3.1.4. Позисторы

Позисторы – это полупроводниковые терморезисторы с положительным ТКС. В массовом производстве позисторы делают из титанато-бариевой керамики, сопротивление которой снижено добавлением примесей. BaTiO₃ – диэлектрик с ρ = 10¹⁰ – 10¹² Ом·см при комнатной температуре. Примеси от 0,1 до 0,3 ат.% редкоземельных элементов (лантана, церия и др.) уменьшают удельное сопротивление до 10 – 100 Ом·см.

При температуре точки Кюри титанат бария переходит из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. Такой материал обладает аномальной температурной зависимостью сопротивления: в узком диапазоне температур с ростом температуры сопротивление увеличивается на несколько порядков.

Для смещения точки Кюри в сторону низких температур используются твердые растворы BaTiO ₃ – SrTiO₃ и BaTiO₃ – BaSnO₃ (увеличивают относительное содержание Sr и Sn в керамике). Диапазон рабочих температур позисторов на основе BaTiO₃ 65 – 150 ºС, ТКС достигает (0,1 – 0,5) К^-1.

Для создания позисторов используются и монокристаллические Si, Ge и другие полупроводники. Принцип действия этих позисторов основан на уменьшении подвижности носителей заряда с увеличением температуры вследствие усиления их рассеивания на фононах. При этом концентрация носителей заряда остается постоянной, так как используется участок истощения примесной проводимости. Кремниевые термометры сопротивления с малой концентрацией примеси (10¹⁵ – 10¹⁷ см^-3) имеют ТКС (0,7 – 1)·10^-2 К^-1, диапазон рабочих температур от –50 до 120 ºС. ТКС таких позисторов тем выше, чем меньше концентрация примеси.

3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов

Термодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от –80 до +150 ºС. Верхняя граница температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем p-n перехода и для некоторых кремниевых датчиков достигает 500 ºС. Нижняя граница температурного диапазона определяется уменьшением концентрации основных носителей и может достигать для датчиков из Ge – (240 – 260) ºС , из Si – (–200 ºС).

Связь между током I через p-n переход и падением напряжения U на нем определяется уравнением

I = I₀e^-B/T(e^qU/(kT) – 1), (3.7)

где I₀e^-B/T = I_нас – ток насыщения, зависящий от температуры Т; I₀ – ток насыщения при Т → ∞; q – заряд электрона; k – постоянная Больцмана.

Это уравнение определяет ток через p-n переход как при прямом, так и при обратном смещении. Учитывая, что при Т = 300 К kT/q = 26 мВ, при напряжениях на переходе > 26 мВ можно пользоваться приближенными формулами для прямого и обратного токов

I_пр = I₀ e^-B/T e^qU/(kT) , I_обр = I₀e^-B/T. (3.8)

Прямой и обратный токи являются функциями температуры, однако для измерения температуры чаще используются открытые p-n переходы. Падение напряжения на открытом переходе при токе I через переход определяется формулой

U = [kT ln(I/I₀) + kB]/q, (3.9)

из которой видно, что U линейно зависит от Т и уменьшается с увеличением температуры (I₀ >> I). Температурная чувствительность p-n перехода по напряжению составляет 1,5 – 2,5 мВ/К. Сравнивая эту величину с чувствительностью термопар, видно, что p-n переходы в 100 раз чувствительнее термопар. Используемые для измерения температуры элементы – диоды и транзисторы, включенные по схеме диода (коллектор замкнут на базу), питаются постоянным током I в прямом направлении, напряжение U на выводах, зависящее от температуры, является выходной электрической величиной датчиков, изображенных на рис. 3.1.

Микроэлектронная технология дает возможность изготовить оба транзистора датчика, изображенного на рис. 3.1,в , в виде интегральной схемы на одном кристалле.