Если L^d, то возрастание фототока с полем замед-
Рис. 9.3. Кривая, характеризующая инерционность фоторезистора при воздействии одиночного светового импульса длительностью ТеиРис. 9.3. Кривая, характеризующая инерционность фоторезистора при воздействии одиночного светового импульса длительностью Теиляется, и когда носители заряда, возбуждаемые за счет падающего излучения в единицу времени во всем кристалле, достигают электрода, наступает насыщение.
Рис. 9.3. Кривая, характеризующая инерционность фоторезистора при воздействии одиночного светового импульса длительностью Теи
Рис. 9.3. Кривая, характеризующая инерционность фоторезистора при воздействии одиночного светового импульса длительностью Теи
Так как у фоторезисторов зави- ■ симость фототока от интенсивности светового потока носит нелинейный характер, чувствительность находят при определенном световом -потоке (обычно 200 лк от источника света с цветовой температурой 2850° К).
Номинальной мощностью рассеяния фоторезистора называют максимально допустимую мощность, которую фоторезис
тор может рассеивать при непрерывной электрической нагрузке и температуре окружающей среды, указанной в технической документации, при атмосферном давлении 105 н$м2 и напряжении на фоторезисторе, не превышающем предельного. Номинальная мощность рассеяния фоторезистора определяется теплопроводностью проводящего элемента, его размерами, условиями теплоотвода, температурой источника излучения и т. п.
Рабочее напряжение фотбрезистора— это напряжение, при котором фоторезистор работоспособен в течение данного срока службы, т. е. изменение его параметров не превышает определенных норм, указанных в технических условиях.
Инерционность заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок достигает/установившегося значения, как правило, через небольшой промежуток времени и при прекращении действия светового потока фототок уменьшается до нуля также через определенное время. Изменение фототока при освещении фото-
резистора прямоугольным световым импульсом показано на рис. 9.3.
Инерционность процесса нарастания или уменьшения фототока характеризуется постоянной времени т, в течение которого фототок увеличивается или уменьшается в ераз, т. е. на 63%, если считать, что изменение тока происходит по экспоненциальному закону.
Инерционность фоторезисторов можно определять по кривой нарастания и спадания фототока на экране осциллографа. Скорость нарастания фототока несколько отличается от скорости его спадания, поэтому фоторезисторы характеризуют постоянной времени по нарастанию тн и спаданию тСп фототока.
Рис. 9.4. Спектральные характеристики фоторезисторов
Спектральная характеристика определяет чувствительность фоторезистора при воздействии на него излучения соответствующей длины волны и зависит от материала, используемого для светочувствительного элемента (рис. 9.4).
Минимальную частоту vk, при которой имеет место внутренний фотоэффект, называют красной границей. У полупроводниковых материалов обычно эта граница лежит в инфракрасной области спектра. Отметим, что излучение с частотой v>vK не вызывает существенного изменения проводимости материала. При v>vK почти вся излучаемая энергия поглощается тонким поверхностным слоем материала, где скорость рекомбинации носителей заряда больше, чем в объеме. При этом увеличивается и скорость рекомбинации в объеме вследствие диффузии внутрь материала неосновных носителей заряда. Последнее может привести даже к возникновению отрицательного фоторезистивного эффекта, сопровождающегося уменьшением проводимости материала.
Люксамперная характеристика фоторезистора представляет собой зависимость фототока от интенсивности падающего излучения при постоянном напряжении, приложенном к фоторезистору. Обычно у фоторезисторов зависимость фототока от интенсивности падающего излучения носит нелинейный характер.
ТЕХНОЛОГИЯ, конструкцииИ ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
Светочувствительный элемент фоторезистора представляет собой прямоугольную или круглую таблетку, спрессованную из полупроводникового материала, или тонкую пленку на стеклянной подложке. На концах светочувствительного элемента создают электроды с малым переходным сопротивлением.
Наиболее распространенными являются фоторезисторы на основе сернистого свинца, сернистого кадмия, селенистого кадмия.
Сернистый свинец (PbS) встречается в природе в виде материала галенита (свинцовый блеск); обычно его получают искусственно различными способами; PbS бывает в аморфной и кристаллической модификациях. Температура плавления PbS составляет 1387° К; ширина запрещенной зоны — 0,37 эв, подвижность носителей заряда (электронов) — 0,04 м^в • сек).
Для получения наибольшего относительного приращения проводимости полупроводниковый слой должен иметь малую толщину. Это обусловливает специфику технологии получения фоторезисторов.
Сернисто-свинцовые фоторезисторы изготавливают нанесением на изоляционное основание из стекла, слюды или керамики тонкого полупроводникового слоя путем испарения в вакууме или химического осаждения. Далее к полученному слою создают электроды и закрепляют всю систему в корпусе. С момента выполнения фоторезистора начинаются процессы старения, в результате чего наблюдается уменьшение сопротивления элемента и изменение чувствительности. Физические свойства светочувствительного слоя стабилизируются через 30—40 дней.
Селенистокадмиевые и сернистокадмиевые фоторезисторы в большинстве случаев выполняют из порошков CdSe и CdS путем прессования в виде таблеток, которые далее подвергают термической обработке. Затем таблетку приклеивают к стеклянной пластинке, на которую с целью создания контактов нанесены металлические электроды. В ряде конструкций светочувствительный элемент укрепляют с помощью прижимных контактов.
В качестве светочувствительных элементов при изготовлении фоторезисторов используют также монокристаллы CdSe и CdS. Монокристаллические образцы размером 10xf2X 12 мм3 укрепляют на изолирующей подложке специальными лаками. Для создания омических контактов на края кристаллов наносят металлические электроды. /
Основные физические свойства монокристаллических полупроводниковых материалов, используемых для фоторезисторов, приведены в табл. 9.1.
Светочувствительные элементы фоторезисторов обычно помещают в пластмассовый или металлический корпус, а иногда, если требуются малые габариты, выпускают без корпуса.
ТАБЛИЦА 9.1
Основные физические свойства монокристаллических материалов, используемых в фоторезисторах
Сернистый кадмий
Селенистый кадмий
Теллуристый кадмий
Кристаллическая струк
тура ,. . .
Тип решетки
Молекулярный вес . . . . Плотность, кг!м? . . . . Точка плавления, °К . . .
Тип проводимости . . .
Шириназапрещенной
зоны, эв
Удельноесопротивление, ом-м
Подвижность носителей заряда, M^te-ceK) . .
гексагональная вюрцит
144, 46
4820
1748±15 при дав
лении аргона
106 н1лР
п-тип
2,4
10-3—10Ю
0,03—0,07
^гексагональная вюрцит 191,4 5610 1520
п-тнп
1,7
10-3—108
0,04—0,07
кубическая сфалерит 240
6200
1360
n-тип, р-тип
1,4
Ю-З—105
0,1—0,12 (электронов) 0,007
(дырок)
Фоторезисторы ФСА-la, ФСК-7а, ФСК-76, ФСК-la и ФСД-1а выполняют без корпуса.
Светочувствительный элемент у них защищен от воздействия' внешней среды прозрачной лаковой пленкой, которая, однако, не обеспечивает надежной защиты от влаги.
Рис. 9.5. Фоторезисторы: а —ФСА-la: б —ФСК-la и ФСД-1а
Светочувствительные элементы фоторезисторов ФСК-1а и ФСД-la приклеивают к стеклянной подложке, на которой нанесены серебряные электроды для создания выводов (рис. 9,5).
Конструктивное оформление фоторезисторов ФСК-5 позволяет их комплектовать в специальные блоки (рис. 9.6).
На рабочую поверхность фоторезисторов ФСК-7 наносят три электрода А, В, С, что позволяет использовать их в качестве дифференциальных элементов. Фоторезисторы ФСК-7 выполняют в двух конструктивных вариантах, отличающихся конфигурацией и расположением электродов (рис. 9.7). Включение фоторезисторов ФСК-7 в электрическую цепь рекомендуется производить с помощью прижимных контактов.
Стеклянное основаниеСтеклянное основаниеРис. 9.7. Фоторезисторы ФСК-7а (а) и ФСК-76 (б)Рис. 9.7. Фоторезисторы ФСК-7а (а) и ФСК-76 (б)££оншшишшооншшишшоliiifiiiiiTiiiiiiiiiiilliiifiiiiiTiiiiiiiiiiilРис. 9.6. Светочувствительный элемент (а) и блок из 10 элементов (б) фоторезисторов ФСК-5
Стеклянное основание
Стеклянное основание
Рис. 9.7. Фоторезисторы ФСК-7а (а) и ФСК-76 (б)
Рис. 9.7. Фоторезисторы ФСК-7а (а) и ФСК-76 (б)
£
£
оншшишшо
оншшишшо
liiifiiiiiTiiiiiiiiiiil
liiifiiiiiTiiiiiiiiiiil
Светочувствительный элемент фоторезисторов ФСА-1, ФСК-1» ФСК-2, ФСК-4, ФСД-1, ФСК-6 и ФСА-6 и помещают в пластмассовый корпус (рис. 9.8).
Фоторезисторы ФСК-6 и ФСА-6 предназначены для работы в отраженном свете. У этих фоторезисторов светочувствительный элемент представляет собой плоскую шайбу с отверстием, через которое свет поступает на отражающую поверхность. Это позволяет устанавливать фоторезисторы на близком расстоянии от контролируемого объекта. /
Фоторезисторы ФСК-1, ФСК-2, ФСК-6, ФСА-6 могут быть включены в октальную радиопанель, ФСД-1 — в панель для семиштырьковых радиоламп; ФСК-4 в специальную панель (из фоторезисторов данного типа собирают блоки с различным количеством элементов).
Для эксплуатации при повышенной влажности, в жидких непроводящих средах и в условиям тропического климата -разработаны фоторезистор'ы с герметичней конструкцией ФСА-Г1, ФСК-Г1, ФСД-П, ФСА-Г2, ФСК-Г2, ФСК-Г7 (рис. 9.9),
Фоторезисторы ФСА-Г2 имеют в основании радиоламповый цоколь, обеспечивающий их включение в стандартную панель; у фоторезисторов ФСА-П, ФСК-П, ФСК-Г7 и ФСД-П выводы выполнены в виде металлических лепестков.
К малогабаритным фоторезисторам относятся пленочные селе- нисто-кадмиевые и сернисто-кадмиевые фоторезисторы СФ2-1, СФЗ-1, ФСК-П1 и СФ2-2 (рис. 9.10).
Рис. 9.8. Фоторезисторы с пластмассовым корпусом: а —ФСА-1; б —ФСК-1; в —ФСК-2; г —ФСК-4; Q — ФСД-1; г — ФСК-6
Фоторезисторы СФ2-1 и СФЗ-1 имеют одинаковые пластмассовые основания. На торцах оснований помещают миниатюрные светочувствительные элементы, выполненные из разных материалов, что обусловливает их различные электрические параметры, и защищенные от воздействия внешней среды прозрачной пленкой эпоксидной смолы.
Элементы фоторезисторов ФСК-П1 и СФ2-2 (рис. 9.10) помещают в пластмассовые корпуса. Окно, через которое поступает излучение, соединяется с корпусом с помощью эпоксидной смолы.
Фоторезисторы в герметичных металлических корпусах отличаются большей надежностью и стабильностью параметров по сравнению с фоторезисторами в пластмассовых корпусах.
Для фоторезисторов СФ2-4 и СФЗ-4 (рис. 9.10) разработаны герметичные корпуса с окнами из оптического стекла.
Пленочные светочувствительные элементы фоторезисторов СФ2-5 и СФЗ-5 (рис. 9.10) выполняют в виде дисков.
Фоторезисторы СФ4-1, выполняемые из селенида свинца, имеют максимум спектральной чувствительности в инфракрасной области спектра (длина волны 3,5 мк, красная граница спектральной характеристики — 4,7 мкм).
Рис. 9.9. Фоторезисторы с герметичным корпусом: а— ФСА-Г1, ФСК-Г1, ФСД-Г1; б — ФСА-Г2; в — ФСК-Г2;
г — ФСК-Г7а; д — ФСК-Г76
Основные параметры фоторезисторов приведены в табл. 9.2 и 9.3.
Как следует из таблиц, полупроводниковые фоторезисторы имеют высокую чувствительность и широкий диапазон номинальных сопротивлений.
Селенистокадмиевые фоторезисторы в основном чувствительны в видимой области спектра, а также в части инфракрасной области. Их чувствительность лежит в интервале длин волн от 0,5 до 1,2 мкм, красная граница расположена у 1,2 мкм; причем в ближней инфракрасной области спектра у 1 мкм чувствительность составляет примерно 5—10% 'максимальной чувствительности.
<
<
ев о а.
о
X
о а.
р©
г©
X 3 со
Я
ГО
©
X X а
Ч
X
2
X
ГГО
,О
1S
I=
1
1и
13
Fа.
ГО а. ГО
=
‘чюончь-эхиа
-юяЛь квич^эт^
oooooooooooo ООООООЮООООО ОООООО04Ю00ООО ^Г-.^ЮОЮr-'V-r^OO
—« 04 04
О I.Q О О V- GO
ООО
II00 со С©
S
ИТ)!) ‘Ч1ЭОН -qifdiHSiaeX^
OO vO COCOlOOOtM^^t^^'rHCO
01010СОЮООС0 0 04 04^
С©
го-1 о о
]|ю ю ю
ЮС©1 1—1
g и
5
oooooooooooo oooooooooooo Tf Tf T—< ^ О Tf CO ^ ^ 00 о
о 04
ООО ООО 04 СО тИ
77 Soo
оо 88S
§
So
о о о О о о 00 О ОI
О О 010 1—Ю^О О 00 g
ООО ООО юю ю
ООО 1 |ю ю ю
о о ю
2 х 9 о 2 S
эинэьвне 99HV3dD
oooooooooooo oooooooooooo 04 04 04 r-< 04 СО 04 СЧ 04
ООО ООО о U0 о
11000
IIо о о
о ю
о ю
ю
6
эннэьвне 39HKdd3
oooooooooooo ф oooooooooooo ч oooooooooooo 2 04 04 ' 04 04 .со 04 04 О 04
о to о
ооА
ООООО
со О04о О о
—.Зооо
1 1$гогого
(JI DO J
‘Al) иХиинии
1s
5 0 0 0 0 0 00000004
S OOOOOOOOOOOO 1 о юо оо ю со оо о о о ।
щ°
ООО ООО юю ю
S к(
■ § ООО II о о о о 1 1 £ ююю
S ф
■я а
эинэьвне эзикэбэ
о_
о
. О О О О 1 ю о о о о о о »—<•—< т—<т—<
(М
о
о
VV
о о
(1DOJ ‘Al) иХииэяви
ЮЮООЮЮОООЮО»—1 со со гнООгнмОО
1-1 ,—1 т—<
| ]°22
ю о
WO^f ‘(Э9Н -ЭИ ЭН) ЭИИЭГЯН! -OduOD Э080НИЭХ
C0C0C0OoC0vOt—1 о со со о
COCOCO*—i^COOOiOCOf—1т—-
to о о
04 to
ООО4©4О1
О
о со
9 ‘ЭИНЭЖ
-bduBH *99hO9Bd
X 9 ‘КИН
-Bsooed Ч1Э0НТП0И
БВНЧ1ГВНИИ0Ц
oooooooooooo ЮЮО©4ЮЮОг-«ОЮЮО
ю сч ю
О ОООО
о.04 ©4 ©4
ю
Ю to Ю to
04 04 04 04tOOtOLOi0 04 0 0
1,—1,—1т-<О04С0С0е0т—Ю4«-<
oooooooooooo
^нЮО о
ООО
О о
o'ою ю ю
| |0^0 о
g gООО
о о
S
Й Ср « s i
С_ Л О Г- о н
<вгого о ^ г4 ^ £2
т—< 1—। 04 ^ tO О Ь~» 1— *—'
.oooooooooooo
305
— СЧ тч счсч го е-е-е- ООО
—' ©4-
UUUUO
6-6-6- •& •&
со е о
Примечания- 1 Параметры резисторов ФСК-7а, ФСК-76, ФСК-Г7 соответствуют одной половине фоторезистора. 2. Величина светового тока определена через 15 сек после воздействия 200 лк; темнового тока — через ЗОсек после снятия освещенности.
Рис. 9.10. Конструкция малогабаритных фоторезисторов:а —СФ2-1, СФЗ-1; б —ФСК-П1; в — СФ2-2; г — СФ2-4, СФЗ-4; в — СФ2-5, СФЗ-5Рис. 9.10. Конструкция малогабаритных фоторезисторов:а —СФ2-1, СФЗ-1; б —ФСК-П1; в — СФ2-2; г — СФ2-4, СФЗ-4; в — СФ2-5, СФЗ-5Тип фото* резистораНоминальная мощность рассеяния, втРабочее напряжение, 8Темновое сопротивление, колеWb (не менее)Относительное изменение сопротивления, % (не менее)Удельная чувствительность мка^лм-в^Постоянная в реме • ни, мксекФСА-10,012-10022-10001,22050040—400ФСА-la0,012—10022—10001,22050040—400ФСА-60,015-3050-3001,22050040—400ФСА-Г10,014—4047—4701,22050040—400ФСА-Г20,014—4047-4701,22050040—400Тип фото* резистораНоминальная мощность рассеяния, втРабочее напряжение, 8Темновое сопротивление, колеWb (не менее)Относительное изменение сопротивления, % (не менее)Удельная чувствительность мка^лм-в^Постоянная в реме • ни, мксекФСА-10,012-10022-10001,22050040—400ФСА-la0,012—10022—10001,22050040—400ФСА-60,015-3050-3001,22050040—400ФСА-Г10,014—4047—4701,22050040—400ФСА-Г20,014—4047-4701,22050040—400ТАБЛИЦА 9.3ТАБЛИЦА 9.3Параметры сернистосвинцовых фоторезисторовПараметры сернистосвинцовых фоторезисторов306306Рис. 9.11. Допустимые электрические нагрузки полупроводниковых фоторезисторовРис. 9.11. Допустимые электрические нагрузки полупроводниковых фоторезисторовками.ками.Рис. 9.12. Частотные характеристики фоторезисторов ФСК, ФСД, ФСАРис. 9.12. Частотные характеристики фоторезисторов ФСК, ФСД, ФСАРис. 9.13. Люксамперные характеристики фоторезистора ФСК-П1Рис. 9.13. Люксамперные характеристики фоторезистора ФСК-П1
Рис. 9.10. Конструкция малогабаритных фоторезисторов:
а —СФ2-1, СФЗ-1; б —ФСК-П1; в — СФ2-2; г — СФ2-4, СФЗ-4; в — СФ2-5, СФЗ-5
Рис. 9.10. Конструкция малогабаритных фоторезисторов:
а —СФ2-1, СФЗ-1; б —ФСК-П1; в — СФ2-2; г — СФ2-4, СФЗ-4; в — СФ2-5, СФЗ-5
Тип фото* резистора
Номинальная мощность рассеяния, вт
Рабочее напряжение, 8
Темновое сопротивление, коле
Wb (не менее)
Относительное изменение сопротивления, % (не менее)
Удельная чувствительность мка^лм-в^
Постоянная в реме • ни, мксек
ФСА-1
0,01
2-100
22-1000
1,2
20
500
40—400
ФСА-la
0,01
2—100
22—1000
1,2
20
500
40—400
ФСА-6
0,01
5-30
50-300
1,2
20
500
40—400
ФСА-Г1
0,01
4—40
47—470
1,2
20
500
40—400
ФСА-Г2
0,01
4—40
47-470
1,2
20
500
40—400
Тип фото* резистора
Номинальная мощность рассеяния, вт
Рабочее напряжение, 8
Темновое сопротивление, коле
Wb (не менее)
Относительное изменение сопротивления, % (не менее)
Удельная чувствительность мка^лм-в^
Постоянная в реме • ни, мксек
ФСА-1
0,01
2-100
22-1000
1,2
20
500
40—400
ФСА-la
0,01
2—100
22—1000
1,2
20
500
40—400
ФСА-6
0,01
5-30
50-300
1,2
20
500
40—400
ФСА-Г1
0,01
4—40
47—470
1,2
20
500
40—400
ФСА-Г2
0,01
4—40
47-470
1,2
20
500
40—400
ТАБЛИЦА 9.3
ТАБЛИЦА 9.3
Параметры сернистосвинцовых фоторезисторов
Параметры сернистосвинцовых фоторезисторов
306
306
Рис. 9.11. Допустимые электрические нагрузки полупроводниковых фоторезисторов
Рис. 9.11. Допустимые электрические нагрузки полупроводниковых фоторезисторов
ками.
ками.
Рис. 9.12. Частотные характеристики фоторезисторов ФСК, ФСД, ФСА
Рис. 9.12. Частотные характеристики фоторезисторов ФСК, ФСД, ФСА
Рис. 9.13. Люксамперные характеристики фоторезистора ФСК-П1
Рис. 9.13. Люксамперные характеристики фоторезистора ФСК-П1
Сернистосвинцовые фоторезисторы имеют максимум чувствительности в инфракрасной области спектра.
У сернистокадмиевых фоторезисторов с пленочным и прессованным светочувствительным элементом красная граница соответству-
ет длине волны 0,86—0,9 мкм, а у фоторезисторов ФСК-Ml и ФСК-М2 на основе монокристаллов красная граница расположена у 0,55 мкм.
Допустимая электрическая нагрузка полупроводниковых фото- резисторов при различных температурах окружающего воздуха приведена на рис. 9.11. -
Инерционность фоторезисторов определяется в основном свойствами материала, используемого в проводящем элементе. Наи
меньшую инерционность имеют сернистосвинцовые фоторезисторы (40—400 мксек'), а наибольшую — фоторезисторы на основе сернистого кадмия. Значения постоянных времени у сернистокадмиевых фоторезисторов лежат в интервале от 1 до 140 мсек.
Благодаря наличию определенной инерционности у фоторезисто- 'ров, величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего светового потока. С увеличением частоты модуляции светового потока значение фототока уменьшается
(рис. 9.12). Инерционность в ряде случаев ограничивает применение фоторезисторов при работе с переменными световыми' пото
Величина фототока при неизменном напряжении на фоторезис- торе определяется интенсивностью падающего излучения. В отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом у фоторезисторов зависимость фототока от освещенности носит нелинейный характер.
На рис. 9.13 приведены люксамперные характеристики пленочных фоторезисторов ФСК-П1, которые показывают, что с увеличе-
нием напряжения, приложенного к фоторезистору, а также с увеличением интенсивности падающего излучения фототок возрастает»
При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люк- самперных характеристик определяется приложенным напряжением. При малых освещенностях (5—50 лк) у некоторых фоторезисторов (ФСК-1, ФСК-2) люксамперная характеристика линейна.
Полупроводниковые фоторезисторы предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока электронной аппаратуры.
Полупроводниковые фоторезисторы с герметичной конструкцией работоспособны при относительной влажности окружающего воздуха 98% (при 313° К), а фоторезисторы без герметизации и вла- гозащиты светочувствительных элементов могут использоваться при влажности не более 80% (при 300° К).
Допускается использование фоторезисторов в цепях импульсного и пульсирующего токов. Причем в импульсном режиме мощность не должна превышать десятикратной максимальной мощности рассеяния фоторезистора при средней мощности, не превышающей номинального значения. Фоторезисторы могут работать также при больших интенсивностях света, но при этом мощность рассеяния не должна превышать допустимого значения.
Благодаря высокой чувствительности, простоте и разнообразию конструкций, малым габаритам полупроводниковые фоторезисторы широко применяют в различных отраслях техники. В ряде случаев фоторезисторы используют вместо вакуумных и газонаполненных фотоэлементов.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
Богородицкий Н. В., Пасынков В. В. Материалы радиоэлектронной техники. Изд-во «Высшая школа», 1969.
Гальперин Б. С. Непроволочные резисторы. Изд-во «Энергия», 1968.
Городецкий А. Ф., Кравченко А. Ф. Полупроводниковые приборы. Изд-во «Высшая школа», 1967.
Мартюшов К. И., Зайцев Ю. В. Резисторы (Конструкции, основы технологии и параметры). Изд-во «Энергия», 1966.
Мартюшов К- И., Зайцев Ю. В. Линейные и нелинейные сопротивления (резисторы). Изд. МЭИ, 1967.
Мартюшов К. И., Зайцев Ю. В. Нелинейные полупроводниковые- резисторы. Изд-во «Энергия», 1968.
Морозов И. И. Непроволочиые линейные сопротивления общего применения. Изд. МЭИ, 1961.
Некрасов М. М. Микроминиатюризация и микроэлектроника на нелинейных сопротивлениях. Изд-во «Сов. радио», 1965.
О леек А. О. Фоторезисторы. Изд-во «Энергия», 1967.
Пасынков В. В., Савельев Г. А., Чиркин Л. К. Нелинейные- полупроводниковые сопротивления. Судпромгиз, 1962.
Ш е ф т е л ь И. Т. Термосопротивления. ГИФМЛ, 1958. -
Дополнительнаяс
Белевцев А. Т. Потенциометры. Обороигиз, 1962.
Бочкарев Б. А. Вопросы технологии изготовления тонкослойных непроволочных сопротивлений. Изд. МДНТП, 1958.
Буркин А. Л., Шефтель И. Т. Новые термосопротивления на рабочие температуры до 300° С. Изд. ЛДНТП, 1960.
Б у р к и н А. Л., Шефтель И. Т. Оксидные кобальтомарганцевые полупроводниковые болометры. ФТТ, 1960, т. II, Ns 2.
Власов Л. Г., Зайцев Ю. В. Низкоомные кремниевые резисторы. «Электронная техника», сер. 8, вып. 5, 1966.
В л а с о в Л. Г., Зайцев Ю. В. Некоторые вопросы получения переменных резисторов с нелинейными функциональными характеристиками. Доклады научно-технической конференции, изд. МЭИ, 1967.
Волошин И. Ф. и др. Полупроводниковые термосопротивления. Изд. АН БССР, 1959.
Гальперин Б. С. К вопросу о проводимости электрического контакта. ЖТФ, т. XXII, вып. 5, 1952.
Гальперин Б. С. Об электропроводности сажи. ЖТФ, т. XXIII, вып. 6, 1953.
Гальперин Б. С. О контактных шумах. ЖТФ, т. XXV, вып. 3, 1955.
Гальперин Б. С., Солдатова Л. П. Исследование характера контакта сажевых структур в полимерных композициях. «Коллойдный журнал», № 1, 1964.
Гурвиц А., Курант Р. Теория функций. Изд-во «Наука», 1968.
Гусев В. П. Технология производства радиоэлектронной аппаратуры. Изд-во «Сов. радио», 1961.
Даммер Д. и др. Расчет и конструирование электронной аппаратуры. Изд-во «Энергия», 1964.
Данилин Б. С. Вакуумное нанесение тонких пленок. Изд-во «Энергия», 1967.
Дер б о И. Ф. Полупроводниковые термо- и фотосопротивления. Изд-во ЦБТИ Тамбовского СНХ, 1961.
Дроздов Н. Г., Никулин Н. В. Электроматериаловедение. Изд-во «Высшая школа», 1964.
Дуль н ев Г. Н. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах. Гос- энергоиздат, 1963.
Железнов М. Т., Иванов Д. М. и др. Проволочные резисторы. Изд-во «Энергия», 1970.
Зайцев Ю. В. Полупроводниковые резисторы. Изд-во «Энергия», 1969.
Зайцев Ю. В. Полупроводниковые резисторы. Изд-во «Знание», 1971.
3 а й ц е в Ю. В., Власов Л. Г. Низкоомные функциональные рези- 'Сторы. Доклады научно-технической конференции, изд. МЭИ, 1969.
3 а й ц е в Ю. В., Марченко А. Н. Полупроводниковые терморези- ■сторы с положительным ТКС. «Известия Вузов». Радиотехника, № 3, 1968.
3 а й ц е в Ю. В., Марченко А. Н. Полупроводниковые тепловые реле. Изд-во «Информстандартэлектро», 1968.
3 а й ц е в Ю. В., Марченко А. Н. Низковольтные нелинейные полупроводниковые сопротивления —- варисторы. «Электротехническая промышленность», вып. 330, 1969.
Зайцев Ю. В., Марченко А. Н. Влияние повышенной температуры на характеристики гетинакса марки VI. «Электротехника», № 10, 1969.
3 а й ц е в Ю. В., Тихонов А. И. Расчет сопротивления пленочных резисторов с юстировочной нарезкой. «Известия вузов». «Радиотехника», т. 12, -№ 11,1969.
Зайцев Ю. В., Тихонов А. И. Расчет сопротивления пленочного резистора с нарезкой. «Радиотехника», т. 25, № 11, 1970.
К а р а ч е н ц е в А. Я- и др. Варисторы. «Радио», № 11, 1969.
Караченцев А. Я-, С пев а к В. В. Варисторы в телевизорах. «Радио», № 12, 1966.
Коломиец Б. Т., О лес к А. О. Характеристики и свойства фотосопротивлений из сернистого кадмия. «Электричество», № 6, 1956.
Коломиец Б. Т. и др. Фотосопротивления из сульфида кадмия. «Ра- - диотехника и электроника», № 8, 1956.
Коломиец Б. Т., О леек А. О. Селенисто-кадмиевые фотосопротивления типа ФС-Д. «Электричество», № 10, 1962.
Коломиец Б. Т., О леек А. О. Сернисто-кадмиевые фотосопротивления типа ФС-К. «Электричество», № 3, 1963.
Коломиец Б. Т., Караченцев А. Я. Полупроводниковые варисторы СНЫ и СН1-2. «Радио», № 9, 1965.
Колосов А. А., Горбунов Ю. И., Наумов Ю. Е. Полупроводниковые твердые схемы. Изд-во «Сов. Радио», 1965.
Кузнецов А. Я. Полупроводниковая двуокись олова. ФТТ, т. II, № 1, 1960.
Луцкий В. А. Расчет надежности н эффективности радиоэлектронной аппаратуры. Изд. АН УССР, 1963.
М а л и н и н Р. М. Резисторы. Изд-во «Энергия», 1969.
Мартюшов К. И., Зайцев Ю. В. Исследование характеристик ■миниатюрных резисторов. Изд. МЭИ, 1966.
Мартюшов К. И., Зайцев Ю. В. Исследование характеристик ■полупроводниковых терморезисторов. Изд. МЭИ, 1966.
Метфессель С. Тонкие пленки, их изготовление и измерение. Гос- энергоиздат, 1963.
М и р л и н Л. Н. Полупроводниковые болометры. «Полупроводники в науке и технике», изд. АН СССР, т. I, 1957.
Нейштадт С. 3., Россиянский Л. С. Технология и оборудование производства радиодеталей и компонентов. Изд-во «Энергия», 1969.
Некрасов М. М., Кобцев Ю. Д. Термостабильные сопротивления - в термисторы на основе окисляемого диборида титана. «Электротехника», № 12, 1963.
Некрасов М. М. и др. Низковольтные нелинейные сопротивления на основе карбида кремния с добавками. «Известия вузов». Физика, № 1, 1964.
Некрасов М. М. Управление температурным коэффициентом сопротивления полупроводников. «Электричество», № 4, 1964.
Оделевский В. И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. ЖТФ, вып. 6, 1951.
О леек А. О. Фоторезисторы. Изд. ЛДНТП, 1965.
Панкратов Е. М. и др. Технология полупроводниковых слоев двуокиси олова. Изд-во «Энергия», 1969.
Рыбинский О. А., Малышев А. А. Постоянные иепроволочные сопротивления. Госэнергоиздат, 1959.
Слуцкая В. В. Тонкие пленки в технике сверхвысоких частот. Госэнергоиздат, 1962.
Сотсков Б. С. Основы расчета и проектирования элементов автоматических н телемеханических устройств. Изд-во «Энергия», 1963.
Ступаченко А. А. Построение математических моделей временных процессов в постоянных резисторах. «Электронная техника», сер. 8, № 1, 1967.
Текстер-Проскурякова Г. Н., Шеф тель И. Т. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления. «Радиотехника и электроника», т. XI, № 5, 1966.
Текстер-Проскурякова Г. Н. Позисторы — терморезисторы с положительным ТКС. «Приборостроение», № 10, 1966.
Удалов Н. П. Полупроводниковые датчики. Изд-во «Энергия», 1965.
Улитовский А. В. Тонкая проволока в сплошной стеклянной изоляции и возможности ее применения. «Приборы и техника эксперимента», № 3, 1957.
Фильчаков П. Ф. Приближенные методы конформных отображений. Изд-во «Паукова думка», 1964.
Френкель Я И. Теория электрических контактов между металлами. ЖЭТФ, т. XVI, вып. 4, 1946.
Фукс Б. А., Шабат Б. В. Функции комплексного переменного и некоторые их приложения. Изд-во «Наука», 1964.
Хольм Р. Электрические контакты. Пер. с англ., ИИЛ, 1961.
Ч е р н ы й Б. К. Нелинейные полупроводниковые сопротивления на основе окиси олова для электролюминесцентных матричных экранов. Сб. «Физикотехнологические вопросы кибернетики», изд. АН УССР, вып. 2, 1966.
Черный Б. К. Нелинейные композиционные материалы на основе оксидных полупроводников с органической связкой. Материалы и приборы радиоэлектроники. Изд. Обл. книжн. типогр., Днепропетровск, 1968.
Черный Б. К., Якунин А. Я. Нелинейные полупроводниковые сопротивления на основе окисных систем с органической связкой. Электроника твердого тела. Изд. Укр НИИНТИ, 1968.
Шеф тель И. Т. и др. Электрические свойства и структура сложных оксидных полупроводников. ФТТ, т. I, вып. 2, 1959.
Шеф тель И. Т. и др. Малоинерционные бусинковые термосопротивления. «Вестник электропромышленности», № 8, 1963.
Шеф тель И. Т. и др. Характеристики терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления. «Приборы и системы управления», № 10. 1968.
Электрические контакты. Труды совещания. Госэнергоиздат, 1958.
Электрические контакты. Труды совещания. Госэнергоиздат, 1960.
Юсов IO. П. и др. Каталог переменных непроволочных резисторов. МЭП, 1970.
Янке Е. и др. Специальные функции. Изд-во «Наука», 1964.
Dummer G. W. A. Modern electronic components, London, Pitman, 1966,
Dummer G. W. A. Variable resistors and potentiometers, London^ Pitman, 1956.
Dummer G. W, A. Fixed Resistors, vol. 1, London, Pitman, 1967.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие. .;
Введение• .
Краткий обзор развития производства резисторов
Классификация и обозначения резисторов . . . i. .j.i.. .
Глава первая. Свойства резисторов .
Сопротивление резисторов"
Основы расчета сопротивления проводящих элементов сложной формы. ..
Эквивалентные схемы резисторов . . . - . .. . .
Основные параметры и свойства резисторов
Параметры переменных резисторов
8282869310010010110911812813614114114215116117919482828693100100101109118128136141141142151161179194Глава вторая. Углеродистые резисторы . . . .,.>- •
82
82
86
93
100
100
101
109
118
128
136
141
141
142
151
161
179
194
82
82
86
93
100
100
101
109
118
128
136
141
141
142
151
161
179
194
Общие сведения . . . .
Структура и свойства пиролитического углерода . . .,
Технология производства резисторов .
Конструкции и параметры резисторов
Глава третья. Металлопленочные и металлоокисные резисторы ...... .
Общие сведения . . . . . .
Получение тонких проводящих пленок .. ^.
Свойства тонких проводящих пленок и изоляционных оснований
Технология и параметры постоянных металлопленочных резисторов . . . . •
Технология и параметры переменных металлопленочных резисторов
Технология и параметры металлоокисных резисторов
Глава четвертая. Композиционные резисторы
Общие сведения ।п
Структура и свойства компонентов композиций . . . . ।
Получение композиций
Особенности расчетов тонкопленочных резисторов . . . . . . . .
Технология и параметры тонкопленочных резисторов
Технология и параметры объемных резисторов
Резисторы для печатных схем и микромодулей 203
Глава пятая. Проволочные резисторы . . . ... .. . . . j. . . .!<.-. . . . 206
Общие сведения206
Состав, свойства и изготовление элементов конструкций . . . . 207
Технология и параметры постоянных резисторов215
Технология и параметры переменных резисторов . 224
Глава шестая. Полупроводниковые линейные резисторы228
Общие сведения । . 228
Свойства материалов резисторов 229
Особенности расчета сопротивления проводящих элементов прецизионных резисторов',. . . 236
Технология производства и параметры резисторов . . . ., . . . 241
Глава седьмая. Полупроводниковые терморезисторы . . . . . . . . . . ., . 246
Общие сведения ^....... . . 246
Основные параметры и характеристики . . 248
Свойства используемых материалов и технология производства 254
Конструкции и численные значения параметров ...,.-.'. . ■. . 262
Глава восьмая. Полупроводниковые варисторыj. -. .. . । < .,. . . 274
Общие сведения . . . . .. 274
Основные параметры и характеристики . . ......... .275
Свойства используемых материалов и технология производства 277
Конструкции и численные значения параметров ......... 291
Глава девятая. Полупроводниковые фоторезисторы . 294
Общие сведения 294
Основные параметры и характеристики . . . . 296
Технология, конструкции и численные значения параметров . 300
Литература 309
Рис. 5.6. Конструкции резисторов, ПТ (а)
ПТН (б), ПТМ (в), ПКВ (а)
^ла-iw
М29
УДК 621.316.8
. ДНР1ОГО ЗАЛА
Мартюшов К. И., Зайцев Ю. В.
М29 Технология производства резисторов. Учебн. пособие для специальности «Полупроводники^ и диэлектрики», М., «Высш, школа», 1972.
312 с. с илл.
В книге излагаются основы технологии производства различных типов резисторов: постоянных и переменных, чувствительных к температуре, электромагнитному излучению, к напряжению; рассматриваются свойства и характеристики материалов, используемых для изготовления резисторов; приведены параметры основных типов резисторов.
3-3-12
6Ф2.136Ф2.1399-72
6Ф2.13
6Ф2.13
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра полупроводников и диэлектриков Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина)
Кафедра полупроводников и диэлектриков Киевского политехнического института
КОНСТАНТИН ИВАНОВИЧ МАРТЮШОВ,ЮЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ЗАЙЦЕВ