Материалы высокого сопротивления: резистивные материалы

Резистивные материалы должны обладать не только высокими удельным сопротивлением, стабильностью и коррозионной устойчи­востью, но и малым ТКρ. Коэффициент термо-э.д.с. для высокоомных проводников в контакте с медью должен быть минимальным, чтобы в измерительных схемах не возникали паразитные разности потенциалов, связанные с разностью температур контактов рези­стора с медными проводниками. Особенно важно выполнять это требование по отношению к материалам, предназначенным для из­готовления прецизионных и образцовых резисторов.

Выбор того или иною типа резистивного материала зависит от номинального сопротивления резистора, его назначения и условии эксплуатации. Резистивный материал можно применять в виде про­волоки различного диаметра или пленок различной толщины, на­несенных на диэлектрические основания. В отличие от материалов высокой проводимости (чистых металлов) резистивные материа­лы—это в основном сплавы, имеющие заметно деформированную кристаллическую решетку, что характерно для твердых рас­творов металлов (рис. 6.1).

Помимо сплавов все большее значение в качестве резистивных приобретают высокоомные материалы на основе соединений метал­лов: оксидов, силицидов, карбидов, многие из которых .обладают весьма малыми и близкими к нулю, значениями ТКρ.

Эффект повышения удельного сопротивления материалов наблю­дается также при нанесении их в виде тонких пленок с весьма мелкозернистой структурой. Удельное поверхностное сопротивление пленок ρh вычисляют по формуле

                                               (6.1

где ρh - сопротивление квадратного участка пленки площадью 1·10^-4 м² при прохождении тока параллельно поверхности пленки, Ом; ρ - объемное сопротивление материала пленки, Ом·м; h - толщина пленки, м.

Чем тоньше пленка металла, тем выше ее поверхностное сопро­тивление и ниже значение ТКρh. Однако с уменьшением толщины пленки ухудшается воспроизводимость и стабильность ее параметров, снижается надежность резисторов. Это является препятствием к использованию металлических пленок резистивных материалов (тантала, ниобия, нихрома и др.) тоньше 0,05-0,08 мкм. При увеличении толщины пленки ее характеристи­ки стремятся к соответствующим характеристикам массивного ма­териала и использование таких пленок и качестве резистивного ма­териала мало эффективно.

Для получения особо высоких значений удельного сопротивле­ния применяют сочетание обоих факторов, т. е. материалы, имеющие высокое сопротивление в массивном состоянии (сплавы, окси­ды, силициды и др.), используют в тонкопленочном или весьма мелкозернистом виде.

Дополнительные требования предъявляют к особой группе резистивных материалов — к материалам для нагревательных эле­ментов. Эти элементы типа накаливаемой спирали самого разно­образного назначения и конструктивного исполнения используют­ся в технике и в быту для получения в условиях атмосферы ста­бильных высоких температур (часто свыше 1000°С). Таким требованиям отвечают нагревостойкие сплавы. Способность длительно работать в атмосфере при высокой температуре определяется не только свойствами самого жаростойкого сплава, но и свойствами образующихся на его поверхности оксидов. Желательно, чтобы оксиды были нелетучими, плотными и препятствовали дальнейше­му окислению материала вглубь. Легко улетучиваются на воздухе, например, оксиды вольфрама и молибдена, из-за чего эти весьма тугоплавкие металлы не могут работать в накаленном состоянии и условиях атмосферы. «Живучесть» нагревательных элементов значительно сокращают также такие факторы, как колебания диа­метра проводника по длине или колебания его состава. В местах с повышенным сопротивлением элемент перегревается и выходит из строя.

Все рассмотренные резистивные материалы, используемые для приборов широкого применения, должны быть дешевыми и не со­держать дефицитных компонентой.