Полупроводниковый керамический материал для терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления

 

Изобретение относится к области радиоэлектронной техники и может быть использовано для изготовления терморезисторов (ТР) с отрицательным ТКС различного конструктивного исполнения и функционального назначения. Предложенный материал, обладая повышенной стойкостью к тепловым и электрическим нагрузкам, обеспечивает широкие пределы значений удельного сопротивления от единиц до тысяч Ом·см при отрицательном (ТКС₂₅) не менее 3,4%/К. Указанные электрические параметры, согласно изобретению, обеспечиваются тем, что в качестве материала ТР использован твердый раствор со структурой кристаллической решетки типа шпинели, отвечающий формуле: CO_3-x-y-zMn_zM_yCr_xO₄, где М - один из ряда Сu, Fe, Mg; 0,9≅z<1,5,00,5,0<x<0,2, причем х+y+z≅2. Применение материала позволяет, в частности, изготовить мощные дисковые ТР с номинальным сопротивлением от 0,5 Ом до ед. кОм при отрицательном (ТКС₂₅), не менее 3,4%/К, предназначенных для защиты от пусковых токов импульсных источников питания, источников питания мониторов и дискетов с ЭЛТ, цветных телевизоров, видеомагнитофонов, ламп накаливания и других сильноточных устройств. 1 табл.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении терморезисторов (ТР) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

ТР широко используются в технике в режимах слабых и сильных токов. К числу сильноточных применений ТР относится их возможное использование в качестве пусковых элементов.

Широко известны и применяются для массового производства различных типов ТР полупроводниковые материалы на основе двойных и тройных окислов марганца, кобальта, никеля и меди [1] Большая номенклатура составов позволяет в широких пределах варьировать удельное сопротивление от единиц до 10⁶ Ом.см. при ТКС₂₅ от -2 до -(5^oC6)% /К.

Однако, при этом соблюдается закономерность: большой ТКС соответствует материалам с большим ρ₂₅; чем меньше ρ₂₅; тем меньше ТКС. Для материалов c /TKC₂₅/≥3,4%/K-ρ₂₅>10³Oм·cм.. Кроме того, эти материалы, как правило, неоднофазны, что заметно снижает стойкость керамики, спеченной из этих материалов, и электрическим и тепловым нагрузкам.

Известен материал для ТР со структурой кристаллической решетки типа шпинели, выполненный в виде твердого раствора содержащего марганец и катионы, выбранные из ряда кобальт, никель, медь, хром и цинк [2] Недостатком этого материала является относительно высокое удельное сопротивление составов с большим ТКС (ρ₂₅>5000 Oм·cм.) В том случае, когда удельное сопротивление мало (ρ₂₅<15 Oм·cм.) ТКС снижается до недопустимо малых значений [(ТКС₂₅)<3,4%К] В качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности к изобретению, выбран материал, выполненный в виде твердого раствора с кристаллической структурой типа шпинели, с общей формулой: Co_3-x-y-zNi_xCu_yMn_zO₄, (1) где 0,05≅x≅0,40 0,01≅y≅0,50 0,95≅z≅1,50, причем x+y+z≅2. (3) Обладая достаточно высоким ТКС, необходимой стойкостью керамики к тепловым и электрическим нагрузкам, материал-прототип не охватывает всего спектра номинальных значений ρ₂₅, необходимых для производства серии ТР, предназначенных для пусковых защитных элементов.

Настоящее изобретение решает задачу по созданию материала, обладающего стойкостью к тепловым и электрическим нагрузкам, обеспечивающего широкие пределы значений удельного сопротивления от ≈10 Ом.см. до ≈ ед. кОм. см. при отрицательном (ТКС₂₅)≥3,45%К.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый материал, выполненный в виде твердого раствора с кристаллической структурой типа шпинели, содержащей катионы кобальта и марганца дополнительно содержит хром и катион, выбранный из ряда медь, железо, магний, с общей формулой:
CO_3-x-y-zMn_zM_yCr_xO₄, (2)
где М один из ряда Сu, Fe, Mg.

0,9≅z≅1,5
0<y≅0,5
0<x≅0,2, причем х+y+z≅2.

Заявленный материал образует ряд твердых растворов со структурой кристаллической решетки типа кубической шпинели, его удельное сопротивление целиком определяется катионным составом и лежит в расширенных, по сравнению с прототипом, пределах при одновременном увеличении значения ТКС. Примеры зависимости электрических свойств от катионного состава заявляемого материала приведены в таблице.

В качестве исходных материалов используют углекислые соли кобальта, меди и марганца, окислы хрома, магния и железа.

Исходные реактивы в соответствии со структурой формулой смешиваются, подвергаются предварительному синтезу при 700^oC, а затем высокотемпературному обжигу при 1150-1250^oC.

Рентгенофазовый анализ подтверждает образование однофазного материала с кристаллической структурой типа кубической шпинели.

В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим состав, отвечающий средним значением содержания компонентов:
CO_1,35Mn_1,30Cu_0,30Cr_0,05 (3)
Для получения состава по формуле (3) берут 154,19 г углекислого основного кобальта ГОСТ 5407-78; 161,11 г марганца углекислого основного ГОСТ 7205-77; 34,11 г меди углекислой основной ГОСТ 8927-71; 3,64 г окиси хрома ТУ 6-09-4272-76. Реактивы смешивают в шаровой мельнице "мокрым" способом в течение 20 час. Полученную смесь высушивают в термостате при 100-120^oC. Высушенный порошок подвергают изотермическому обжигу (предварительный синтез) в течение 4 часов, охлаждают в режиме естественного остывания печи. После этого материал вновь подвергают "мокрому" помолу в течение 20 часов и высушивают при 100-120^oC. Для приготовления пресс-порошка шихту смешивают с органической связкой (5% -раствор поливинилового спирта) в количестве 20% от веса шихты. Из пресс-порошка методом прессования изготавливают заготовки терморезисторов необходимой формы и размеров. Заготовки обжигают при 1050^oC в течение 2 часов. После высокотемпературного синтеза материал представляет собой практически однофазный твердый раствор со структурой кристаллической решетки типа кубической шпинели. Его ρ₂₅= 25 Oм·cм. при ТКС₂₅=-3,49%/К.

Изобретение может быть применено для изготовления всевозможных типов ТР с широким спектром электрических параметров и в различном конструктивном оформлении. В частности, он может быть использован для производства мощных дисковых ТР с номинальным сопротивлением от 0,5 до единиц кОм при отрицательном , предназначенных для защиты от пусковых токов импульсных источников питания, источников питания мониторов и дисплеев с электронно-лучевыми трубками, цветных телевизоров, видеомагнитофонов, ламп накаливания и других сильноточных устройств.

Формула изобретения

Полупроводниковый керамический материал для терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), выполненный в виде твердого раствора с кристаллической структурой, типа шпинели, содержащей катионы кобальта и марганца, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром и катион, выбранный из ряда: медь, железо, магний с общей формулой
Co_3-x-y-z Mn_z My Cr_xO₄,
где М один из ряда Cu, Fe, Mg;
0,9≅z≅1,5;
0<y≅0,5;
0<x≅0,2,
причем x+y+z≅2.

РИСУНКИ

Рисунок 1