Полупроводниковые резисторы

Это – элементы электрической цепи с двумя выводами, которым всегда требуется электропитание.

Представляют собой резисторы, зависимые от напряжения. Сопротивление варисторов внезапно падает при увеличении напряжения, т.е. сильно возрастает ток в них. Их характеристика подобна характеристике диода Зенера (стабилитрона), однако не зависит от направления тока (поляризации).

При низком напряжении варисторы (VDR) имеют высокое сопротивление, а при высоких напряжениях – низкое.

Применение. Варисторы применяются для предотвращения высоких перенапряжений, которым могут подвергаться, например, электронные элементы. Такие перенапряжения возникают при быстром изменении тока в катушках. При этом могут возникать высокие напряжения самоиндукции.

Для защиты электронного элемента варистор должен быть включен параллельно источнику напряжения, генерирующему высокий пик напряжения (катушка) (рис. 1). При возникновении пика напряжения варистор накоротко замыкает катушку.

Кроме того, варисторы применяются для стабилизации напряжения. В электрической схеме они выполняют функцию диода Зенера (стабилитрона).

Рис. 1: Блок схемной защиты с варистором

Термисторы также называются резисторами с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-резисторами) или терморезисторами с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-терморезисторами).

При низких температурах NTC-резисторы имеют высокое сопротивление, а при высоких температурах – низкое.

Они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры их сопротивление уменьшается (рис. 2). Зависимость сопротивления от температуры нелинейная.

Рис. 2. Характеристика сопротивления/ температуры NTC-резистора

Применение. Применяются в качестве датчиков в установках, в которых должно определяться значение температуры.

При этом данные температуры преобразуются в значение напряжения, которое далее применяется для индикации температуры или управления и регулирования.

Рис. 1. Примеры применения NTC-резисторов

Определение температуры (рис. 1a). При повышении температуры значение сопротивления NTC-резистора (R₁) уменьшается. В делителе напряжения увеличивается падение напряжения на резисторе R_V. Шкалу напряжения U_V на индикаторе можно калибровать в градусах Цельсия.

Задержка при срабатывании реле (рис. 1b). При включении значение сопротивления NTC-резистора (R₁) большое, при этом сопротивление параллельно соединенного резистора R_n тоже настолько большое, что в реле K₁ не достигается ток трогания. Вследствие прохождения тока происходит нагревание NTC-резистора, и при этом уменьшается его сопротивление. Ток возрастает до тех пор, пока не достигнет величины тока трогания, и пока не переключится реле K₁. Посредством контактов реле может переключаться, например, двигатель внутреннего сгорания с наддувом.

Позисторы также называются резисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC-резисторами) или терморезисторами с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC-терморезисторами).

При низких температурах PTC-резисторы имеют маленькое сопротивление, а при высоких температурах – большое.

Рис. 2. Характеристика сопротивления/ температуры PTC-резистора

Они имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. При повышении температуры их сопротивление растет (рис. 2). Зависимость сопротивления от температуры нелинейная.

Применение. PTC-резисторы применяются в тех же областях, что и NTC-резисторы. Однако при построении электрической схемы следует иметь ввиду, что PTC-резисторы имеют обратную характеристику сопротивления/температуры.

Рис. 3. Примеры применения PTC-резисторов

Температурозависимое управление (рис. 3a). В электрической цепи посредством переменного резистора задается ток удержания реле при определенной температуре, например, в системе защиты от обледенения кондиционера воздуха. При превышении заданной температуры, сильно возрастает сопротивление PTC-резистора R₂, реле обесточивается. Посредством контактов реле запускается желаемый коммутационный процесс.

Защита от перегрузки (рис. 3b). В электрическую цепь нагрузки монтируется PTC-резистор. При превышении допустимой величины тока происходит нагрев PTC-резистора. При этом возрастает величина его сопротивления, тем самым PTC-резистор ограничивает ток до допустимой величины, например, в системе обогрева наружных зеркал заднего вида.

Оптоэлектроника

Фоторезисторы представляют собой светозависимые резисторы. Величина их сопротивления уменьшается при увеличении освещенности.

Фоторезисторы применяются в качестве индикаторов пламени в отопительных установках и системах сигнализации, в автоматических включателях/ выключателях уличного освещения и фоторелейных барьерах (например, в установках для мойки автомобилей, в датчиках зажигания).

Рис. 1. Светозависимая система управления

Светозависимая система управления (рис. 1). При возрастании величины сопротивления LDR-резистора в темноте база B транзистора становится положительной вследствие деления напряжения между резисторами R₁ и R_V. Транзистор переключается, загорается лампа накаливания.

Фотодиоды. Представляют собой полупроводниковые элементы, которые ...

· ... с источником напряжения работают как светозависимый резистор (рис. 2).

· ... без источника напряжения работают как фотоэлемент (рис. 3).

Возможно изготовление фотодиодов очень маленького размера и их применение в качестве фотоэлектрических преобразователей в в цепях управления и контурах регулирования.

Когда на фотодиод попадает свет, его сопротивление уменьшается при увеличении освещенности. При этом становится возможным прохождение тока через фотодиод, и срабатывает реле. Запускается желаемый коммутационный процесс. Фотодиоды эксплуатируются в запирающем (обратном) направлении (рис. 2).

Рис. 2: Принципиальная схема фотодиода

При попадании на них света фотоэлементы выделяют напряжение, которое зависит от полупроводникового материала и освещенности. Они применяются, например, в часах, микрокалькуляторах и люксметрах в качестве источника напряжения.

мкА

Рис. 3. Характеристики фотоэлемента

Характеристическими параметрами фотоэлемента являются напряжение без нагрузки U₀ и ток короткого замыкания I_k (рис. 3). В кремниевых фотоэлементах напряжение без нагрузки при 1 000 люкс (лк) составляет около 0,4 В, в селеновых фотоэлементах – около 0,3 В. Освещенность указана в люксах (лк).

При освещении фотоэлементы выделяют напряжение, которое зависит от полупроводникового материала и освещенности.

Применение. Соединенные вместе на большой площади кремниевые фотоэлементы могут быть задействованы в использовании солнечной энергии (солнечные элементы). Их КПД составляет около 20 %, т.е. они преобразуют в электрическую энергию 20 % световой энергии. Они работают в качестве генераторов напряжения в фотогальванических энергетических установках, в частности для электроснабжения парковочных автоматов, горных жилищ, передающих станций и спутников.

При подаче напряжения эти диоды в зависимости от материала, из которого они изготовлены, излучают свет соответствующего цвета: зеленого, желтого, оранжевого, красного или голубого. Их рабочее напряжение составляет от 1,5 В до 3 В. При их работе с другими напряжениями в схеме должен быть предусмотрен защитный резистор для ограничения тока (рис. 4).

Благодаря своему низкому энергопотреблению, которое составляет всего несколько mW (мВт), они применяются в автомобиле в качестве световых индикаторов и сигнализаторов.

Светодиоды эксплуатируются в пропускном (прямом) направлении.

Рис. 4. Светодиод с добавочным резистором

Обычно транзистор включается и выключается через базу с помощью положительного или отрицательного напряжения.

В фототранзисторе свет или инфракрасное излучение через световое отверстие попадает на обеднённый слой коллекторного перехода и генерирует в нем фототок I_p, который растет пропорционально освещенности E_V (рис. 1). Фототок действует как ток базы.

Коллекторный ток фототранзистора увеличивается с ростом освещенности.

Рис. 1. Фототранзистор с усилительным транзистором

Применение. В автомобильной технике фототранзисторы применяются в светозависимых системах управления, например, в системе управления затемнением внутренних зеркал заднего вида, в оптронах.

Оптроны (оптоэлектронные устройства сопряжения). Состоят из излучателя и приемника излучения, которые встроены в общий светонепроницаемый корпус, в связи с чем приемник принимает излучение только от излучателя (рис. 2). В качестве излучателей применяются преимущественно светодиоды инфракрасного диапазона.

Приемниками излучения (детекторами) в зависимости от конкретной области применения служат фотодиоды, фототранзисторы или фототиристоры.

Оптроны чаще всего сопрягают две электрические цепи посредством инфракрасного излучения, а разделяют их гальванически.

Уровень выходного напряжения составляет 5 В, т.е. все сигналы, поступающие в оптрон, преобразуются и выводятся на выход в виде напряжения величиной от 0 В до 5 В. Это напряжение подается на соответствующие блоки управления в качестве входного сигнала для последующей обработки.

Рис. 2. Оптрон с фотодиодом и фототранзистором

Полупроводниковые элементы, зависимые от магнитного поля

Эффект Холла возникает в полупроводниковом слое, обтекаемом питающим током I_v (рис. 3). Магнитное поле, направленнное перпендикулярно к полупроводниковому слою, создает напряжение Холла U_H между контактными площадками A. Его величина зависит от напряженности магнитного поля.

Рис. 3. Эффект Холла

Полупроводниковые элементы, зависимые от давления

В пьезоэлектрических датчиках при воздействии на них тяговых, сжимающих или толкающих усилий происходит перенос электрических зарядов, и тем самым на их электродах генерируется электрическое напряжение. Этот пьезоэффект проявляется, например, кристаллами кварца (Si0₂) (рис. 4). В автомобиле пьезоэлементы применяются, например, в качестве датчиков давления и датчиков детонации.

Рис. 4. Пьезоэлектрический датчик

Интегральные схемы

С помощью планарной технологии возможно изготовление всех компонентов электрической схемы (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов, тиристоров), включая токопроводящие соединения, в рамках одного общего технологического процесса на одной единственной (монолитной)¹⁾ кремниевой подложке (чипе)²⁾.

При этом отдельные интегральные схемы, так называемые ICs³⁾, объединяются в монолитные интегральные схемы (рис. 1).

Рис. 1: Пример интегральной схемы монолитной технологии

(с выбором стадий производства)

Поскольку в интегральной схеме IC больше нет никаких «самостоятельных» элементов (элементы имеют внешние выводы), говорят о логических, или функциональных, элементах.

Планарная технология. Под планарной технологией понимается метод изготовления полупроводниковых элементов и чипов. При этом в ходе следующих друг за другом технологических операций наносятся изолированные друг от друга слои, содержащиеся в полупроводниковых элементах наряду с токопроводящими соединениями и выводами. Нанесение может осуществляться посредством трафаретной печати при толстослойной технологии или посредством напыления при тонкослойной технологии. Так, один чип может содержать в себе свыше 100 000 активных функциональных элементов (например, транзисторы, диоды) и пассивных функциональных элементов (например, резисторы, конденсаторы).

¹⁾монолитный (греч.) = из одного камня

²⁾ чип (англ.) = фишка, камень

³⁾ Integrated Circuits (англ.} = интегральные схемы

Гибридные схемы. Представляют собой комбинацию интегральных схем и отдельных самостоятельных элементов (рис. 2). Они соединяются друг с другом на несущей плате посредством разъемов, пайки или другими способами. Благодаря этому возможно целенаправленное изготовление схем с особыми свойствами, например, схем блока управления зажиганием.