.引言 随着半导体电阻在工业中的广泛应用,我们有必要对它的温度特性进行 研究。热敏电阻是阻值随温度变化非常敏感的一种半导体电阻,它有正 温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)两种。正温度系数热敏电阻的电阻 率随着温度的升高而升高;负温度系数热敏电阻的电阻率随着温度的升 高而下降(一般是按指数规律)。金属的电阻率则是随温度的升高缓慢上 升,当温度变化不大时,电阻率与温度有近似线性关系。热敏电阻对温 度的反应要比金属电阻灵敏得多,热敏电阻的体积可以做得很小,用它 制成的半导体温度计已广泛应用在自动控制和科学仪器中。 电阻的分类及特性 电阻是材料的一项重要物理电学参数,它反映材料对电流的阻碍作用 大小。在一定温度下,对于固体电阻而言,电阻大小取决于材料的长度L、 横截面积S和材料本身的电阻率p,即: R=p 式中ρ为该材料t℃时的电阻率,当温度不变时为恒值,但随着温度 改变,电阻率也要随之改变,即pp(t)。对于给定的电阻材料,电阻率 随温度的改变可表征为电阻随温度而改变,即R=R(t)。在工作温度范围 内,阻值随温度升高而增加的材料,我们称为正电阻温度系数印材料, 阻值随温度升高而减小的材料称为负电阻温度系数材料。 InRt InRo 图1材料电阻一温度变化图图2lnRt1t变化图
一.引言 随着半导体电阻在工业中的广泛应用，我们有必要对它的温度特性进行 研究。热敏电阻是阻值随温度变化非常敏感的一种半导体电阻，它有正 温度系数（PTC）和负温度系数(NTC)两种。正温度系数热敏电阻的电阻 率随着温度的升高而升高；负温度系数热敏电阻的电阻率随着温度的升 高而下降（一般是按指数规律）。金属的电阻率则是随温度的升高缓慢上 升，当温度变化不大时，电阻率与温度有近似线性关系。热敏电阻对温 度的反应要比金属电阻灵敏得多，热敏电阻的体积可以做得很小，用它 制成的半导体温度计已广泛应用在自动控制和科学仪器中。 二.电阻的分类及特性 电阻是材料的一项重要物理电学参数，它反映材料对电流的阻碍作用 大小。在一定温度下，对于固体电阻而言，电阻大小取决于材料的长度 L、 横截面积 S 和材料本身的电阻率 ρ，即： S L R = （1） 式中 ρ 为该材料 t℃时的电阻率，当温度不变时为恒值，但随着温度 改变，电阻率也要随之改变，即 ρ=ρ（t）。对于给定的电阻材料，电阻率 随温度的改变可表征为电阻随温度而改变，即 R=R（t）。在工作温度范围 内，阻值随温度升高而增加的材料，我们称为正电阻温度系数【1】材料， 阻值随温度升高而减小的材料称为负电阻温度系数材料。 图 1 材料电阻—温度变化图 图 2 lnRt—1/t 变化图 1 3 2 R t lnRt lnR0 1/t
金属材料电阻温度系数 般地,金属材料的阻值R随温度t上升而増大,它们的关系式可用 下式表示 R:=R0(1+a+f-+t+…) 式中R,Ro分别表示材料处于t℃和0℃时的阻值,α、β、γ等是常 数。对于温度变化范围较小的纯金属,阻值与温度近似成线性,即βt2、γ3 和其它高次项可忽略,因而一定范围内纯金属的电阻温度关系2可表示 为 R1=R0(1 通过实验测出不同温度下的阻值,以温度t为横坐标,R为纵坐标, 可绘出电阻温度表化图象,如图1中曲线1。图象为一直线,纵轴截距 即为Ro,斜率为αRo,利用所作直线可求出电阻温度系数a和电阻温度 关系式。 我国标准规定,对工业用铂电阻,∝=3.9687×103℃。 2热敏电阻 热敏电阻是指阻值随温度改变而发生显著变化的热敏感器件,它分为 正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。 (1)正温度系数热敏电阻如图1中曲线1。 (2)负温度系数热敏电阻 如图1中曲线2,大约变化1℃时阻值变化1-6%。若热敏电阻原为 3kΩ,温度变化1℃,阻值变化约1002。此类电阻国的特征方程为 R=R % 式中b为常数,只要求出Ro和b,就可得到电阻的温度表达式。数 学上,只要测出t、t温度时所对应的阻值R1和R2,代入上式即可解得 Ro和b。然而这两组数据均存在误差,用它们计算求得的结果,误差更 大。直接采用类似纯金属材料电阻温度系数的求法,先作Rt图,再根据 曲线形状确定Ro和b值仍较为困难
2 1. 金属材料电阻温度系数 一般地，金属材料的阻值 R 随温度 t 上升而增大，它们的关系式可用 下式表示： R R (1 t t t ) 2 3 t = 0 + + + + （2） 式中 Rt，Ro 分别表示材料处于 t℃和 0℃时的阻值，α、β、γ 等是常 数。对于温度变化范围较小的纯金属，阻值与温度近似成线性，即 βt2、γt3 和其它高次项可忽略，因而一定范围内纯金属的电阻-温度关系[2]可表示 为： R R (1 t) t = 0 + （3） 通过实验测出不同温度下的阻值，以温度 t 为横坐标，R 为纵坐标， 可绘出电阻-温度表化图象，如图 1 中曲线 1。图象为一直线，纵轴截距 即为 Ro，斜率为 αRo，利用所作直线可求出电阻温度系数 α 和电阻温度 关系式。 我国标准规定，对工业用铂电阻，α=3.9687×103℃-1。 2.热敏电阻 热敏电阻是指阻值随温度改变而发生显著变化的热敏感器件，它分为 正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。 （1）正温度系数热敏电阻 如图 1 中曲线 1。 （2）负温度系数热敏电阻 如图 1 中曲线 2，大约变化 1℃时阻值变化 1—6%。若热敏电阻原为 3kΩ，温度变化 1℃，阻值变化约 100Ω。此类电阻[3]的特征方程为 t b t 0 R = R e （4） 式中 b 为常数，只要求出 Ro 和 b，就可得到电阻的温度表达式。数 学上，只要测出 t1、t2 温度时所对应的阻值 R1 和 R2，代入上式即可解得 Ro 和 b。然而这两组数据均存在误差，用它们计算求得的结果，误差更 大。直接采用类似纯金属材料电阻温度系数的求法，先作 R-t 图，再根据 曲线形状确定 Ro 和 b 值仍较为困难
处理方法为:对(3)和(4)式两边取自然对数,得到: Inr.=b-+In (5) 然后测量多组Rt数据,以1t为横坐标,lnRt为纵坐标作图,如图2 所示。显然图象为一直线,斜率为b,纵坐标上的截距为lnRo。利用直 线求出斜率和截距,常数Ro和b也就得以确定。 (3)PIC电阻材料 TC电阻材料4是近年发展的一种新材料,PIC元件现已广泛应用于 冰箱、彩电等的控温开关及发热体上。此类材料以钛酸钡( BaTiO3)掺 合微量稀土元素采用陶瓷工艺制造而成。其显著特点是:在居里点温度 以下,阻值很小:而当温度高于居里点温度时,阻值急剧增大,增大几 十倍甚至几个数量级,电阻温度变化如图1中曲线3所示。材料的居里 点可通过改变掺杂元素含量来调整,因而人们可根据需要来加以控制 三.半导体热敏电阻导电机理 半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。 由于热运动(譬如温度升髙),越来越多的载流子克服禁带(或电离 能)引起导电,这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移发生变化,若电 子和空穴的浓度分别为n、p,迁移率分别为μn、μp,则半导体的电导 为 o=q(n u ntpup) (6) 因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数,所以电导是温度的函数, 因此可由测量电导而推算出温度的高低,并能做出电阻-温度特性曲线 四热敏电阻的优点 体积小(便于升降温迅速)、阻值高(一般为102-1059,可忽略引线 阻值)、制作工艺简单、价格便宜等优点,因而得到广泛应用 五PTC热敏电阻( Positive Temperature Coefficient) (1)定义
3 处理方法为：对（3）和（4）式两边取自然对数，得到： t R0 ln t 1 ln R = b + （5） 然后测量多组 R-t 数据，以 1/t 为横坐标，lnRt 为纵坐标作图，如图 2 所示。显然图象为一直线，斜率为 b，纵坐标上的截距为 lnRo。利用直 线求出斜率和截距，常数 Ro 和 b 也就得以确定。 （3）PTC 电阻材料 PTC 电阻材料[4]是近年发展的一种新材料，PTC 元件现已广泛应用于 冰箱、彩电等的控温开关及发热体上。此类材料以钛酸钡（BaTiO3）掺 合微量稀土元素采用陶瓷工艺制造而成。其显著特点是：在居里点温度 以下，阻值很小；而当温度高于居里点温度时，阻值急剧增大，增大几 十倍甚至几个数量级，电阻-温度变化如图 1 中曲线 3 所示。材料的居里 点可通过改变掺杂元素含量来调整，因而人们可根据需要来加以控制。 三.半导体热敏电阻导电机理 半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。 由于热运动（譬如温度升高），越来越多的载流子克服禁带（或电离 能）引起导电，这种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移发生变化，若电 子和空穴的浓度分别为 n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导 为： σ=q（nμn+pμp） （6） 因为 n、p、μn、μp 都是依赖温度 T 的函数，所以电导是温度的函数， 因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线． 四.热敏电阻的优点 体积小（便于升降温迅速）、阻值高（一般为 102—105Ω，可忽略引线 阻值）、制作工艺简单、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。 五.PTC 热敏电阻（Positive Temperature Coefficient） （1）定义
图3.PTC热敏电阻的外形 PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的 温度(居里温度)时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。 (2)材料 常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺,髙 温烧制而成。 (3)特点 ①灵敏度匀较高,其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上,能检测出 10-6℃的温度变化;②工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃C~315℃, 高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃),低温器件适用 于-273℃~55℃;③体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体 及生物体内血管的温度;④使用方便,电阻值可在0.1~100k9间任意选 择;⑤易加工成复杂的形状,可大批量生产;⑥稳定性好、过载能力强 (4)应用 因电阻值与温度变化成正比关系,即当温度升高时电阻值随之增大 在常温下,其电阻值较小,仅有几欧姆~几十欧姆;当流经它的电流超 过额定值时,其电阻值能在几秒钟内迅速增大至数百欧姆~数千欧姆以
4 图 3.PTC 热敏电阻的外形 PTC 热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的 温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。 （2）材料 常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺，高 温烧制而成。 （3）特点 ①灵敏度[5]较高，其电阻温度系数要比金属大 10～100 倍以上，能检测出 10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于- 55℃～315℃， 高温器件适用温度高于 315℃（目前最高可达到 2000℃），低温器件适用 于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体 及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在 0.1～100kΩ间任意选 择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强． （4）应用． 因电阻值与温度变化成正比关系，即当温度升高时电阻值随之增大。 在常温下，其电阻值较小，仅有几欧姆～几十欧姆；当流经它的电流超 过额定值时，其电阻值能在几秒钟内迅速增大至数百欧姆～数千欧姆以
上。可广泛应用于彩色电视机消磁电路、电冰箱压缩机启动电路及过热 或过电流保护等电路中、还可用于电驱蚊器和卷发器、电热垫、暖器等 小家电中。 六NTC热敏电阻( Negative Temperature Coefficient) (1)定义 NTC热敏电阻是指由在某一温度下电阻急剧减少、具有负温度系数 的热敏电阻材料制作而成的电阻 (2)材料 图4.NTC热敏电阻的外形 常由一些过渡金属氧化物(主要用铜、镍、钴、镉等氧化物)在 一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的,近年还 有单晶半导体门等材料制成。 (3)特性
5 上。可广泛应用于彩色电视机消磁电路、电冰箱压缩机启动电路及过热 或过电流保护等电路中、还可用于电驱蚊器和卷发器、电热垫、暖器等 小家电中。 六.NTC 热敏电阻（Negative Temperature Coefficient ） （1）定义 NTC 热敏电阻 [6]是指由在某一温度下电阻急剧减少、具有负温度系数 的热敏电阻材料制作而成的电阻。 （2）材料 图 4. NTC 热敏电阻的外形 常由一些过渡金属氧化物[7]（主要用铜、镍、钴、镉等氧化物）在 一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的，近年还 有单晶半导体[7]等材料制成。 （3）特性