电阻材料学习（67页）.ppt

电阻材料 3薄膜电阻材料 2线绕电阻材料 1电阻材料慨述 4厚膜电阻材料 本章内容 电阻材料 是指常用的电阻器 片式电阻器 混合集成电路中的薄膜和厚膜电阻器 可变电阻器和电位器等所用的电阻体材料 主要包括线绕电阻材料 薄膜电阻材料和厚膜电阻材料 电阻器是二个引出线其阻值固定不变 电位器是三个引出线中间线头为内部滑动触点转轴时中间线头与两端线头阻值变化 其转角与阻值变化特性分 线性 X 指数 Z 对数 D 无轴者称可调电阻 3 1电阻材料慨述 3 1 1电阻 电阻器和电阻单位电阻是材料在一定程度上阻碍电流流通 并将电能转变成热能的一种物理性质 对于某导体 如果在导体两端加上的电压为v 流过的电流为I 则其导体的电阻R可用下式表示 R V I 将电阻材料做成具有一定形状 结构的实体元件 常称它为电阻器或电阻元件 电阻器在电子设备中主要功能是调节和分配电能 在电路中常作分压 调压 分流 消耗电能的负载以及滤波元件等 在实际应用中 常将电阻材料作成线状 箔状 薄膜状 厚膜状 棒状 块状 及片状 用这类形状的电阻材料所做成的电阻器 则相应称为线绕电阻器 合金箔电阻器 薄膜电阻器 厚膜电阻器 实心电阻器及片式电阻器 电阻器有固定电阻器 可变电阻器和电位器之分 固定电阻器的阻值是不可调的 可变电阻器和电位器的阻值是可调的 其区别是可变电阻器是两端元件 电位器是四端元件 3 1 2电阻率和膜电阻 导体的电阻值决定于导电材料的性质和几何尺寸 对于横截面积恒定的导体 其电阻R用下式表示 R L s对于薄膜电阻材料 由于膜比较薄 电阻率常不是一个常数 随膜厚而变化 故常用膜电阻表示薄膜电阻材料电阻的大小 膜电阻Rs用下式表示 Rs dd为膜的厚度 Rs是指长宽相等的一块薄膜电阻 即1方的电阻 所以有称之为方阻 材料的电阻率是决定该材料是导体 或是半导体和绝缘体的主要依据 材料的电阻率与材料的种类和结构有关 还与环境条件有关 如温度 压力 湿度等 3 1 3电阻与温度的关系 所有材料的电阻率都是温度的函数 除了热敏电阻器和一些特殊要求的电阻器而外 作为电阻器和电位器的电阻材料总是希望电阻值随温度的变化越小越好 为了评定电阻器对温度的稳定性 常用电阻温度系数来表 电阻温度系数是表示温度每改变1 时电阻值的相对变化量 可用下式表示 R dR RdT平均电阻温度系数是指在一定温度范围内 温度改变1 时 电阻值的平均相对变化量 电阻材抖的电阻值也是温度的函数 不同电阻材料 由于导电机理不同 它们的电阻温度关系也有所不同 1纯金属它的电阻是自由电子与晶格的振动相互碰撞引起散射而产生的 当温度增加时 电子平均运动速度增加 单位时间碰撞次数增多 电子平均自由时间减少 电子的平均自由行程长度也相应缩短 因而电阻率增加 可用下式表示金属电阻率与温度的关系 M AT纯金属的电阻温度系数为正值 而且随着温度的增加而下降 在室温附近金属的电阻温度系数为3 6x10 3 0C 2 合金材料由于在金属中加入了其他金属杂质原子之后 破坏了原来晶格的周期性排列 使自由电子的散射几率增加 其结果是合金的电阻率比纯金属的电阻率高 可用下式表示 i式中 为合金的电阻率 为纯金属的电阻率 i为杂质散射增加的电阻率 合金电阻率中 与温度有关 i与温度无关 所以合金的电阻率与温度的关系可用下式表示 A B T B是与杂质有关的常数合金的电阻温度系数比纯金属小 一般要小1 2个量级 为了提高金属和合金电阻材料的电阻率和降低电阻温度系数 常采用如下一些措施 尽量采用合金 多元合金 有温度系数补偿杂质的合金 把金属和合金做成线材 薄膜 厚膜或箔状 在金属和合金粉状材料中加入绝缘填充料 用有机或无机粘结剂制成合成型电阻材料 将金属和合金氧化物或与其他非金属材料组成化合物等 3金属和合金薄膜电阻材料 金属和合金薄膜电阻材料简称金属膜 一般用真空蒸发 溅射 化学沉积等方法制得根据微观分析 这种金属膜一般有下列三种结构 无定形结构薄膜由致密的无定向的极小颗粒组成 颗粒的尺寸通常为十几埃左右 这些无定形结构的电子衍射花样图是一些弥散环 没有择优取向的多晶结构 其晶粒较大 这种结构的衍射花样图为一些边缘清晰的圆环 即清锐环 如果膜较薄 也出现弥散环 随着膜层变厚 衍射环从弥散变化到清锐 择优取向的多晶结构 这种结构的薄膜基本上由大尺寸晶体组成 晶粒相对于基体有择优取向 通常都是晶粒原子排列整齐呈致密的表面 与基体表面平行 具衍射花样图为断续的清锐环 其金属膜的结构和性能跟薄膜的厚度有很大关系 一般把它分成三种情况加以考虑 厚度大于100nm 这种薄膜呈连续状结构 其电性能与块状金属接近 有较小的电阻率和正的电阻温度系数 其密度比块状金属小 晶格也不如块金属完整 杂质玷污较多 薄膜表面对电子还存在一定的散射 所以电阻率高于同类块状金属材料 厚度为100nm以下到几十纳米 这种薄膜基本上是连续的 但有时会出现一些孔隙 沟道 形成一种网状结构 其电阻率随厚度的减小逐渐增大 而电阻温度系数逐渐减小面接近于零 厚度在几纳米到几十纳米之间 薄膜呈不连续的岛状结构 其电阻率随厚度减小急剧增大 电阻温度系数变成负值而且负得更大 电阻率与温度的关系非常类似于半导体材料 金属中加入的其他金属称为金属杂质 它会增加电子的散射 如果不考虑其他散射的影响 其金属膜的电阻率可用下式表示 声 T 杂加入杂质后电阻率增大了 而电阻温度系数却变小了 因为杂质散射引起的电阻与温度无关 如果加入杂质不是形成固溶体而是形成混合物 其电阻率为 混合 C1 1 C2 2C1 C2分别为两种金属元素的体积分数 1和 2分别为金属1和金属2的电阻率 它们的电阻宰温度系数 混合为 在金属薄膜中 除了晶格热振动和杂质散射引起的电阻之外 还有其他缺陷如填隙原子 空格点 位错和晶界等 也对电子有散射作用 从而对电阻也有贡献 晶界影响较为突出 金属薄膜大多数都是多晶结构 多晶中小晶粒相互交界的地方叫晶粒界间 晶粒界间是一种过渡区域 它的结构和性质跟晶粒本身有很大的不同 晶粒间界处的原子处在应力状态 它比内部原子有较高的能量 比叫容易离开平衡位置 晶粒间界处的熔点比内部低 同时晶粒间界处有吸引杂质的作用 若这些杂质和氧的亲和力较大 则在空气中晶粒间界处容易形成氧化层 另外 晶粒间界处也会吸引空格点 间界处的原子排列也会不规则 这样就破坏了完整晶体原子排列的周期性 破坏了周期性势场 使电子遭到散射 故电阻率会提高 表面散射也是很重要的 这是因为任何表面界限都会破坏晶格的周期性势场 特别是当金属薄膜的厚度与电子的平均自由行程长度相近时更为突出 薄膜表面的反射绝大多数处漫反射 随着膜的厚度减少 对电子散射会加剧 因而电阻率会逐渐增大 电阻温度系数也会逐渐变小到趋于零 4 合成型电阻材料用颗粒形的导电材料加上绝缘的填充料和粘结剂组成的电阻材料 人们常称它为合成型电阻材料 这类材料常用改变导电颗粒种类 多少 颗粒的粗细 分散性来改善合成物的性能 图3 1 2为导电合成物的断面图 图中 打圆圈的为导电颗粒 它们在合成物中互相接触组成连续的导电链 它们有的也可分散在合成物中 其中一些相互靠得很近很近 靠隧道效应形成间隙导电 图中的白块为填充料 空隙为粘结剂 合成物中的铝箔剂和填充料等均属绝缘材料 它们组成绝缘回路 该合成物的等效电路如图3 13所示 Rn为导电颗粒本身的电阻 Rk为导电颗粒之间的接触电阻 Rb为导电颗粒之间的间隙电阻 Ca为间隙电容 Rc为绝缘电阻 所以整个导电合成物的电阻值可以表示为 图3 1 3中链状回路是导电颗粒相互接触组成的导电链 随着单位体积导电粒数增加 导电链的条数增多 导电链相并联 合成物的电阻减小 随着导电颗粒的密度减小 导电链的条数减少 有的形成间断链 许多导电颗粒分数在粘结剂 填充料等绝缘材料中 所以合成物的电阻会增大 一条导电链的电阻是由多个导电颗粒的电阻Rn和这些颗粒之间的接触电阻Rk串联组成的 多条导电链组成并联回路 间断回路中 一些间断导电链之间存在着极薄的介质间隙 分散的导电颗粒之间也存在着一种极薄的介质间隙层 它们在一定电场作用下会产生隧道效应 形成间隙导电 有的则称称电子越过势垒导电 用等效电路表示为一些介质间层的电阻Ra和介质间层的电容C并联 再与导电颗粒的电阻Rn串联 多个间断回路相并联 绝缘回路由粘结剂 填充料等的绝缘电阻组成 其绝缘电阻用Rc表示 一般情况厂绝缘电阻Rc的阻值很大 可以视为开路 因此 整个合成物中实际起导电作用的 主要是链状回路和间断回路 所以整个导电合成物的电阻值可以表示为 5 半导体电阻材料 一些金属氧化物 化合物和盐 在配料 成型和烧结时加人杂质 或让它们的化学比失配 或出现缺氧和剩氧 或出现空格点 用这种方法制得的电阻材料常显示半导体特性 它们的电阻率与温度的关系可用下式表示 式中u为常数 它与材料中载流子的激活能有关 半导体中的载流于浓度与温度有关 温度升高载流于浓度增加 电阻率降低 其电阻率温度系数用下式表示 半导体电阻材料的电阻率温度系数为负值 3 1 4电阻材料的电压特性 在外加电压下 电阻材料的电阻值一般是线性的 即是说 在电阻材料的两端加上的电压跟流过的电流成正比 符合欧姆定律 其阻值与电压无关 但由于电阻材料内部结构不均匀 不致密 不连续 接触不良 存在缺陷 颗粒分散不均 因而会出现非线性 出现非线性的原因很多 主要有两点 一是在不均匀系统存在有间隙 间隙很窄而电阻却很大 此间隙上电压降会很高 形成局部很高的电场 致使电阻值降低 出现阻值的非线性 二是由于颗粒相互接触时 接触点处的横截面积极其狭窄 在外加电压下 这些狭窄部分电流密度过大 就会造成这些地方局部过热 引起局部温度升高 间隙电阻下降 以上两种情况那是电压升高电阻下降 而且是一种瞬时效应 为了评定电阻材料的非线性 常用电压系数和测量电阻的二次谐波来衡量电阻非线性的大小 电阻的电压系数 VCR 是指在规定的电压范围内 电压每改变1V 电阻值的平均相对变化 可用下式表示 式中 V2为额定电压 V1 0 1V2 R1和R2分别是在电压为V1和V2下测得的阻值 有时用另一个电压系数的定义 即在规定电压范围内 电阻值的相对变化 即电阻值一般都随着电压升高而下降 因此 电压系数总是负值 3 1 5电阻材料噪声 电阻材料的噪声是电阻材料中一种不规则的电压起伏 它也是电阻材料的一项重要性能 电阻材料的噪声主要有两种 热噪声是自由电子不规则的热运动 使电阻值的任意两点间发生电压的不规则起伏 它与电阻值和温度有关 电流噪声是由于电阻材料内部结构不均匀而引起的 当电阻材料通过电流时 由于接触电阻的起伏 或载流子浓度的起伏而引起电压的起伏 2线绕电阻材料 3 2 1线绕电阻材料的特点和要求线绕电阻材料主要是指电阻合金线 用这些不同规格的电阻合金线绕在绝缘的骨架上可以制成线绕电阻器和电位器 电阻合金线通常用元素周期表中 B B B B族的金属 如铜 银 金 铬 锰等 组成合金后 经拉伸而成 这种合金线具有电阻率高 电阻温度系数小 使用温度范围宽 耐热性高 稳定性好 噪声小 耐磨等优点 它是制造线绕电阻器和线绕电位器的绕组材料 电阻合金线使用的场合不同 对它的要求也不一样 贱金属合金线中 目前常用的有锰铜线 康铜线 镍铬线 镍铬基多元合金线等 1 锰铜线主要特点是电阻稳定性好 电阻温度系数小 具有中等的电阻率和良好的电器性能 固其所使用温度范围窄 只宜作室温范围内的中 低阻值的精密线绕电阻器 2 康铜线的优点是耐热性好 使用温度范围宽大 但电阻温度系数大 适宜作大功率的中 低阻值的线绕电阻器和电位器 3 镍铬合金线具有较高的电阻率 良好的电性能和很宽的使用温度范围 但电阻温度系数较大 一般用作制造中 高阻值的普通线绕电阻器和电位器 4 镍铬系多元合金线如镍铬铝铁 镍铬铝铜 镍铬铝锰硅 镍铬铝钒 镍钼铝锰硅 镍锰铬铝等 它们的电阻率高 电阻温度系数小 耐磨性好 对铜的热电势小 因此适宜作高阻值的精密线绕电阻器和电位器 3 2 2贱金属电阻合金。