4.4.5. Термисторы и болометры

Терморезистор - это резистор, в котором используется зависимость сопротивления от температуры. Терморезисторы изготовляют на основе металлов и полупроводников.Термистор – это полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. В термисторах используется зависимость удельной проводимости, а значит, и электрического сопротивления полупроводника от температуры. Для изготовления термисторов могут быть использованы и примесные полупроводники, и собственные.

Сопротивление термистора зависит от температуры следующим образом:

, (4.4.12)

где B =  kдля собственного полупроводника иB = _d kдля примесного (в данном случае электронного).

Температурный коэффициент сопротивления термистора – это величина, численно равная относительному изменению его сопротивления при изменении температуры на единицу (на 1K)

. (4.4.13)

Продифференцируем (4.4.12)

, (4.4.14)

а затем найдем температурный коэффициент сопротивления

. (4.4.15)

В термисторах прямого подогревасопротивление изменяется как под влиянием изменения температуры окружающей среды, так и под влиянием теплоты, выделяющейся при прохождении электрического тока. Втерморезисторах косвенного подогреваимеется дополнительный источник теплоты - подогреватель. Подогреватель выполняют либо в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен сам термистор, либо в виде нити подогрева, тогда сам термистор изготовляют в виде трубки, внутри которой проходит эта нить. Терморезисторы используют в системах автоматического контроля и регулирования температуры.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры используется еще в одном типе приборов - болометрах.В этом случае температура изменяется при поглощении электромагнитного излучения.

Полупроводниковый болометр - это прибор, предназначенный для индикации и измерения теплового излучения (оптического или инфракрасного диапазона частот электромагнитного излучения).

Обычно болометр состоит из двух пленочных термисторов (толщиной до 10 мкм), помещенных в корпус, имеющий окно, прозрачное для излучения интересующего диапазона. Один из термисторов болометра является активным, т.е. непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения. Сопротивление этого термисторах изменяется в результате нагрева при облучении. Второй термистор - компенсационный - служит для компенсации возможных изменений окружающей среды. Он расположен в стороне от окна, "в тени". При измерениях эти два термистора обычно служат плечами мостовой схемы (вспомним, например, мостик Уитстона).

Полупроводниковые болометры изготовляют из различных материалов, чаще всего из германия и кремния, легированных примесями. Полупроводниковые болометры применяют в радиационных пирометрах, в системах ориентации, для бесконтактного и дистанционного измерения температуры и тому подобных целей.

4.5. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках

До сих пор мы рассматривали равновесное состояние в полупроводниках.

Допустим теперь, что термодинамическое равновесие нарушено каким-либо образом, например, может произойти генерация избыточных носителей под действием света (внутренний фотоэффект), носители могут быть введены через p-n-переход и т.д. После прекращения воздействия избыточная концентрация носителей заряда в полупроводнике будет уменьшаться из-за рекомбинации, и через некоторое время станет равной нулю.

Каким образом происходит процесс рекомбинации избыточных носителей? Возможны два способа: прямая рекомбинация и рекомбинация с участием ловушек. Схемы процессов показаны на рис.4.9.

а)	б)	в)

Рис.4.9. Рекомбинация носителей заряда:

а) прямая рекомбинация; б), в) рекомбинация с участием рекомбинационных ловушек.

Е_РЛ - уровень рекомбинационных ловушек; Е_F^КВ - квазиуровень Ферми

Рис. 4.10.Расположение уровней ловушек захвата и схематическое изображение процессов захвата электронов и дырок

Прямая рекомбинацияпроисходит при “лобовом” столкновении электрона и дырки. Однако такой процесс прямой рекомбинации мало вероятен, т.к. в одном и том же месте в одно и то же вpемя должны встретиться электpон и дырка, движущиеся с одинаковыми по модулю импульсами в противоположных напpавлениях. Вероятность такой встречи примерно 1/10000.

Чаще всего происходит рекомбинация с участием ловушек.Рекомбинационными ловушками являются глубокие уровни, т.е. уровни достаточно удаленные от краев запрещенной зоны. Такие уровни создают некоторые примеси и дефекты. В этом случае рекомбинация происходит в две стадии, такой процесс более вероятен, так как он не требует одновременного присутствия в данном месте электрона и дырки. Ловушка также воспринимает импульс (количество движения), необходимый для соблюдения закона сохранения импульса, и часть энергии, освобождаемой в процессе рекомбинации. Заметим кстати, что через ловушки может происходить и процесс генерации носителей. При этом направления процессов (направления стрелок) на рис.4.9 следует поменять на противоположные.

Кроме рекомбинационных ловушек, в запрещенной зоне полупроводника могут присутствовать так называемые ловушки захвата (см. рис 4.10) . Это мелкие уровни, способные захватывать носители какого-либо одного типа, а затем через некоторое время возвращать их в ту же зону (электроны – в свободную, дырки – в валентную). Рекомбинация возможна только после освобождения носителя заряда, поэтому наличие ловушек захвата затягивают процесс. Наличие рекомбинационных ловушек и ловушек захвата изменяет вpемя жизни неравновесных носителей.

Распределение электронов и дырок по энергиям в неравновесном случае можно описывать по-прежнему с помощью функции Ферми, но вместо уровня Ферми использовать квазиуровни Ферми, разные для электронов и дырок.

Рассмотрим, как изменяется с течением времени избыточная концентрация неравновесных носителей. Количество носителей, рекомбинирующих в единицу времени в единице объема (быстрота изменения концентрации) пропорциональна избыточной концентрации, коэффициент пропорциональности имеет размерность, обратную размерности времени:

, (4.5.1 )

, (4.5.2)

где n=n₀+n, p=p₀+ p– концентрации носителей,n, p– избыточные концентрации;_n ,_p– времена жизни неравновесных носителей.

Из (4.5.1) и (4.5.2) следует, что временем жизни неравновесных носителей заряда называют отношение избыточной концентрации неравновесных носителей к скорости изменения этой концентрации вследствие рекомбинации

, (4.5.3)

. (4.5.4)

В выражения для времен жизни (4.5.3) и (4.5.4) входят концентрации, которые не являются постоянными величинами, следовательно, и времена жизни _n и _p тоже непостоянны. Время жизни неравновесных носителей зависит как от факторов, меняющих равновесную концентрацию зарядов в материале, например от температуры, так и от избыточной концентрации.

Рассмотрим наиболее простой случай линейной рекомбинации. В этом частном случае концентрация носителей, с которыми происходит рекомбинация неравновесных носителей, постоянна. Этот случай реализуется, например, в полупроводнике с явно выраженной примесной электропроводностью при введении в него неосновных носителей заряда в небольшом количестве. Тогда появление неравновесных неосновных носителей не вызывает существенного изменения основных, с которыми происходит рекомбинация. Время жизни при этом оказывается постоянным, а количество носителей, рекомбинировавших в единицу времени в единице объема, пропорционально первой степени избыточной концентрации. Уравнения (4.5.1) или (4.5.2) становятся линейными (с этим и связано название данного частного случая рекомбинации):

; (4.3.13)

, (4.3.14)

то есть в случае линейной рекомбинации время жизни неравновесных носителей – это время, в течение которого их избыточная концентрация уменьшается в e раз.