Полупроводниковые терморезисторы: термисторы и позисторы

Содержание страницы

1. Физика процесса и материалы
2. Классификация: NTC и PTC
3. Сравнительная характеристика термочувствительных элементов
4. Преимущества и недостатки полупроводниковых терморезисторов
7. Семь интересных фактов о терморезисторах
6. FAQ: Часто задаваемые вопросы
Заключение

Что такое терморезистор? Если говорить простым языком, это электронный компонент, который «чувствует» температуру и реагирует на нее изменением своего электрического сопротивления. В отличие от обычных резисторов, где зависимость от нагрева является паразитным эффектом, в терморезисторах это главное рабочее свойство. Они являются основой современной термометрии, систем защиты от перегрева и схем термокомпенсации.

Историческая справка: История терморезисторов началась еще в 1833 году, когда великий физик Майкл Фарадей обнаружил необычное поведение сульфида серебра. Он заметил, что при нагревании сопротивление этого материала падает, в то время как у металлов оно растет. Однако из-за сложности получения стабильных материалов, промышленное производство началось лишь спустя столетие, в 1930-х годах, с развитием физики полупроводников.

1. Физика процесса и материалы

В основе работы лежит полупроводниковый эффект. В металлах при нагреве атомы кристаллической решетки начинают колебаться сильнее, мешая пролету электронов, что увеличивает сопротивление. В полупроводниках же нагрев работает как катализатор: тепловая энергия «выбивает» электроны на уровни проводимости, увеличивая концентрацию носителей заряда.

Представьте широкую автомагистраль (проводник).
В случае с металлом: Нагрев — это как внезапно начавшийся ремонт дороги и хаотичное движение пешеходов поперек трассы. Машинам (электронам) сложнее проехать, скорость падает, сопротивление потоку растет.
В случае с полупроводником (NTC): Изначально дорога пустая, но закрыта шлагбаумами. Нагрев — это команда открыть шлагбаумы. Чем выше температура, тем больше полос открывается для движения. Машин становится больше, и общий поток (ток) усиливается, значит, сопротивление падает.

Современные полупроводниковые терморезисторы изготавливаются не из чистого кремния, а на основе поликристаллической керамики. Это сложные смеси оксидных материалов. Для достижения требуемых характеристик используются оксиды переходных металлов:

Марганца (Mn);
Никеля (Ni);
Кобальта (Co);
Меди (Cu);
Углерода (C);
Магния (Mg).

Процесс производства напоминает керамическое дело. Порошки оксидов смешивают с пластичным связующим веществом. Затем методом прессования смеси придается необходимая форма (сферическая, цилиндрическая, бусинковая или дисковая). После этого заготовки спекаются при высоких температурах (более 1000°C), образуя прочную керамику.

Рис. 1. Полупроводниковые термисторы различных типов. Показаны исполнения в виде бусинок, цилиндров и дисков.

Форма — это не просто вопрос дизайна, это вопрос назначения.

Бусинковые терморезисторы: Имеют крошечный диаметр (до 0,5 мм). Часто покрываются защитной стеклянной глазурью. Их главное преимущество — малая тепловая инерция. Они реагируют на изменение температуры практически мгновенно, что делает их идеальными для измерения быстроменяющихся температур газов или жидкостей.
Дисковые и шайбовые: Имеют большую массу, способны рассеивать большую мощность, но реагируют медленнее. Используются в цепях защиты и компенсации.
Цилиндрические (стержневые): Обеспечивают высокое сопротивление и удобство монтажа в трубчатые зонды.

Для защиты от агрессивной внешней среды (кислоты, влага, механические удары) чувствительный элемент часто помещают в герметичные капсулы — тонкостенные стеклянные или металлические трубки. Это позволяет сохранить тепловой контакт, но изолировать химически.

2. Классификация: NTC и PTC

Все терморезисторы делятся на две глобальные группы в зависимости от того, как они реагируют на нагрев.

2.1 Термисторы (NTC — Negative Temperature Coefficient)

Это наиболее распространенный класс. У них отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). При нагревании их сопротивление значительно снижается.

Математическая модель:
Температурная зависимость сопротивления большинства NTC-термисторов является экспоненциальной и описывается уравнением Аррениуса:

R = A \cdot \exp\left(\frac{B}{T}\right)

Где:

\( R \) — сопротивление при температуре \( T \) (в Омах);
\( T \) — абсолютная температура в Кельвинах (\( K \));
\( A \) — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств материала и геометрии образца (сопротивление при \( T \to \infty \));
\( B \) — постоянная чувствительности материала (характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника), измеряется в Кельвинах. Обычно лежит в диапазоне 2000–5000 К.

Статические характеристики термисторов нелинейны. Это создает определенные трудности при проектировании измерительных схем, требуя линеаризации (программной или аппаратной). Однако крутизна характеристики (чувствительность) у них в 10-20 раз выше, чем у металлических термометров сопротивления.

Рис. 2. Статическая характеристика термистора.
Для сравнения представлены характеристики медного терморезистора 1 (линейная зависимость, слабое изменение) и полупроводникового 2 (экспоненциальное падение сопротивления).

Как видно из Рис. 2, график полупроводникового термистора (кривая 2) резко уходит вниз, демонстрируя высокую чувствительность в области низких и средних температур. Медный резистор (прямая 1) меняется предсказуемо, но очень слабо.

2.2 Позисторы (PTC — Positive Temperature Coefficient)

Существует другая группа полупроводниковых терморезисторов, у которых ТКС в определенном диапазоне положителен. Они называются позисторами. Их поведение радикально отличается.

Материалом для позисторов служит титанат бария \( BaTiO_3 \), который является сегнетоэлектриком. Для получения проводимости его легируют примесями редкоземельных элементов:

Стронций (Sr);
Церий (Ce);
Ниобий (Nb);
Лантан (La).

Пока температура низкая, позистор проводит ток хорошо. Но при достижении определенной температуры (точки Кюри), кристаллическая структура перестраивается, и сопротивление скачкообразно возрастает на несколько порядков.

Рис. 3. Статическая характеристика позистора:
Rmin – минимальное сопротивление (сопротивление при Т = Тmin);
Тmin – температура, при которой ТКС из отрицательного становится положительным;
Rref – опорное сопротивление (принято, что Rref = 2Rmin). Считается, что с Rref начинается быстрый лавинообразный рост зависимости R = f(T);
Тref – характеристическая температура, при которой R = Rref; (для ряда позисторов вместо Тref и Rref указываются пороговая температура ТNAT и соответствующее ей значение сопротивления RNAT, лежащие немного выше Тref и Rref);
Тmax – максимально допустимая температура термистора;
Rmax – сопротивление при Тmax.

Важно: Рабочая область позистора как датчика перегрева находится на участке между \( T_{ref} \) и \( T_{max} \). Именно здесь малейшее изменение температуры вызывает гигантский скачок сопротивления, что позволяет использовать позистор как «термопредохранитель» без дополнительной электроники.

3. Сравнительная характеристика термочувствительных элементов

Чтобы студент или инженер мог правильно выбрать тип датчика, необходимо четко понимать различия. Мы составили таблицу сравнения основных технологий.

Характеристика	Термистор (NTC)	Позистор (PTC)	Металлический (RTD, Pt100)
Знак ТКС	Отрицательный (сопротивление падает)	Положительный (в рабочем диапазоне резко растет)	Положительный (растет)
Линейность	Низкая (экспонента)	Крайне нелинейная (скачкообразная)	Высокая (почти прямая линия)
Чувствительность	Очень высокая (\(\sim 4\%/^{\circ}C\))	Экстремально высокая в точке переключения	Низкая (\(\sim 0.4\%/^{\circ}C\))
Диапазон температур	От -50°C до +300°C (обычно)	Точка срабатывания (обычно 60…180°C)	От -200°C до +850°C
Основное применение	Измерение температуры, компенсация, контроль пусковых токов	Защита от перегрузки по току, самовосстанавливающиеся предохранители, нагреватели	Прецизионные лабораторные измерения, промышленность
Стоимость	Низкая	Средняя	Высокая

4. Преимущества и недостатки полупроводниковых терморезисторов

Преимущества

Высокий номинал сопротивления: В отличие от металлов (где счет идет на десятки Ом), термисторы могут иметь номиналы от 1 кОм до 1 МОм. Это позволяет игнорировать сопротивление проводов линии связи, что упрощает схему подключения (не нужна 4-х проводная схема).
Компактность: Бусинковые термисторы могут быть размером с маковое зерно, позволяя измерять температуру в одной точке («точечное измерение»).
Дешевизна: Технология массового производства керамики делает их самыми доступными датчиками на рынке.
Устойчивость к механическим воздействиям: Отсутствие тонких спиралей и подвижных частей делает их вибростойкими.

Недостатки

Нелинейность: Требует сложных формул для пересчета сопротивления в температуру (уравнение Стейнхарта — Харта) или использования таблиц (Look-up tables) в микроконтроллерах.
Разброс параметров: Дешевые экземпляры могут иметь допуск 5-10%, что требует индивидуальной калибровки для точных приборов.
Эффект саморазогрева: Протекающий измерительный ток нагревает термистор. Если ток слишком велик, датчик начнет показывать температуру самого себя, а не среды.
Старение: Со временем кристаллическая структура может деградировать, приводя к дрейфу показаний («уход» параметров).

7. Семь интересных фактов о терморезисторах

Космос: Термисторы используются в марсоходах для мониторинга температуры батарей и электроники. Без них миссия замерзла бы первой же марсианской ночью.
3D-печать: Маленькая стеклянная капелька на печатающей головке вашего 3D-принтера — это NTC термистор, контролирующий плавление пластика с точностью до градуса.
Саморегуляция: Позисторы (PTC) используются как нагревательные элементы в сушилках для обуви. Они нагреваются до определенной точки и сами перестают потреблять ток, не требуя термостата.
Пусковой ток: В блоках питания компьютеров стоят мощные NTC термисторы. При включении они холодные и имеют высокое сопротивление, гася искру в розетке. Нагреваясь от работы, они снижают сопротивление до нуля, не мешая работе ПК.
Алмазы: Существуют алмазные термисторы, способные работать при температурах выше 600°C, где обычная керамика разрушается.
Медицина: Электронные градусники, которыми мы измеряем температуру тела за секунды, работают именно на базе миниатюрных термисторов с малой инерцией.
Автопром: В современном автомобиле может быть до 50 терморезисторов: от контроля климат-контроля до температуры масла в коробке передач.

6. FAQ: Часто задаваемые вопросы

1. Как проверить исправность термистора мультиметром?

Переключите мультиметр в режим измерения сопротивления. Подключите щупы к выводам. Запомните показания при комнатной температуре. Затем нагрейте корпус (например, пальцами или феном). Если это NTC, сопротивление должно плавно падать. Если показания не меняются или равны бесконечности (обрыв) — деталь неисправна.

2. Почему мой термистор показывает неправильную температуру?

Наиболее частые причины:

Саморазогрев: Слишком большой ток измерения.
Плохой тепловой контакт: Между датчиком и объектом есть воздушная прослойка (нужна термопаста).
Неверная модель: В программе микроконтроллера заложен коэффициент B (Beta) = 3950, а установлен датчик с B = 3435.

3. Можно ли заменить термистор обычным резистором?

Только для проверки схемы. Если вы впаяете обычный резистор вместо термистора, устройство будет «думать», что температура всегда одна и та же. В блоках питания это может привести к взрыву, так как защита от перегрева не сработает.

4. Что такое «холодное сопротивление»?

Это номинальное сопротивление термистора при стандартной температуре, обычно 25°C. Обозначается как \( R_{25} \). Например, термистор 10 кОм имеет это сопротивление именно при +25°C.

5. Чем позистор отличается от самовосстанавливающегося предохранителя?

По сути, это одно и то же. Самовосстанавливающийся предохранитель (PolySwitch) — это вид позистора (PTC), сделанный из полимера, а не керамики. При превышении тока он нагревается, сопротивление резко растет, и цепь размыкается. После остывания он снова проводит ток.

Заключение

Полупроводниковые терморезисторы — это фундаментальный элемент современной электроники. Пройдя путь от лабораторных экспериментов Фарадея до массового внедрения в каждое электронное устройство, они доказали свою незаменимость. Понимание разницы между NTC и PTC типами, особенностей их характеристик (отображенных на Рис. 2 и Рис. 3) и физических принципов работы позволяет инженерам создавать надежные системы термоконтроля, а студентам — глубже понимать процессы в твердотельной электронике.

Нормативная база

При проектировании и использовании терморезисторов в РФ и странах СНГ необходимо руководствоваться действующими стандартами. Это гарантирует надежность и взаимозаменяемость компонентов.

ГОСТ 21414-75 «Резисторы. Термины и определения». Базовый документ, определяющий терминологию.
ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов». Определяет условия эксплуатации, важные для выбора защитного покрытия термистора.

Список литературы

Пасынков В.В., Чиркин Л.К. «Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов». — СПб.: Лань, 2002.
Шашков А.Г. «Терморезисторы и их применение». — М.: Энергия, 1997.
Справочник по электрическим конденсаторам и резисторам / Под ред. И.И. Четверткова. — М.: Радио и связь.