Puslaidininkiniai prietaisai, veikiantys laidumo kitimo principu

Termorezistorius, termistorius (termo (gr.) – šiluma, + resistor (angl.) – varža) – termoelektrinis puslaidininkinis prietaisas, kurio elektrinė varža priklauso nuo temperatūros. Vieni termistoriai turi neigiamą temperatūrinį varžos koeficientą (TVK) – kylant temperatūrai, jų elektrinė varža mažėja. Tokie termistoriai gaminami iš mangano, kobalto, nikelio oksidų mišinio, priemaišomis legiruoto germanio ar silicio, sintetinio deimanto, organinių puslaidininkių. Jų darbo temperatūros intervalas nuo 170 – 210 K (-100 – -60 ºC) iki 370 – 570 K (100 – 300 ºC), TVK nuo – 2,4 iki –8,4 % /K. Kiti termistoriai turi teigiamą TVK – kylant temperatūrai, jų varža didėja. Jie gaminami iš kietųjų tirpalų, kurių pagrindinis komponentas – bario titanatas, legiruotas lantanu, ceriu, bismutu. Termistoriai, kurių TVK teigiamas, dar vadinami pozistoriais. Jų TVK temperatūroje, artimoje segnetoelektrinio^[1] virsmo temperatūrai, kinta staigiai ir labai, siekia iki 50 % /K.

1 pav. Grafinis termistoriaus žymėjimas

Termorezistoriaus, kurio TVK neigiamas, temperatūrinė charakteristika R = f(T) parodyta 2 pav., o jo voltamperinė charakteristika – 3 pav. Voltamperinėje charakteristikoje ryškiai išsiskiria 3 sritys: OA, AB ir BC. Sritis OA yra tiesinė, nes nedidelė srovė nepakeičia termorezistoriaus temperatūros. Nuo taško A charakteristikos tiesiškumas sutrinka. Puslaidininkyje, iš kurio pagamintas termistorius, padaugėja laidumo elektronų ir skylučių, termistoriaus varža mažėja. Charakteristika užlinksta taško B link. Toliau didinant srovę, varžos mažėjimas toks didelis, jog mažėja įtampos kritimas termorezistoriuje. Charakteristika nueina į tašką C. Charakteristikos užlinkimo laipsnis ir taško C padėtis priklauso nuo termorezistoriaus aušinimo. Kuo termorezistorius aušinamas geriau, tuo charakteristika užlinksta mažiau.

2 pav. Termorezistoriaus, kurio TVK. neigiamas, temperatūrinė charakteristika

3 pav. Savojo kaitinimo termorezistoriaus voltamperinė charakteristika

Termorezistoriai būna savojo ir pašalinio kaitinimo. Savojo kaitinimo termorezistoriai kaista per juos tekant elektros srovei ir juose išsiskiriant Džaulio–Lenco šilumai. Pašalinio kaitinimo termorezistorius, kaitinamas pašalinio šilumos šaltinio, keičia savo nominalinę vertę.

Pagrindiniai termorezistoriaus parametrai yra tokie:

• Šalto termistoriaus (nominali) varža – tai termistoriaus darbinio kūno medžiagos varža 20°C temperatūroje. Termorezistoriai gaminami nuo kelių omų iki dešimčių megaomų varžos.
• Temperatūrinis varžos koeficientas (TVK) α_T – dydis, parodantis procentinį termorezistoriaus darbinio kūno medžiagos varžos pokytį, temperatūrai pakitus 1 K (1°C). Jis nevienodas skirtingoms temperatūroms ir paprastai žinynuose pateikiamas 20°C temperatūrai.
• Didžiausia išsklaidoma galia – galia, kuriai esant termorezistorius, buvęs 20°C temperatūroje, srovės įkaitinamas iki didžiausios darbinės temperatūros.
• Didžiausia darbo temperatūra – temperatūra, kuriai esant termistoriaus charakteristikos išlieka stabilios ilgą (garantinį) laiką.
• Laiko konstanta τ – laikas, per kurį termistoriaus temperatūra, jį aušinant, sumažėja e kartų. Tad τ charakterizuoja termistoriaus šiluminę inerciją.
• Šiluminė talpa H – šilumos kiekis, kurio reikia norint termistoriaus darbinio kūno temperatūrą pakelti 1° C.
• Išsklaidymo koeficientas b – termorezistoriaus išsklaidoma galia, kai termorezistoriaus ir aplinkos temperatūrų skirtumas 1° C.

Termorezistoriai, kurių TVK neigiamas, naudojami:

• temperatūrai matuoti ir reguliuoti;
• elektrinių grandinių, dirbančių plačiose ribose kintančioje temperatūroje, režimui stabilizuoti ir termokompensacijai;
• įtampos stabilizacijai;
• priešgaisrinėje signalizacijoje;
• aukšto dažnio virpesių galiai matuoti;
• spindulinės energijos indikacijai.

Pozistoriai gali būti panaudojami srovei apriboti grandinėje.

Fotorezistorius

Fotorezistorius (photos (gr.) – šviesa, resistor (angl.) – varža) – puslaidininkinis prietaisas, keičiantis savo varžą, veikiant šviesai. Fotorezistorių apšvietus, veikiant šviesos energijai, puslaidininkyje daugėja laidumo elektronų ir skylučių, ir rezistoriaus varža sumažėja. Fotorezistoriai gaminami iš kadmio sulfido (CdS), kadmio selenido (CdSe), švino sulfido (PbS), švino telūrido (PbTe), švino selenido (PbSe) ir kt. Priklausomai nuo darbinės medžiagos cheminės sudėties fotorezistoriai skiriasi spektrinėmis savybėmis.

4 pav. Grafinis fotorezistoriaus žymėjimas

Fotorezistoriai į schemą jungiami nuosekliai su maitinimo šaltiniu ir apkrovos varža R_a (5 pav.).

5 pav. Fotorezistoriaus jungimas į schemą

Fotorezistoriui esant tamsoje, per jį tekės fotorezistoriaus tamsos srovė:

$I_T= \frac{E}{R_T+R_A}$ ;

čia E – maitinimo šaltinio evj, R_T – fotorezistoriaus tamsos varža. Fotorezistorių apšvietus, fotonai išlaisvina elektronų – skylučių poras, fotorezistoriaus varža sumažėja iki R_A ir grandine tekės šviesos srovė

$I_Š= \frac{E}{R_Š+R_A}$  .

Šviesinės ir tamsinės srovės skirtumas I_f = I_š – I_t  vadinamas pirmine laidumo fotosrove. Kol į fotorezistorių krintančios šviesos srautas nedidelis, ši srovė praktiškai neinercinė, tačiau, šviesos srautą padidinus, fotorezistoriuje ima reikštis inertiškumas (iki 0,1 s). Pagrindinės fotorezistoriaus charakteristikos yra:

Voltamperinė, parodanti fotosrovės priklausomybę nuo įtampos, esant pastoviam šviesos srautui. Ji fotorezistoriams praktiškai tiesinė.

Šviesinė (liuksamperinė), charakterizuojanti fotosrovės priklausomybę nuo pastovios spektrinės sudėties šviesos srauto didumo, esant pastoviai įtampai. Didžiausias fotorezistoriaus jautris kai apšviestumas nedidelis – tai leidžia naudoti fotorezistorius silpnų šviesos srautų matavimams.

Spektrinė, apibūdinanti fotorezistoriaus jautrį tam tikro bangos ilgio (tam tikros spalvos) šviesai. Spektrinė charakteristika priklauso nuo fotorezistoriaus darbinės medžiagos.

Dažninė, apibūdinanti fotorezistoriaus jautrį, veikiant jį tam tikru dažniu kintančiu šviesos srautu. Dažninė charakteristika apibūdina fotorezistoriaus inertiškumą. Didėjant šviesos srauto kitimo dažniui, fotosrovė mažėja. Ši savybė apriboja fotorezistorių panaudojimą dirbant su aukštadažniais šviesos srautais.

Pagrindiniai fotorezistorių parametrai tokie:

• Fotorezistoriaus tamsos varža – fotorezistoriaus varža 20°C temperatūroje po 30 s, kai išjungiamas 200 lx apšviestumas.
• Šviesos srovė – srovė tekanti per fotorezistorių, veikiant darbinei įtampai ir esant 200 lx apšviestumui.
• Varžos kitimo kartotinumas R/Rs – fotorezistoriaus tamsos varžos santykis su jo varža, esant 200 lx apšviestumui.
• Savitasis jautris – fotosrovės santykis su šviesos srauto ir įtampos sandauga

$K_0= \frac{I_f}{ \Phi U } = \frac{I_Š - I_T}{ \Phi U }$.

• Integralinis jautris – savitojo jautrio sandauga su ribine darbo įtampa.
• Integralinis jautris – savitojo jautrio sandauga su ribine darbo įtampa.
• Leistinoji išsklaidoma galia – didžiausia išsklaidoma galia, kurią fotorezistorius gali išlaikyti nesudegdamas.

Fotorezistoriai būdami didelio jautrio, paprastos konstrukcijos, mažų matmenų ir pakankamai didelės galios plačiai naudojami fotometrijoje, automatikoje, fototelegrafijoje, automatinio reguliavimo sistemose.

Varistoriai

Varistorius yra puslaidininkinis rezistorius, kurio varža (arba laidumas), veikiama teigiamos arba neigiamos įtampos, keičiasi netiesiškai ir vienodai. Varistorių sudaro metalizuotas strypelis iš puslaidininkio, dažniausiai silicio karbido miltelių, ir jungiamosios medžiagos (molio, skystojo stiklo, dervos, lako), supresuotos ir sulydytos ~ 1700°C temperatūroje. Varistoriaus varžos kitimas (ji mažėja didėjant teigiamai įtampai) priklauso nuo puslaidininkio grūdelių tarpusavio kontaktų skaičiaus, stipriame elektriniame lauke esančių paviršinių oksidinių plėvelių laidumo kitimo ir jų pramušimo, sustiprėjusios elektros srovės per elektroninę skylinę sandūrą. Šie reiškiniai sąlygoja pagrindinę varistoriaus ypatybę – jo voltamperinės charakteristikos netiesiškumą.

6 pav. Grafinis varistoriaus žymėjimas

Charakteristika nepriklauso nuo įtampos poliarumo, todėl varistoriai gali būti naudojami nuolatinės ir kintamosios srovės grandinėse. Varistoriaus voltamperinė charakteristika parodyta 7 pav.

7 pav. Varistoriaus voltamperinė charakteristika

Pagrindiniai varistorių parametrai yra:

• Statinė varža R_st – varistoriaus varžos vertė, esant pastoviems įtampos ir srovės dydžiams;
• Dinaminė varža R_d – varistoriaus varža kintamajai srovei;
• Netiesiškumo koeficientas β – statinės ir dinaminės varžos santykis;
• Netiesiškumo rodiklis α – atvirkščias dydis netiesiškumo koeficientui;
• Temperatūrinis varžos koeficientas χ charakterizuoja varistoriaus laidumo didėjimą kylant temperatūrai;
• Didžiausia leistina išsklaidoma galia – galia, kuriai esant varistorius išlaiko visus savo parametrus per garantinį laiką.