Электрические свойства резистивных материалов

Наилучшими проводниками тока являются металлы. Механизм протекания тока по металлам в твердом состоянии обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью. Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы с высокой проводимостью и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой проводимостью используются для проводов, кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, для изготовления волноводов и т.д. Металлы высокого сопротивления применяются в реостатах, резисторах, лампах накаливания, нагревательных элементах.

Основными электрическими характеристиками проводниковых материалов являются:

• удельное сопротивление ρ, Ом·м или мкОм·м.;
• температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ, 1/град;
• термоэлектродвижущая сила относительно меди мкВ/°С.

Удельное электрическое сопротивление связано с сопротивлением R проволоки любой длины l и площади поперечного сечения S известной формулой: ρ= R(S/l).

Удельное сопротивление металлического проводника может быть выражено на основании представлений электронной теории металлов

,

где m – масса электрона; – средняя скорость теплового движения электрона внутри металлического проводника; q – зарядэлектрона; – число электронов в единице объема металлического проводника; – средняя длина свободного пути электрона.

Скорость теплового движения электронов мало зависит от температуры, т.е. электронный газ в металлических проводниках находится в состоянии «вырождения». Для различных проводников она примерно одинаковая. Незначительно отличается так же и число свободных электронов в единице объема проводников, так, например, для меди и никеля это различие составляет 10%. Поэтому удельное электрическое сопротивление различных проводников в основном не зависит от средней длины свободного пробега электрона в проводнике, связанной со строением проводника, с его структурой. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления, а сплавы всегда имеют повышенное значение ρ в сравнении с компонентами, входящими в их состав. Повышенное сопротивление сплавов объясняется тем, что число свободных электронов и длина свободного пробега электрона у них понижены по сравнению с чистыми металлами. С повышением температуры, колебания узлов кристаллической решетки металлического проводника становятся все более активными, и на пути направленного движения электронов под воздействием электрического поля возникает все больше и большие препятствий, т.е. средняя длина свободного пробега электронов уменьшается, а сопротивление, следовательно, возрастает. Величина, характеризующая возрастание удельного сопротивления, получила название температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКρ).

Так как зависимость ρ от температуры близка к линейной, то в технике принимают:

,

где – значение при . Для чистых металлов ТКρ всегда больше, чем для сплавов из этих металлов, они имеют положительный знак и близки к 1/273, т.е. к 0,004 . Температурные коэффициенты сплавов могут быть очень малы, а в некоторых случаях приобретать и отрицательные значения.

Проводящий слой резисторов может быть из полупроводникового материала (в основном в том случае, когда резистивный элемент используется как датчик тепла давления или света). Подвижность носителей заряда в полупроводниках, так же как и в проводниках, уменьшается с ростом температуры по причине, изложенной выше. Однако изменение подвижности . В то же время число носителей заряда с увеличением температуры не сохраняется (как в случае металлов), а увеличивается

,

где ΔW – ширина запрещенной зоны полупроводника.

Таким образом, с ростом температуры протекает два противоположных процесса: уменьшение подвижности и увеличение числа носителей. Вообще можно утверждать, что для предсказания поведения материала в тех или иных условиях необходимо произвести анализ процессов, протекающих под действием того или иного фактора окружающей среды и оценить степень влияния процессов на параметры материала.

Как правило, благодаря экспоненциальному характеру изменения числа носителей второй процесс преобладает над первым. В результате электропроводность полупроводников возрастает с ростом температуры, следовательно, сопротивление уменьшается. Таким образом, ТКρ полупроводниковых резисторов имеет отрицательный знак.

Влияние конструктивных особенностей резисторов на ТКρ

Рассмотренные моменты справедливы для материалов, обладающих идеальной кристаллической решеткой, - для монокристаллов. В реальных же условиях приходится иметь дело с поликристаллическими материалами. Рассмотрим, как это обстоятельство может влиять на температурные параметры резисторов. Остановимся на металлопленочных резисторах. В конструктивном отношении этот тип резисторов выполнен в виде тонкопленочного поликристаллического металлического слоя на керамическом основании. Токопрохождение обусловлено движением электронов внутри каждого кристалла и между смежными кристаллитами.

В первом случае движение носителя происходит в пределах совершенной кристаллической решетки, поэтому сделанные ранее выводы справедливы. Второй случай имеет свои особенности. Очевидно, что возможность продвижения носителя заряда между смежными кристаллитами существенно зависит от расстояния между ними, от состояния границ зерен (наличие примесных атомов на поверхности кристаллита, аморфной фазы и т.д.) и от геометрических факторов соприкосновения кристаллитов, т.е. от контактного сопротивления между отдельными кристаллитами. В любом случае, можно утверждать, что движение электронов преимущественно происходит в точках соприкосновения отдельных кристаллитов. Так как другие пути имеют гораздо более высокое сопротивление. С ростом температуры происходит линейное расширение, как самого покрытия, так и керамического основания. Однако коэффициент линейного расширения керамического основания во много раз меньше коэффициента линейного расширения металлов, поэтому имеет место своеобразное сжатие металлического покрытия. В результате происходит сжатие зерен и, следовательно, увеличение площади соприкосновения кристаллитов, а значит, уменьшение контактного сопротивления.

Таким образом, знак и величина ТКС будут определяться по результатам суммарного взаимодействия двух рассмотренных конкурирующих процессов, поэтому не исключено, что ТКС металлопленочного резистора окажется отрицательным.