Химические свойства и кристаллическая структура

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Институт Неразрушающего Контроля

Специальность: Электроника и наноэлектроника

Кафедра: Промышленной и медицинской электроники

 

 

«ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ»

Реферат

по дисциплине «Материалы и компоненты электронных устройств»

 

Выполнил:

Студент гр. 1А12 ____________________ Шевцова А.О.

 

Проверил:

Доцент кафедры ПМЭ ____________________ Киселева Е. Ю.

 

Томск - 2013

Содержание:

 

Введение

1. Терморезисторы

1.1 Терморезисторы с отрицательным ТКС

1.1.1. Историческая справка

1.1.2.Химические свойства и кристаллическая структура

1.1.3. Механизм электропроводности

1.1.4. Физические основы проводимости

1.1.Стабильность

1.1.6. Технология изготовления

1.1.7 Электрические свойства

1.1.8 Применение

1.2. Терморезисторы с положительным ТКС

1.2.1. Историческая справка

1.2.2.Химические свойства и кристаллическая структура

1.2.3. Механизм электропроводности

1.2.4. Технология изготовления

1.2.5. Электрические свойства

1.2.6. Применение

1.3. Обобщенные области применения терморезисторов

1.4 Классификация и маркировка

Заключение

Список использованной литературы

 

Введение.

Терморезисторы - один из видов изделий электронной техники, особенностью которых является экстремально большая и обратимая зависимость сопротивления от температуры. На основе терморезисторов разработаны и действуют многочисленные системы дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, теплового контроля машин и механизмов, схемы температурной компенсации, измерения мощности ВЧ излучения, стабилизаторов, реле времени и т.п.

В последние годы широкое применение терморезисторы находят в аппаратуре промышленной электроники и бытовой аппаратуре: в рефрижераторах, автомобилях, электронагревательных приборах, телевизорах, системах центрального отопления, в аппаратуре телефонной связи и т.п.

Терморезисторы

Терморезистор – это устройство, сопротивление которого сильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне

температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС – (-6,5 ÷ +70) %/^оC. Терморезисторный эффект заключается в изменении сопротивления полупроводника в большую или меньшую сторону за счет убывания или возрастания его температуры. Однако сам механизм изменения сопротивления с температурой отличен от подобного явления в металлах (о чем и говорит факт уменьшения сопротивления при увеличении температуры).

Терморезисторы с отрицательным ТКС

Историческая справка.

 

История терморезисторов началась в 1833 г, когда Фарадей обнаружил отрицательный ТКС у сульфида серебра. Однако практическое значение этого открытия было невелико, так как отсутствие сведений о явлениях в контактах металл-полупроводник препятствовало изготовлению приборов с воспроизводимыми характеристиками. Первый шаг в этом направлении был сделан в начале 30-х годов, после обнаружения у некоторых оксидов, таких как Fe₃0₄ и UO₂ , высокого отрицательного ТКС.

В конце 30-х и начале 40-х годов ряд материалов с отрицательным ТКС пополнился сначала NiO и СоО , а затем и системой NiO -Сo₂О₃-Mn₂О₃ .Интервал удельных сопротивлений материалов с отрицательным ТКС также расширился благодаря добавлению оксида меди в Mn₃О₄ и в систему NiO-Mn₂О₃.

Основные препятствия изготовлению приборов в эти годы определялись трудностями регулирования удельного сопротивления исходных материалов, составы которых чувствительны к изменениям атмосферы и температуры во время спекания и последующей обработки. Именно трудность воспроизведения выходных параметров заставила ряд изготовителей терморезисторов в Европе и США остановить свой выбор на оксидной системе никель-марганец-медь, так как было обнаружено, что спекание и последующая обработка этих материалов на открытом воздухе обеспечивают приемлемую воспроизводимость параметров. Материалы с отрицательным ТКС, изготовленные на основе других оксидных систем, и в частности, содержащие оксиды железа и кобальта, не оставались такими устойчивыми при нагревании на открытом воздухе и требовали введения стабилизирующих добавок или более жесткого контроля состава атмосферы и температуры на различных этапах термообработки.

Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно изготовляют из следующих оксидных систем: никель-марганец-медь, никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан, никель-литий, кобальт-литий или медь-марганец. Кроме того, практикуется добавление таких элементов, как железо, алюминий, цинк и магний, которые позволяют модифицировать свойства перечисленных систем.

Важным периодом в истории терморезисторов с отрицательным ТКС явилась работа, выполненная в лаборатории фирмы Philips в Голландии в конце 40-х годов, которая привела к объяснению механизма управления удельным сопротивлением полупроводниковых оксидных материалов. Необходимость ее появления связана не только с технологическими трудностями, но и со значительным изменением сопротивления и ТКС приборов во время их эксплуатации. Было обнаружено, что после введения Fe₃O₄ в другие оксидные соединения, имеющие аналогичные кристаллические структуры, смешанные кристаллы обладают более высокими воспроизводимостью и стабильностью. Диэлектрики со структурой шпинели, такие как MgCrO₄, ZnCrO₄ или Zn₂TiO₄, образуют твердые растворы с Fe₃O₄, которые имеют значения удельного сопротивления и ТКС, промежуточные по отношению к обоим исходным соединениям.

При объяснении свойств этого нового класса смешанных кристаллов авторы работы принимали во внимание зависимость между валентностью ионов металла и их местоположением в кристаллической решетке и возможностью управления валентностью ионов металла (Fe²⁺) исходя из их положения в кристаллической решетке. Этот метод регулирования удельного сопротивления привел к созданию более универсального метода, о котором специалисты фирмы Philips сообщили несколько лет спустя. В ходе осуществления подобного метода не добавлялся оксид со структурой шпинели к Fe₃O₄, а части железа в диэлектрике Fe₂O₃ заменялись другим, металлом с отличной валентностью (Ti⁴⁺, Sn⁴⁺ или W⁶⁺).

Было показано, что замещающие ионы вступают в электрическое взаимодействие с ионами Fe³⁺ и вызывают появление ионов Fe²⁺, приводя к возникновению электропроводности. Стало также понятно, что этот общий принцип можно использовать в других оксидных системах с высоким удельным сопротивлением, таких как NiO и СоО, заменяя ионы основного металла на ионы Li⁺. Полупроводники, удельным сопротивлением и температурным коэффициентом которых можно управлять таким образом, получили название полупроводники с управляемой валентностью.

В настоящее время принципы, разработанные фирмой Philips, широко используются для направленного формирования свойств терморезисторов с отрицательным ТКС, удовлетворяющих разнообразным требованиям потребителей этих приборов.

Тенденции развития технологии современных материалов с отрицательным ТКС выявили три основных направления в производстве терморезисторов. Главное направление - получение более стабильных терморезисторов, в результате чего во многих странах, особенно в США, появились взаимозаменяемые высокостабильные приборы с отрицательным ТКС. Это было достигнуто за счет использования более чистых исходных материалов, подбора соответствующих композиций и тщательного контроля на всех стадиях технологии изготовления терморезисторов.

Второе направление в совершенствовании терморезисторов с отрицательным ТКС заключается в расширении верхней границы рабочих температур. В течение многих лет температура 300°С оставалась верхним практическим пределом, но за последнее десятилетие было создано несколько типов промышленных терморезисторов, верхний температурный предел которых приблизился к 1000°С., это было достигнуто за счет применения других высокотемпературных материалов.

Третье направление сводится к созданию переключающих терморезисторов с отрицательным ТКС. Они имеют очень большое изменение сопротивления в узком интервале температур и известны под названиями терморезисторы с критической температурой и терморезисторы на основе металлооксидных соединений. В подобных терморезисторах используется резкое изменение проводимости от полупроводниковой к металлической, например VO₂ с температурой перехода 68°С. Такие терморезисторы еще не нашли достаточно широкого применения из за трудности изменения температуры перехода в сторону практически приемлемых значений.

 

Химические свойства и кристаллическая структура

Все материалы для терморезисторов с отрицательным ТКС изготовляют нагреванием смеси оксидов металлов до температуры примерно 1100-1200°С, так что в результате оксиды образуют химические соединения или смеси соединений, обладающие полупроводниковыми свойствами. За исключением оксидных систем литий-никель и литий-кобальт, все эти соединения или смеси соединений имеют одинаковую кристаллическую структуру, которая носит название шпинель вследствие сходства со структурой этого минерала, т е MgAl₂0_4.

Структуру шпинели можно представить общей химической формулой А²⁺В2^З+О₄, где А -один или несколько двухвалентных металлов, которые образуют оксиды типа АО (NiO, СоО, CuО, FeO и т.д.); В - один или несколько трехвалентных металлов, образующих оксиды типа В₂О₃ (Mn₂O₃, Fe₂O₃ и т.д.) Следовательно, материалы, имеющие структуру шпинели, могут быть описаны другой химической формулой, соответствующей соединению двух молекул указанных оксидов, т е АО∙B₂O₃.

 

В структуре шпинели, кристаллическая решетка которой показала на рис. 1, каждая элементарная ячейка содержит 32 иона кислорода, образующих плотно упакованную кубическую структуру с 64 тетраэдрами и 32 октаэдрами в междоузлиях, из них узлы 8-ми тетраэдров и 16-ти октаэдров заполнены ионами металла. Такое расположение металлов называется А- и В-положениями соответственно. Согласно общей формуле структуры шпинели А(В₂)О₄ каждая элементарная ячейка содержит восемь молекулярных единиц. При этом А-положение представляет собой катион, окруженный четырьмя анионами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра, а В-положение - катион, окруженный шестью анионами кислорода, расположенными в вершинах октаэдра.

Из сказанного следует, что более простые структуры шпинели содержат один двух- и два трехвалентных катиона в каждой молекулярной единице. При этом двухвалентные катионы занимают тетраэдрические, или А-положения, а трехвалентные - октаэдрические, или В-положения. Такие структуры шпинели называются нормальными. Примерами нормальных структур шпинели являются MgAl₂O₄ и ZnFe₂O₄, которые обычно записываются «в виде Mg(Al₂)O₄ и Zn(Fe₂)O₄, чтобы показать положения катионов в решетке.

В других структурах шпинели двухвалентные катионы занимают В-положения, например в NiFe₂O₄, такое соединение можно записать как Fe(NiFe)O₄. Такая структура шпинели с полностью измененным расположением катионов называется обращенной.

Существуют также структуры шпинели, промежуточные между нормальной и обращенной, например MnFe₂O₄ и MgFe₂O₄..

Именно изучение распределения катионов в структурах шпинели (особенно в ферритах и манганитах) позволило уточнить механизм электропроводности материалов терморезисторов и обнаружить решающее влияние определенных элементов на электрические свойства этих материалов.