سرامیک های نیمه رسانا

ترمیستورهای PTC

باریوم تیتانات یک ماده ی فروالکتریک با ثابت دی الکتریک بالا و مقاومت عایق کاری بالا می باشد. بنابراین این ماده به طور فراوان در صنعت الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد. این استفاده از زمان کشف خازن های سرامیکی در سال 1943 انجام می شود. باریوم تیتانات با استفاده از افزودن مقدار اندکی از اکسیدهای فلزات خاکهای کم یاب مانند ، به نیمه رسانا تبدیل می شود. در سال 1955 عدم وابستگی دمایی غیر متعارف مقاومت در بالای دمای کوری نیمه رسانای تولید شده از سرامیک های باریوم تیتاناتی کشف گردید.
مقاومت این نیمه رسانا که ضریب دمای مثبت ( PTC) نیمه رسانا نامیده می شود، به طور شدیدی در بالای دمای کوری()، افزایش می یابد. این رویه تا دمای ادامه می یابد و در این دما مقاومت به میزان ماکزیمم خود می رسد. دمای توصیف شده به سه ناحیه تقسیم می شود( ناحیه ی I، II و III در شکل 1). این تقسیم بندی با توجه به رفتار مقاومتی انجام می شود.
این افزایش شدید در مقاومت در بالای دمای کوری یک کشف بسیار مهم در زمینه ی کاربردهای عملی ترمیستورها( thermistor) است. این کشف برای تحقیقات بنیادی در زمینه ی مکانیزم های رسانش نیز مهم می باشد.

مکانیزم های رسانایی

مکانیزم های رسانایی در نواحی I-III به صورت زیر است. در ناحیه ی دمایی I ( T های کمتر از )، مقاومت ترمیستورهای PTC در گستره ی است. برای تولید باریوم تیتانات نیمه رسانا، یک مقدار اندک از یون های فلزی خاکهای کم یاب ( مانند جایگزین مکان هایی می شوند که در آنها یون های قرار دارد. همچنین یون های در مکان هایی جایگزین می شوند که یون های قرار دارد. این یون ها الکترون های رسانش را با توجه به معادلات زیر ایجاد می کنند( از نشانه گذاری عیوب Kroger و Vink استفاده می شود).

در ناحیه ی II در بالای دمای کوری، مقاومت در عرض مرزدانه ها به طور اکسپوننسیالی با افزایش دما، افزایش می یابد.
افزایش دما به دلیل کاهش پلاریزاسیون خود به خودیباریوم تیتانات انجام می شود که این پلاریزاسیون به دلیل تبدیل فازی بوجود آمده در این ماده( تبدیل فاز تتراگونال( فاز فروالکتریک) به فاز کیوبیک( فاز پاراالکتریک)) انجام می شود.
تحت تأثیر حالت های پذیرنده ی عمیق در مرزدانه ها، سد شاتکلی دوتایی به صورت شکل 2 و با توجه به معادله ی پواسون ایجاد می شود. ارتفاع این سد به صورت زیر محاسبه می شود:

که در اینجا e بار الکتریکی اولیه، n(D) غلظت حالت های دهنده ی بالک، b عرض سد، n(s) غلظت حالت های پذیرنده، ثابت دی الکتریک و ثابت دی الکتریک خلأ می باشد.
این در نظر گرفته می شود که حالت های پذیرنده بوجود آمده در مرزدانه ها مربوط به جاهای خالی باریم، فلزات انتقالی و یا یون های می باشد.
میدان داخلی قوی که بوسیله ی P(s) بوجود می آید، بیان کننده ی ارتفاع سد پتانسیل ∅ در ناحیه ی I می باشد. کاهش تدریجی و ثابت دی الکتریک که بوسیله ی قانون Curie-Weiss بیان می شود، باعث می گردد تا ارتفاع سد پتانسیل بازیابی گردد که این مسئله باعث ایجاد یک افزایش در مقاومت در ناحیه ی II می شود.
با توجه به اندازه گیری های ویژگی های مقاومت-دمایی در عرض مرزدانه های منفرد، ویژگی های PTC از مرزدانه ای به مرزدانه ی دیگر متفاوت است( همانگونه که در شکل 3 و 4 دیده می شود). افزایش مقاومت شدید در بالای دمای کوری، به دمین های فروالکتریک و نواحی کریستالی در نزدیکی مرزدانه ها وابسته است.
در ناحیه ی دمایی III( دماهای بزرگتر از )، الکترون ها که بر سد دوگانه ی شاتکی غلبه می کنند، با افزایش دما بیشتر می شوند و مقاومت از مقاومت ماکزیمم کاهش می یابد.

فرایند تولید

افزودنی ها و اثرات آنها بر روی ویژگی های ترمیستور PTC در جدول 1 لیست شده اند. دمای انتقال می تواند از مقدار اولیه ی خود( یعنی 120 درجه ی سانتیگراد) کمتر یا بیشتر شود که این کار با جایگزینی در مکان های قرارگیری انجام می شود. شکل 5 نمودارهای مقاومت- دما در ترمیستور PTC را با های مختلف نشان می دهد.
و مواد دپ شده ی دهنده ( مانند ) به عنوان ماده ی اولیه مورد استفاده قرار می گیرند. فرایند های تولید ترمیستور PTC مانند فرایند های مورد استفاده در صنعت الکترونیک است.
برای کنترل مقاومت و ضریب دمایی در داخل گستره ی معین، توجه زیادی بر روی دمای پخت و سرعت فرایند سرد کردن، انجام شده است. ناخالصی های خاک های کم یاب و آلودگی ها در فرایند تولید باید کاهش یابد. زیرا این آلودگی ها مقاومت در دمای اتاق را افزایش می دهد. به طور نمونه وار، Fe و Al به طور قابل توجهی بر روی مقاومت ترمیستورها اثر می گذارد.
الکترودهای تولیدی از فلزات غیر گران بها مانند نیکل، روی و آلومینیوم باعث ایجاد تماس اهمی با ترمیستور PTC می شود که این سرامیک ها یک نیمه رسانای نوع n تبدیل کرده است. در آلیاژهای گالیومی نیز اتصال اهمی بوجود می آید و برای نمونه های تجربی مورد استفاده قرار می گیرد.

کاربردها

سه عملکرد و کاربرد اصلی در جدول 2 نشان داده شده است. ترمیستورهای PTC در محصولات الکترونیک زیادی مانند تلویزیون های رنگی، یخچال ها، هیترهای باد گرم و کامپیوترهای شخصی، مورد استفاده قرار می گیرد.

رویه ها و توسعه های اخیر

برای برطرف شدن نیازهای تکنولوژی نظارت سطحی( SMT)، ترمیستورهای PTC از نوع چیپ( chip-type PTC thermistors) توسعه یافته و در مدارهای هیبریدی مورد استفاده قرار گرفته اند. به عنوان یک رویه ی دیگر، مقاومت پایین تر در دمای اتاق برای محدود نمودن جریان در مدارهای ولتاژ پایین، مورد نیاز است. از این رو ترمیستورهای با مقاومت کمتر از 0.1 Ω ساخته شده اند.

ترمیستورهای NTC

ترمیستورهای با ضریب دمایی منفی( NTC) مواد نیمه رساناهایی هستند که مقاومت آنها با افزایش دما کاهش می یابد( شکل 6). مانند سایر ترمیستورها، وابستگی دمایی مقاومت بوسیله ی فرمول های زیر محاسبه می شود:

که در اینجا A یک ثابت است، E انرژی اکتیواسیون و K ثابت بولتزمن می باشد.

مکانیزم های رسانش

ترمیستورهای NTC دارای منگنزایت های فلزات انتقالی( مانند Fe، Cu، Co، Ni، و ... ) با ساختار اسپینلی هستند( منگنزایت یک مینرال خاکستری یا مشکی رنگ است که شامل اکسید منگنز به عنوان اکسید پایه می باشد). رسانایی این مواد به دلیل انتقال الکترون میان یون های است. مقاومت و ثابت ترمیستور به ترکیب شیمیایی، میزان خلوص، توزیع کاتیونی و ساختار کریستالی، وابسته اند.

کاربردها

ترمیستورهای NTC به عنوان تصحیح کننده ی دمایی، سنسور دما و وسایل جلوگیری کننده از افزایش شدید جریان، مورد استفاده قرار می گیرند. تمام این کاربردها بر اساس ویژگی های مقاومت- دمایی ترمیستورهای NTC پایه گذاری شده اند. اگرچه مقادیر ثابت ترمیستوری متغیر B و مقاومت برای بسیاری از کاربردها مورد نیاز است، این مقادیر در داخل محدوده هایی حاصل می شوند که در شکل 7 نشان داده شده است( زیرا ثابت ترمیستوری B به مقاومت وابسته است).
استفاده از تراشه های دارای ترمیستورهای NTC متداول شده است زیرا این نوع از ترمیستورها برای استفاده در SMT ها مناسبند. به طور نمونه وار، ترمیستورهای تراشه ای با الکترود خنثی دارای دقت و قابلیت اطمینان بالایی هستند.

فرایند تولید

به عنوان ماده ی اولیه مورد استفاده قرار می گیرد. ترمیستورهای NTC با استفاده از روش های عمومی تولید سرامیک های الکترونیک، ساخته می شوند.
فلزات گران بها مانند نقره و پالادیوم به عنوان الکترود های ترمیستورهای NTC مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع نیمه رساناها عمدتا از نوع نیمه رساناهای p هستند.

رویه ها و توسعه های اخیر

رویه ها در زمینه ی پیشترفت در سرامیک های NTC مدرن در سه جهت گسترش یافته است. اولین رویه بهبود پایداری این وسایل است. دومین رویه افزایش دقت مقاومت و ثابت B می باشد و سومین رویه کوچک سازی تراشه های ترمیستوری نوع NTC است. همانگونه که در شکل 8 دیده می شود، کوچک سازی تا ابعاد 1.0mm* 0.5mm انجام شده است.

وریستورهای سرامیکی

وریستورهای اکسید فلزی وسایل هستند که دارای نیمه رسانای سرامیکی هستند. این وسایل دارای ویژگی تغییر جریان- ولتاژ غیر خطی هستند. همانگونه که در شکل 9 دیده می شود، این رابطه به صورت زیر است:

که در این جا جزء غیر خطی است، C ثابت مربوط به مقاومت و به ترتیب ولتاژها در جریان های I1 و I2 است. C براحتی بوسیله ی بدست می آید( ولتاژ وریستور نامیده می شود). ولتاژ بر واحد طول( V/mm) در زمانی است که جریان 1mA/Cm2 از بدنه عبور کند. بنابراین وریستورهای سرامیکی بوسیله ی جزء غیر خطی α و ولتاژ وریستوری Vc توصیف می شوند.
دو نوع از وریستورهای سرامیکی تولید شده اند. وریستورهای سرامیکی بر پایه ی اکسید روی در سال 1970 ابداع شده اند. این وریستورها دارای ویژگی های ولتاژ-جریان غیر خطی بسیار قوی هستند. مقدار α در آنها در گستره ی 40-50 و مقدار Vc آنها در ولتاژهای میان 50 تا 250 ولت بر میلی متر قابل تنظیم است. وریستورهای بر پایه ی استرانسیوم تیتانات در سال 1980 توسعه یافتند. ویژگی این وریستورها ظرفیت الکترواستاتیک بالاتر آنها نسبت به نوع تولیدی از ZnO است. سرامیک های دی الکتریک هایی هستند که ثابت دی الکتریک آنها برابر با 320 است. این ثابت بسیار بزرگتر از ثابت دی الکتریک ZnO است.

غیر خطی بودن شدید وریستورهای ZnO

دانه های ZnO نیمه رساناهای نوع n هستند. تله های داخل دانه ای در این مرزدانه ها تشکیل می شوند که علت این تشکیل وجود و اکسیدهای فلز انتقالی در این مرزدانه هاست که منجر به تشکیل سد شاتکی دوگانه شده است.
چندین مدل برای بیان ویژگی های غیر خطی شدید ولتاژ-جریان پیشنهاد شده است. یکی از این مدل ها که معقولانه تر است در شکل 10 آورده شده است.
وقتی یک ولتاژ V در عرض سد شاتکلی دوگانه ایجاد می شود، ارتفاع سد با افزایش ولتاژ، کاهش می یابد. یک بخش اندک از الکترون ها می تواند در ناحیه ی تهی نفوذ کنند. این الکترون ها که در ناحیه ی تهی شتاب گرفته اند، می توانند الکترون های لایه ی والانس را متهیج کرده و به نوار رسانش برسانند. بنابراین در مرزدانه، حفرات با این الکترون های به دام افتاده، ترکیب می شوند و ارتفاع سد را کاهش می دهند.

فرایند تولید

اثر افزودنی ها بر روی ویژگی های وریستورهای ساخته شده از ZnO در جدول 3 آورده شده است. ولتاژ وریستور (Vc ) به تعداد مرزدانه های میان یک جفت الکترون وابسته است که علت این موضوع این است که ولتاژ وریستور در عرض یک مرزدانه ی منفرد مقدار ثابتی( در هر مرز) است( 3 ولت). برای بدست آوردن وریستورهای با ولتاژ Vc متغیر، اندازه ی دانه بوسیله ی دمای پخت یا افزودنی هایی مانند B و Sb، کنترل می شود.
وریستورهای بر پایه ی استرانسیوم تیتانات بوسیله ی پخت این سرامیک ها در یک اتمسفر احیایی و اکسیداسیون مجدد تنها مرزدانه ها، تولید می شود مانند خازن های سرامیکی با لایه های مرزی.

کاربردها

وریستورهای اکسید فلزی عمدتا در مدارهایی استفاده می شود که درآن، نوسان شدید القایی، نویزهای زود گذر بسیار کوتاه یا نوسانات شدید برق بوجود می آید. این نوع وریستورها ، عملکرد محافظتی را به طور ساده با استفاده از قرارگیری در میان خط ورود نوسان و خطوط زمینی نشان داده شده در شکل 11 ، انجام می دهند. یک وریستور باید به نحوی انتخاب گردد که ولتاژ وریستوری آن اندکی بیشتر از ولتاژ سیگنال اعمال شده به باری است که مورد محافظت قرار گرفته است. این وریستور یک عایق است که عملکرد متعارف خود را انجام می دهد که در آن ولتاژ اعمالی کمتر از ولتاژ است.
اگر یک پالس گذرا که داری ولتاژ بیشتری نسبت به است، به آن وارد شود، جریان از طریق وریستور و به سرعت افزایش می یابد که در نتیجه مسیر شنت رسانا برای پالس اعمال شده، ایجاد می شود.
وریستور بر پایه ی ZnO نسبت به نوع دیگر متداول تر است زیرا دارای ویژگی غیر خطی ولتاژ- جریان شدیدتری است.

رویه ها

ولتاژهای وریستوری کمتر در مدارات ولتاژ پایین مورد نیاز است. وریستورهای با ولتاژ 10V نیز ساخته شده است. رویه ی دیگر کاهش ظرفیت برای مدارات با فرکانس بالاست.