§ 5. ДРУГИЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
В судовых устройствах и в схемах судовой электроавтоматики уже применяют и будут применять еще в больших масштабах различные типы полупроводниковых приборов: термисторы, позисторы, фото-, тензо- и магниторезисторы, фото- и светодиоды, варисторы, холлотроны и т. д.
Полупроводниковые резисторы — это приборы, изготовленные из полупроводникового материала и не имеющие р—п-переходов. Принцип их действия основан на физических процессах, протекающих в полупроводниковых материалах. Электрическое сопротивление таких резисторов изменяется под действием различных факторов: температуры (терморезисторы), излучения (фоторезисторы), электрического напряжения (варисторы), механических напряжений и деформаций (тензорезисторы), магнитного поля (магниторезисторы).
Терморезисторы.
Различают два типа терморезисторов: термисторы и позисторы. При увеличении температуры сопротивление термисторов уменьшается, а позисторов — увеличивается.
Принцип работы термисторов основан на свойстве некоторых полупроводников увеличивать число свободных электронов при возрастании температуры. Это явление приводит к увеличению тока через прибор, что равнозначно уменьшению его электрического сопротивления. Зависимость сопротивления таких полупроводников от температуры выражается формулой
(4) где А и В — постоянные коэффициенты, зависящие от типа и формы термистора; е — основание натурального логарифма; Т — температура, К.
Данная формула показывает, что сопротивление термисторов при увеличении температуры уменьшается по экспоненциальному закону, т. е. нелинейно.
Некоторые полупроводники (изготовленные на основе титаната бария) обладают сегнетоэлектрическими свойствами. При увеличении температуры в определенном ее диапазоне они резко увеличивают свое электрическое сопротивление. Это свойство лежит в основе принципа работы позисторов.
По конструкции терморезисторы делят на приборы прямого и косвенного подогрева. Терморезистор прямого подогрева (рис. 9, а) имеет токопроводящий элемент в виде стержня, диска, шайбы или бусинки из полупроводника. Таблица 1
Рис. 9. Схемы включения термисторов
Рис. 10. Вольт-амперная характеристика термистора (а) и температурные характеристики термистора (б) и позистора (в)
Нагрев рабочего тела полупроводника в термисторах косвенного подогрева (рис. 9, б) производится от специального нагревательного элемента подобно нити накала электронных ламп.
Важнейшими характеристиками терморезисторов являются вольт-амперная и температурная (рис. 10).
Отечественная промышленность выпускает десятки типов полупроводниковых терморезисторов, все они в зависимости от используемого материала могут быть разбиты на группы: медно-марганцевые (типов ММТ и СТ2), кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-кобальтовые оксидные (СТЗ), титанато- бариевые (СТ6). В табл. 1 приводятся данные некоторых типов отечественных терморезисторов.
Терморезисторы применяют весьма широко: в качестве тепловых датчиков для измерения и регулирования температуры; в системах пожарной сигнализации и теплового контроля; для температурной стабилизации транзисторных, электронных и измерительных устройств; в схемах стабилизации напряжения. Известны примеры их использования для измерения скорости жидкости и газа, давления газа, влажности воздуха.
Рис. 11. Устройство (а) и условное обозначение (б) фоторезистора
Рис. 12. Характеристики фоторезистора
Фоторезисторы.
Электрическое сопротивление этих приборов изменяется под действием лучистой энергии. Слой снабжен двумя контактами (электродами) 1. Подложка с фоточувствительным слоем и электроды расположены в защитном корпусе. 2. Лучистая энергия, поглощаемая слоем полупроводника, вызывает значительное увеличение числа носителей тока (электронов и дырок), а следовательно, и уменьшение сопротивления фоторезистора.
Основными характеристиками фоторезисторов являются вольт-амперные характеристики при различных значениях светового потока Ф (рис. 12, а) и световые характеристики — зависимости тока, проходящего через фоторезистор от освещенности Е при различных значениях напряжения (рис. 12, б). Сопротивление фоторезистора при определенной освещенности, или световое сопротивление Rсв, обычно в несколько десятков или сотен раз меньше темнового сопротивления Rт, т. е. сопротивления при затемнении фоторезистора.
Отечественная промышленность выпускает несколько типов фоторезисторов: сернисто-свинцовые (ФСА), реагирующие на инфракрасные лучи; сернисто-кадмиевые (ФСК) и сернисто-висмутовые (ФСБ), реагирующие на видимый свет; селенисто-кадмиевые (СФЗ и ФСД).
Достоинствами фоторезисторов являются возможность работы от сети постоянного и переменного тока, очень высокая чувствительность к свету, значительная мощность выходного сигнала; один из недостатков — значительный разброс значений темнового сопротивления.
Фоторезисторы позволяют управлять работой какого-либо исполнительного механизма в зависимости от величины светового потока. На судах их используют для автоматического контроля пламени в топках вспомогательных котлов; в качестве фотодатчиков для измерения частоты вращения, контроля уровня и расхода, влажности, вязкости, концентрации растворов; для управления освещением. Очень важно применение фоторезисторов в качестве фотодатчиков в системах дымовой пожарной сигнализации. Сейчас разрабатывают схемы дистанционного измерения температуры нагретых тел с помощью датчиков, работающих в инфракрасной области (фоторезисторы ФСА или СФ). Эти схемы позволяют определить наиболее нагретые детали двигателя, турбины или другого устройства.
Фото- и светодиоды.
Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод, значение обратного тока которого зависит от освещенности его р—n-перехода. Конструктивно фотодиод выполнен так, что световой поток, может проникать в область р—n-перехода. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через него: электроны — в n-область, дырки — в p-область. Электрическое поле перехода при этом ослабляется, причем тем больше, чем больше световой поток.
Схема включения фотодиода и его вольт-амперные характеристики для различных значений светового потока показаны на рис. 13. Из рис. 13, б видно, что: большему световому потоку Ф, падающему на диод, соответствует больший обратный ток Iобр и, следовательно, меньшее обратное сопротивление диода; фототок практически не зависит от обратного напряжения.
Выпускаемые отечественной промышленностью фотодиоды ФД, ФДК обладают сравнительно высокой интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение изменения фототока к изменению светового потока. В этом смысле они превосходят другие фотодатчики. Фотодиоды могут работать и без внешнего источника напряжения. В этом случае при освещении диода на его зажимах появляется незначительная фотоэ. д. с.
Используют фотодиоды, как и фоторезисторы, в различных фотодатчиках, и прежде всего в схемах фотореле, срабатывающих при изменении светового потока до определенного значения.
Светодиод, или светоизлучающий диод, представляет собой полупроводниковый прибор, который при прохождении по нему тока в прямом направлении (рис. 14, а) преобразует электроэнергию в энергию оптического излучения. Такое излучение возникает при рекомбинации избыточных носителей тока — электронов и дырок, вносимых в область р—n-перехода. Основными характеристиками фотодиода являются вольт-амперная (рис. 14, б) и световая, представляющая собой зависимость яркости излучения от величины тока (рис. 14, в).
В зависимости от материала светодиоды создают излучение в различных областях спектра (инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой). Промышленность выпускает светодиоды в дискретном или интегральном исполнении. Дискретные светодиоды видимого излучения используют в качестве сигнальных индикаторов (красных, зеленых, желтых), а также источников света для фотодиодов или фоторезисторов. Интегральные, т. е. многоэлементные, приборы (цифрознаковые индикаторы, многоцветные панели и экраны) применяют в различных системах отображения информации, электронных часах, калькуляторах. Светодиоды инфракрасного излучения используют в устройствах оптической локации, оптической связи, дальномерах.
Рис. 13. Схема включения и вольт-амперные характеристики фотодиода
Рис. 14. Схема включения светодиода и его характеристики
Варисторы.
Прибор (рис. 15, а) представляет собой полупроводниковый резистор, активное сопротивление которого изменяется нелинейно в зависимости от значения приложенного к нему напряжения. Вольт-амперные характеристики (рис. 15, б) варисторов симметричны для токов различных направлений и в широком диапазоне могут быть описаны уравнениями:
(5) где С — постоянное напряжение, при котором через варистор проходит ток в 1А; В — постоянный коэффициент; β — коэффициент нелинейности.
На основании кривых можно сделать вывод о том, что сопротивление варистора значительно уменьшается при увеличении напряжения.
Материалом для варисторов служит карбид кремния. Изготавливают варисторы на напряжение 3—200 В и ток от 0,1 мА до 1 А, а высоковольтные варисторы — на напряжение до 20 кВ. Диапазон рабочих температур варисторов от —40 до +100оС, срок службы до 3000 ч.
Варисторы дешевы в изготовлении, могут выдерживать большие перегрузки, обладают высокой надежностью и малой инерционностью. Их параметры со временем изменяются в зависимости от температуры.
Применяют варисторы для стабилизации и регулирования токов и напряжений, в схемах защиты элементов от перегрузок по напряжению, в схемах преобразователей частоты, для преобразования электрических величин и математических операций над величинами.
Рис. 15. Условное обозначение и вольт-амперные характеристики варистора
Рис. 16. Схема принципиального устройства датчика Холла
Тензорезисторы.
У полупроводникового тензорезистора сопротивление зависит в основном от механической деформации (растяжения или сжатия). Приборы делают чаще всего из кремния, а. также из арсенида или антимонида галлия. Тензорезисторы в виде пластинки очень малых размеров (до десятых долей миллиметра) по сравнению с проволочными или фольговыми тензодатчиками из константана или нихрома имеют очень высокую чувствительность. Относительное изменение электрического сопротивления при номинальной нагрузке достигает у них 30%, а у проволочных или фольговых тензорезисторов — только 1—2%. Благодаря этому тензорезисторы могут работать без усилителей сигнала.
Полупроводниковые тензорезисторы можно применять для измерения как малых (до 10-2 Н), так и больших (103—107 Н) усилий; их погрешность 0,1—0,5%. Большим достоинством приборов является очень малая инерционность, а недостатком — чувствительность к колебаниям температуры.
На судах тензорезисторы можно применять для измерения деформаций узлов и деталей различных устройств, в датчиках давления, датчиках момента вращения, передаваемого от главного» двигателя к гребному валу.
Холлотроны.
Работа холлотронов, или датчиков Холла, основана на эффекте Холла. Если поместить пластину из полупроводника с одним типом носителей заряда, например с электронами, во внешнее поперечное магнитное поле и пропустить ток вдоль нее (рис. 16), то вследствие смещения движущихся носителей зарядов. (электронов) под действием сил Лоренца к одной из граней пластины возникает поперечная э. д. с. Ех. Значение ее зависит от индукции В внешнего магнитного поля и тока I: 
(6), где k — коэффициент пропорциональности.
Конструктивно холлотрон предъявляет собой тонкую прямоугольную пластину или пленку, изготовленную из полупроводника (кремния, германия, арсенида индия и др.) и нанесенную , на прочную подложку из диэлектрика.
Малые размеры, высокое быстродействие и конструктивная простота обусловливают перспективность применения датчиков Холла, несмотря на некоторые недостатки — небольшое выходное напряжение (до 1 В) и температурную погрешность. Приборы можно использовать для измерения напряженностей постоянных и переменных магнитных полей, измерения тока, напряжения и мощности в электрических цепях (на ледоколах типа «Москва»), в датчиках направления мощности устройств защиты генераторов, в измерителях линейных и угловых перемещений.
Магниторезисторы.
Сопротивление прибора изменяется по воздействии на него магнитного поля вследствие искривления траекторий носителей тока. Магниторезисторы выполняют обычно в виде пластинки из антимонида или арсенида индия толщиной 0,1— 0,15 мм и площадью в несколько квадратных миллиметров.
Активное сопротивление магниторезистора может увеличиваться в 10— 20 раз при увеличении индукции магнитного поля от 0 до 1 Т.
Датчики с магниторезисторами проще, чем с элементами Холла, так как имеют всего два вывода, а также значительно большую мощность на выходе. Их применяют для измерения сильных магнитных полей, в схемах для измерения активной или реактивной мощности.
