Тема: Провідникові матеріали. Матеріали високого питомого опору.

Ключові слова і фрази: Матеріали високого питомого опору. Основні властивості. Матеріали високого питомого опору. Манганін. Константан. Ніхром. Сплав МЛТ. Кермет. Вуглець. Металосиліциди. Напівпровідникові резистивні матеріали. Тонкоплівкові резистивні матеріали для ГІС.

Лекція № 8.

Матеріали високого питомого опору – це матеріали, проходження струму в яких призводить до енергетичних втрат. Вони використовуються для перерозподілу струмів та напруг в електричних колах.

Матеріали високого опру в РЕА в першу чергу використовуються для виготовлення резисторів. Тому вимоги до матеріалів дуже різноманітні, а діапазон параметрів резисторів надзвичайно широкий і для створення резисторів використовуються десятки різних матеріалів, кожен з яких має свої специфічні переваги та недоліки.

Для виготовлення резисторів необхідно мати матеріали, що дозволяють створювати опори від 1 до 10⁹ Ом. Крім того ці опори повинні бути стабільні, тобто мати мінімальні оборотний (температурний) та необоротний (старіння) дрейфи питомого опору.

До матеріалів високого опору відносять: манганін, константан, ніхром, фехраль, сплаи МЛТ, кермет, метало силіциди та вуглець.

Манганін (ρ_v = (4,2...4,8)·10^-5 Ом·м, ТКР = (5...30)·10^-6 1/^оС, Т_пл = 960 ^оС) – сплав міді (85...89%), нікелю (2...3%), марганцю (11...13%). Характеризується низьким ТКР та малою термоЕРС при контакті з міддю.

З манганіну виготовляють провід діаметром ø 0,02...6 мм та стрічки товщиною 0,01...1 мм та шириною до 270 мм. Виготовляють також обмоточні проводи з емалевою (ПЭВММ – м’який манганін, ПЭВМТ – твердий манганін) та шовковою ізоляцією (ПШДММ та ПШДМТ), які використовують для створення резисторів високого класу точності.

Константан (ρ_v = (4,8...5,6)·10^-5 Ом·м, ТКР = (0...6)·10^-5 1/^оС) – сплав міді (50...59%), нікелю (39...40%) та марганцю (1...2%). В багатьох складах константану ТКР майже не змінюється з температурою. Недоліком є значна термо-ЕРС (40...50 мкВ/^оС) в парі з міддю, що обмежує його використання в резисторах але дозволяє створювати термопари. Для термопар використовують ізольовану константанову проволоку в спаї з міддю. Використовується також для нагрівальних приладів, що працюють при температурі до 450 ^оС. (Т_пл = 1260 ^оС).

Ніхром (ρ_v = (1,0...1,4)·10^-6 Ом·м, ТКР = (1...2)·10^-4 1/^оС) – сплав нікелю (55..78%), хрому(15...23%), марганцю (1,5%). Сплав – жаростійкий, що пояснюється значною стійкістю до окислювання при високих температурах (гранично допустима робоча температура 1000...1200 ^оС. Використовується для нагрівальних елементів, для виготовлення мікропроводів ø 0,01...0,4 мм та в мікроелектроніці для виготовлення плівкових резисторів.

Сплав МЛТ (ρ_v = (1,0...3,0)·10^-4 Ом·м, ТКР = 7·10^-4 1/^оС) – сплав кремнію (43,6 %), хрому (17,6%), заліза (14,1 %), вольфраму (24,7 %) крім цього в його склад входять алюміній та хром – менше 1%.Характеризується високою хімічною стійкістю та стабільністю параметрів. Сплав випускають в вигляді порошку сірого кольору та використовують для виготовлення метало плівкових резисторів різного призначення.

Кермет (R_S = 3,5·10⁶ Ом/, ТКР = 7·10^-4 1/^оС) – метало діелектрична композиція з благородних та тугоплавких матеріалів (Ag, Au, W) та діелектриків (SiO, Ta₂O₃, WO₂, SiO₂ та інші) з неорганічною зв’язувальною речовиною (скло, кераміка). Використовується для виготовлення резисторів НВЧ навантажень а також для виготовлення товсто плівкових резисторів в мікроелектроніці.

Металосиліциди (ρ_v = (5...35,0)·10^-6 Ом·м, ТКР = (5...25)·10^-4 1/^оС) – сплави металів (Cr, Ns, Si) з кремнієм. Використовуються для виготовлення тонкоплівкових резисторів з R_S = 0,05...3,0·10³ Ом/.

Вуглець (ρ_v = (1...1,2)·10^-5 Ом·м, ТКР = 1·10^-4 1/^оС) – хімічний елемент, який використовується при виробництві резисторів. В якості сировини для виробництва електровугільних виробів використовують сажу та графіт. Сажа отримується піролітичним ( термічне розкладення газоподібних вуглеводів ( метан, бензин...) без доступу кисню) способом. Для отримання деталей роздрібнена маса зі зв’язкою (різні смоли або скло) спікається в відповідних формах. Для поліпшення характеристик (ТКР) використовують боровуглицеві плівки (C₃H₇)₃B або (C₄H₉)₃B, які використовуються як плівкові резистори та входять в склад резисторів МЛТ.

Напівпровідникові резистивні матеріали.

Напівпровідники – велика група матеріалів з електронною провідністю, значення якої лежить між провідністю провідників і діелектриків. Завдяки високому питомому опору напівпровідники можуть використовуватися як резистивні матеріали. Однак для них характерна висока температурна нестабільність, тому вони використовуються в основному як датчики температур в системах теплового контролю та регулювання. Таким матеріалом є оксид олова SnO₂. В залежності від призначення його легують CoO - терморезистори, In₂O₃ – прозорі електропровідні плівки, Sb₂O₃ (оксид сурми) – резистори з підвищеним робочим температурним діапазоном до 800...900 ^оС.

Плівкові резистині матеріали для ГІС.

Плівкові резистині матеріали є двох груп: матеріали для товстоплівкових резисторів та матеріали для тонкоплівкових резисторів.

Для товстоплівкових резисторів використовуються пасти, в яких наповнювачем є срібно кадмієвий сплав та порошок з сплаву МЛТ, зв’язкою - скло або смоли. Регулювання питомого опору відбувається зміною відношення струмопровідної та діелектричної фаз в пасті та ступенем окислення паладію при нанесенні.

Для тонкоплівкових використовують хром, ніхром, сплав МЛТ, метало силіциди. Основні характеристики плівкових резисторів наведені в табл.

Таблиця

Основні характеристики плівкових резисторів.

Надпровідникові матеріали.

Надпровідникові матеріали – матеріали опір яких стрибком спадає до нуля в разі охолодження до критичної температури. Її значення залежить від напруженості магнітного поля, яке створюють зовнішнім джерелом, або від струму, що протікає у провіднику. В разі досягнення значення цього поля надпровідник може перейти провідниковий стан стрибком. До надпровідників відносяться – свинець, олово, індій, ніобій та телур. Використовуються в вигляді тонких плівок в кріоелектроніці.