[材料科学]03[1]电阻材料课件.ppt
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- 材料科学 03 电阻 材料 课件
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1、第三章第三章 电阻材料电阻材料vvvv3.1 电子材料概述v电阻材料是指常用的电阻器、片式电阻器、混合集成电路中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、厚膜电阻器、可变电阻器和电位器等所用的电阻体的薄膜、厚膜电阻器、可变电阻器和电位器等所用的电阻体材料。材料。电阻材料电阻材料线绕电阻材料线绕电阻材料薄膜电阻材料薄膜电阻材料厚膜电阻材料厚膜电阻材料电阻的外形电阻的外形3.1.1 电阻、电阻器和电阻单位v电阻是指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电阻是指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。种物理性质。IVR 将电阻材料做成具有一定形
2、状、结构的实体元件,常称它为电阻器或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。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。将电阻材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、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。薄膜电阻器、厚膜电阻器、实心电阻器及片式电阻器。包括固定电阻器、包括固定电阻器、
3、可变电阻器和电位器。可变电阻器和电位器。3.1.2 3.1.2 电阻率和膜电阻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,其电阻的导体,其电阻R用下式表示:用下式表示:SLR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、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。压力、湿度等。电阻率在数值上等于长电阻率在数值上等于长lcm、横截
4、面积为、横截面积为lcm2的导体所具有的电阻值,单位的导体所具有的电阻值,单位为为.cm。对于线绕电阻材料的电阻率的单位,常用。对于线绕电阻材料的电阻率的单位,常用.mm2/m表示。表示。v对于薄膜电阻材料,由于膜比较薄,电阻率常对于薄膜电阻材料,由于膜比较薄,电阻率常不是一个不是一个常数常数,随膜厚而变化,故常用膜电阻表示薄膜电阻材料,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。膜电阻电阻的大小。膜电阻Rs用下式表示:用下式表示:dRs 式中,式中,d为薄膜的厚度,单位为为薄膜的厚度,单位为cm;膜电阻;膜电阻Rs是指长宽相是指长宽相等的一块薄膜的电阻,即等的一块薄膜的电阻,即l方
5、的电阻,所以有时又称为方的电阻,所以有时又称为方方阻。阻。v如果是宽度和厚度均匀的薄膜,其沿长度方向的电阻可用如果是宽度和厚度均匀的薄膜,其沿长度方向的电阻可用下式表示:下式表示:NRWLRRss 式中,式中,L为薄膜长度(为薄膜长度(cm););W为薄膜的宽度(为薄膜的宽度(cm);Rs为膜电阻为膜电阻(简称方阻);(简称方阻);N为方数。为方数。3.1.3 电阻和温度关系v1 1、温度对电阻的影响:、温度对电阻的影响:温度升高:(温度升高:(1 1)分子热运动加剧,碰撞机会增多,受阻碍作用增强;)分子热运动加剧,碰撞机会增多,受阻碍作用增强;(2 2)参与带电质点数目增多,易导电。)参与带
6、电质点数目增多,易导电。v2 2、一般金属导体中,自由电子数目几乎不随温度变化,主要影响是温度升高,、一般金属导体中,自由电子数目几乎不随温度变化,主要影响是温度升高,分子热运动加剧,碰撞机会增多,受阻碍作用增强,其电阻增大。(电阻温度分子热运动加剧,碰撞机会增多,受阻碍作用增强,其电阻增大。(电阻温度计)计)v 3 3、少数合金的电阻几乎不受温度影响。(标准电阻)、少数合金的电阻几乎不受温度影响。(标准电阻)v 4 4、超导现象:极低温度下,有些金属电阻突然变为零。、超导现象:极低温度下,有些金属电阻突然变为零。v 5 5、电阻的温度系数、电阻的温度系数R R:温度每升高:温度每升高11时电
7、阻值的相对变化量。时电阻值的相对变化量。有时用平均电阻温度系数有时用平均电阻温度系数RjRj表示:表示:RjRj=(R R2 2-R-R1 1)/R/R1 1(t t2 2-t-t1 1)的单位为的单位为1/1/,读每摄氏度。,读每摄氏度。RdTdRR是指在一定温度范围内,是指在一定温度范围内,温度改变温度改变1 1度时,电阻值度时,电阻值的平均相对变化量的平均相对变化量1、纯金属v纯金属的电阻是自由电子与晶格的振动相互碰撞引起纯金属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,其金属的电阻率散射而产生的,其金属的电阻率M。用下式表示。用下式表示2222nqvmnqmM式中,式中,m
8、m为电子质量;为电子质量;n n为电子的浓度;为电子的浓度;为电子的平均自由时间,为电子的平均自由时间,为电子的平均自由行程长度;为电子的平均自由行程长度;为电子的平均运动速度。为电子的平均运动速度。金属电阻率与温度的关系金属电阻率与温度的关系ATM纯金属的电阻率与温度成正比,其电阻温度系数可表示为纯金属的电阻率与温度成正比,其电阻温度系数可表示为TR1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。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。2、合金材料v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
9、,使自由电子的散射几率增加。其结果是合金的电阻周期性排列,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。用式子表示为:率比纯金属的电阻率高。用式子表示为:=0+iv合金的电阻率与温度的关系为:合金的电阻率与温度的关系为:=A(B+T)v合金材料的电阻温度系数为:合金材料的电阻温度系数为:由该式可以看出,合金的电阻温度系数比纯金属的小,一般要小由该式可以看出,合金的电阻温度系数比纯金属的小,一般要小12个量级。个量级。TBR13、金属和合金薄膜电阻材料v金属和合金薄膜电阻材料简称金属膜,一般用真空蒸发、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、化学沉积等方法制的
10、。根据微观分析,这种金属溅射、化学沉积等方法制的。根据微观分析,这种金属膜一般有下列三种结构: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。为十几埃左右。没有择优取向的多晶结构。其晶粒较大。没有择优取向的多晶结构。其晶粒较大。择优取向的多晶结构。择优取向的多晶结构。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。成三种情况加以考虑。厚度大于厚度大于100nm100nm。厚度为厚度为100nm100nm以下到几十纳米
11、。以下到几十纳米。厚度在几纳米到几十纳米之间。厚度在几纳米到几十纳米之间。4、合成型电阻材料、合成型电阻材料v用颗粒形成的导电材料加上绝缘的填充料和粘结剂组成用颗粒形成的导电材料加上绝缘的填充料和粘结剂组成的电阻材料的电阻材料,人们常称它为合成型电阻材料。这类材料常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。善合成物的性能。5、半导体电阻材料、半导体电阻材料v一些金属氧化物、化合物和盐,在配料、成型和烧结时加入一些金属氧化物、化合物和盐,在配料、成型和烧结时加入杂质,或让它们的化学比失配,
12、或出现缺氧和剩氧,或出现杂质,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:的电阻率与温度的关系可用下式表示:Tue0式中,式中,u u为常数,它与材料中载流子的激活能有关。半导体中的载流子浓为常数,它与材料中载流子的激活能有关。半导体中的载流子浓度与温度有关温度升高载流子浓度增加,电阻率降低。度与温度有关温度升高载流子浓度增加,电阻率降低。其电阻率温度系数用下式表示:其电阻率温度系数用下式表示:2Tu从上式看出,半导体电阻材料的电阻率温度系数为负值。从上式
13、看出,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电阻材料的电压特性v在外加电压下,电阻材料的电阻值一般是线性的,即是说在在外加电压下,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。v出现非线性的原因很多,集中起来主要有出现非线性的原因
14、很多,集中起来主要有两点两点:一是在不均匀: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。些地方局部过热,引起局部温度升高,间隙电阻下降。v电阻的电压系数
15、电阻的电压系数(VCR)是指在规定的电压范围内,电压每改变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:,电阻值的平均相对变化。可用下式表示:12112VVRRRK式中,式中,V2为额定电压为额定电压;V1=0.1V2;R1和和R2分别是在电压为分别是在电压为V1和和V2下测得阻值下测得阻值有时也用另一个电压系数的定义,即在规定电压范围内,电阻值有时也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:的相对变化。即:112RRRK由于阻值随着电压增高而下降,因此电压系数总是负的。它常用电由于阻值随着电压增高而下降,因此电压系数总是负的。它常用电压系
16、数测量仪直接测量。压系数测量仪直接测量。3.1.5 电阻材料噪声电阻材料噪声v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:热噪声音和电材料的一项重要性能。电阻材料的噪声主要有两种:热噪声音和电流噪声。流噪声。v热噪声是自由电子不规则的热运动,使电阻体的任意两点间发生电热噪声是自由电子不规则的热运动,使电阻体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,其热噪声的均方根值用压的不规则起伏,它与电阻值和温度有关,其热噪声的均方根值用下式表示:下式表示:式中,式中,为玻耳越
17、曼常数;为玻耳越曼常数;T为热力学温度;为热力学温度;R为电阻值;为电阻值;f为频宽。为频宽。v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。其电流噪声的均方值可用以下经验公式表示的起伏。其电流噪声的均方值可用以下经验公式表示 式中,式中,K是常数;是常数;V是外加电压:是外加电压:R是电阻;是电阻;f是频宽;是频宽;f是频率。是频率。fkRTeT4ffRKVei23.2 线绕电阻材料线绕电阻材料3.2
18、.1 线绕电阻材料的特点和要求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。金线绕在绝缘的骨架上可以制成线绕电阻器和电位器。其特点如下:耐热性优、温度系数小、质轻、耐短时其特点如下:耐热性优、温度系数小、质轻、耐短时间过负载、低杂音、阻值经年变化小。间过负载、低杂音、阻值经年变化小。优点优点:功率大功率大缺点缺点:有电感,体积大,不宜作阻值较大的电阻有电感,体积大,不宜作阻值较大的电阻 电阻合金线通常用元素周期表中过渡族的金属(如铜、银、金、电阻合金线通常用元
19、素周期表中过渡族的金属(如铜、银、金、铬、锰等)组成合金后,经拉伸而成。电阻合金线使用的场合不铬、锰等)组成合金后,经拉伸而成。电阻合金线使用的场合不同,对它的要求也不一样。同,对它的要求也不一样。3.2.2 贱金属电阻合金线贱金属电阻合金线 贱金属合金线中,目前常用的有锰铜线、康铜线、镍铬线、镍铬贱金属合金线中,目前常用的有锰铜线、康铜线、镍铬线、镍铬基多元合金线等。表基多元合金线等。表3.2.23.2.2(P99)P99)列出了上述线制的品种、牌号、主要列出了上述线制的品种、牌号、主要化学成分、性能指标和用途。化学成分、性能指标和用途。锰铜线是锰铜线是“铜铜(Cu)(Cu)、锰、锰(Mn)
20、(Mn)金属元素为主,适量加一点硅金属元素为主,适量加一点硅(si)(si)、锗锗(Ge)(Ge)元素而制成合金后,经拉制而成。其主要特点是电阻稳定性好,元素而制成合金后,经拉制而成。其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。因其所使用电阻温度系数小,具有中等的电阻率和良好的电器性能。因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。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。3.2.2 贱金属电阻合金线贱金属电阻合金线 康铜线的优点是耐热性好,使用温度范围宽大,但电阻温度系数康铜线的优点是耐热性好,使用温度范围宽大,但电阻温度
21、系数大,适宜作大功率的中、低阻值的线绕电阻器和电位器。镍铬合金大,适宜作大功率的中、低阻值的线绕电阻器和电位器。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。位器。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、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
22、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。和电位器。3.2.3 3.2.3 贵金属电阻合金线贵金属电阻合金线 贵金属电阻合金线主要有铂基合金、钯基合金、金基合金和银贵金属电阻合金线主要有铂基合金、钯基合金、金基合金和银基合金等。这类贵金属电阻合金线具有很好的化学稳定性、热稳基合金等。这类贵金属电阻合金线具有很好的化学稳定性、热稳定性和良好的电性能,因此它是精密线绕电阻器和电位器的重要定性和良好的电性能,因此它是精密线绕电阻器和电位器的重要材料。表材料。表3.2.33.2.3(P100)P100)列出了典型贵金属电阻
23、合金线的名称、成列出了典型贵金属电阻合金线的名称、成分及主要技术指标。分及主要技术指标。贵金属电阻合金线在某些方面虽然比锰铜、康铜、镍铬、镍铬贵金属电阻合金线在某些方面虽然比锰铜、康铜、镍铬、镍铬基电阻合金线优越,但由于价格昂贵,至今还没有广泛应用,只基电阻合金线优越,但由于价格昂贵,至今还没有广泛应用,只用它制造了一些特殊用途的电阻器和电位器。例如,用于工作环用它制造了一些特殊用途的电阻器和电位器。例如,用于工作环境恶劣和要求较高的军工、航天、航海、化工等部门的精密线绕境恶劣和要求较高的军工、航天、航海、化工等部门的精密线绕电阻器和电位器。电阻器和电位器。v电阻合金线有裸线和漆包线两类。漆包
24、线又可分为油性漆包线、电阻合金线有裸线和漆包线两类。漆包线又可分为油性漆包线、高强度聚酯漆包线。油性漆包线具有优良的耐潮性能,但耐温高强度聚酯漆包线。油性漆包线具有优良的耐潮性能,但耐温性能较差,其长期使用温度为性能较差,其长期使用温度为105105。高强度聚酯漆包线具有。高强度聚酯漆包线具有良好的弹性、附着力好、电性能和耐溶剂性好,可以在良好的弹性、附着力好、电性能和耐溶剂性好,可以在130130下长期工作。下长期工作。v随着科技水平的不断提高,要求电阻器和电位器向高精度、高随着科技水平的不断提高,要求电阻器和电位器向高精度、高稳定、高可靠、长寿命、小型化、高速、高阻、低阻、使用温稳定、高可
25、靠、长寿命、小型化、高速、高阻、低阻、使用温度范围更宽等方向发展,因而希望有一批能适应这些要求的电度范围更宽等方向发展,因而希望有一批能适应这些要求的电阻合金线推向市场。阻合金线推向市场。3.3 薄膜电阻材料薄膜电阻材料v在绝缘基体上(或基片上)用真空蒸发、溅射、化学沉积、热在绝缘基体上(或基片上)用真空蒸发、溅射、化学沉积、热分解等方法制得的膜状电阻材料,其膜厚一般在分解等方法制得的膜状电阻材料,其膜厚一般在lumlum以下,人们以下,人们常称它为薄膜电阻材料。常称它为薄膜电阻材料。v它的特点是体积小、阻值范围宽、电阻温度系数小、性能稳定、它的特点是体积小、阻值范围宽、电阻温度系数小、性能稳
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