第三章 電阻材料

第三章電阻材料第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3薄膜電阻材料2線繞電阻材料1電阻材料慨述4厚膜電阻材料本章內(nèi)容第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻材料是指常用的電阻器、片式電阻器、混合集成電路中的薄膜和厚膜電阻器、可變電阻器和電位器等所用的電阻體材料。主要包括線繞電阻材料、薄膜電阻材料和厚膜電阻材料。電阻器是二個(gè)引出線其阻值固定不變。電位器是三個(gè)引出線中間線頭為內(nèi)部滑動(dòng)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)軸時(shí)中間線頭與兩端線頭阻值變化，其轉(zhuǎn)角與阻值變化特性分：線性（X），指數(shù)（Z），對(duì)數(shù)（D），無軸者稱可調(diào)電阻。）第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1電阻材料慨述

3.1.1電阻、電阻器和電阻單位電阻是材料在一定程度上阻礙電流流通，并將電能轉(zhuǎn)變成熱能的一種物理性質(zhì)。對(duì)于某導(dǎo)體，如果在導(dǎo)體兩端加上的電壓為v、流過的電流為I，則其導(dǎo)體的電阻R可用下式表示：

R=V/I第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月將電阻材料做成具有一定形狀、結(jié)構(gòu)的實(shí)體元件、常稱它為電阻器或電阻元件。電阻器在電子設(shè)備中主要功能是調(diào)節(jié)和分配電能。在電路中常作分壓、調(diào)壓、分流、消耗電能的負(fù)載以及濾波元件等。第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月在實(shí)際應(yīng)用中，常將電阻材料作成線狀、箔狀、薄膜狀、厚膜狀、棒狀(塊狀)及片狀。用這類形狀的電阻材料所做成的電阻器。則相應(yīng)稱為線繞電阻器、合金箔電阻器、薄膜電阻器、厚膜電阻器、實(shí)心電阻器及片式電阻器。

電阻器有固定電阻器、可變電阻器和電位器之分。固定電阻器的阻值是不可調(diào)的，可變電阻器和電位器的阻值是可調(diào)的，其區(qū)別是可變電阻器是兩端元件，電位器是四端元件。第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2電阻率和膜電阻導(dǎo)體的電阻值決定于導(dǎo)電材料的性質(zhì)和幾何尺寸，對(duì)于橫截面積恒定的導(dǎo)體，其電阻R用下式表示:R=

L/s

對(duì)于薄膜電阻材料，由于膜比較薄，電阻率常不是一個(gè)常數(shù)，隨膜厚而變化，故常用膜電阻表示薄膜電阻材料電阻的大小。膜電阻Rs用下式表示：Rs=

/dd為膜的厚度,Rs是指長(zhǎng)寬相等的一塊薄膜電阻,即1方的電阻,所以有稱之為方阻。材料的電阻率是決定該材料是導(dǎo)體、或是半導(dǎo)體和絕緣體的主要依據(jù)。材料的電阻率與材料的種類和結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與環(huán)境條件有關(guān)，如溫度、壓力、濕度等。第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3電阻與溫度的關(guān)系所有材料的電阻率都是溫度的函數(shù)，除了熱敏電阻器和一些特殊要求的電阻器而外，作為電阻器和電位器的電阻材料總是希望電阻值隨溫度的變化越小越好。為了評(píng)定電阻器對(duì)溫度的穩(wěn)定性，常用電阻溫度系數(shù)來表。電阻溫度系數(shù)是表示溫度每改變1℃時(shí)電阻值的相對(duì)變化量，可用下式表示：

R=dR/RdT平均電阻溫度系數(shù)是指在一定溫度范圍內(nèi)，溫度改變1℃時(shí)，電阻值的平均相對(duì)變化量。第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻材抖的電阻值也是溫度的函數(shù)，不同電阻材料，由于導(dǎo)電機(jī)理不同,它們的電阻

溫度關(guān)系也有所不同。

1純金屬它的電阻是自由電子與晶格的振動(dòng)相互碰撞引起散射而產(chǎn)生的。當(dāng)溫度增加時(shí)，電子平均運(yùn)動(dòng)速度增加，單位時(shí)間碰撞次數(shù)增多，電子平均自由時(shí)間減少，電子的平均自由行程長(zhǎng)度也相應(yīng)縮短，因而電阻率增加?？捎孟率奖硎窘饘匐娮杪逝c溫度的關(guān)系：

M=AT

純金屬的電阻溫度系數(shù)為正值，而且隨著溫度的增加而下降。在室溫附近金屬的電阻溫度系數(shù)為3~6x10-3/0C第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2．合金材料由于在金屬中加入了其他金屬雜質(zhì)原子之后，破壞了原來晶格的周期性排列，使自由電子的散射幾率增加。其結(jié)果是合金的電阻率比純金屬的電阻率高?？捎孟率奖硎荆?/p>

=０+i

式中，為合金的電阻率；０為純金屬的電阻率；i為雜質(zhì)散射增加的電阻率。合金電阻率中，０與溫度有關(guān)，i與溫度無關(guān)，所以合金的電阻率與溫度的關(guān)系可用下式表示：=A(B+T),B是與雜質(zhì)有關(guān)的常數(shù)

合金的電阻溫度系數(shù)比純金屬小，一般要小1~2個(gè)量級(jí)。第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月為了提高金屬和合金電阻材料的電阻率和降低電阻溫度系數(shù)，常采用如下一些措施：盡量采用合金、多元合金，有溫度系數(shù)補(bǔ)償雜質(zhì)的合金；把金屬和合金做成線材、薄膜、厚膜或箔狀；在金屬和合金粉狀材料中加入絕緣填充料，用有機(jī)或無機(jī)粘結(jié)劑制成合成型電阻材料；將金屬和合金氧化物或與其他非金屬材料組成化合物等。第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3金屬和合金薄膜電阻材料金屬和合金薄膜電阻材料簡(jiǎn)稱金屬膜，一般用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)沉積等方法制得根據(jù)微觀分析，這種金屬膜一般有下列三種結(jié)構(gòu)：①無定形結(jié)構(gòu)薄膜由致密的無定向的極小顆粒組成，顆粒的尺寸通常為十幾埃左右。這些無定形結(jié)構(gòu)的電子衍射花樣圖是一些彌散環(huán)。②沒有擇優(yōu)取向的多晶結(jié)構(gòu)。其晶粒較大。這種結(jié)構(gòu)的衍射花樣圖為一些邊緣清晰的圓環(huán)，即清銳環(huán)。如果膜較薄，也出現(xiàn)彌散環(huán)，隨著膜層變厚，衍射環(huán)從彌散變化到清銳。③擇優(yōu)取向的多晶結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的薄膜基本上由大尺寸晶體組成，晶粒相對(duì)于基體有擇優(yōu)取向，通常都是晶粒原子排列整齊呈致密的表面，與基體表面平行，具衍射花樣圖為斷續(xù)的清銳環(huán)。第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月其金屬膜的結(jié)構(gòu)和性能跟薄膜的厚度有很大關(guān)系。一般把它分成三種情況加以考慮。①厚度大于100nm。這種薄膜呈連續(xù)狀結(jié)構(gòu)，其電性能與塊狀金屬接近，有較小的電阻率和正的電阻溫度系數(shù)，其密度比塊狀金屬小，晶格也不如塊金屬完整，雜質(zhì)玷污較多，薄膜表面對(duì)電子還存在一定的散射，所以電阻率高于同類塊狀金屬材料。②厚度為100nm以下到幾十納米。這種薄膜基本上是連續(xù)的，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些孔隙、溝道，形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其電阻率隨厚度的減小逐漸增大，而電阻溫度系數(shù)逐漸減小面接近于零。③厚度在幾納米到幾十納米之間、薄膜呈不連續(xù)的島狀結(jié)構(gòu)，其電阻率隨厚度減小急劇增大，電阻溫度系數(shù)變成負(fù)值而且負(fù)得更大，電阻率與溫度的關(guān)系非常類似于半導(dǎo)體材料。第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬中加入的其他金屬稱為金屬雜質(zhì)，它會(huì)增加電子的散射。如果不考慮其他散射的影響，其金屬膜的電阻率可用下式表示:=聲(T)+雜加入雜質(zhì)后電阻率增大了，而電阻溫度系數(shù)卻變小了，因?yàn)殡s質(zhì)散射引起的電阻與溫度無關(guān)。如果加入雜質(zhì)不是形成固溶體而是形成混合物，其電阻率為：混合=C1

1+C2

2C1,C2分別為兩種金屬元素的體積分?jǐn)?shù)，1和2分別為金屬1和金屬2的電阻率，它們的電阻宰溫度系數(shù)混合為

第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月在金屬薄膜中，除了晶格熱振動(dòng)和雜質(zhì)散射引起的電阻之外，還有其他缺陷如填隙原子、空格點(diǎn)、位錯(cuò)和晶界等，也對(duì)電子有散射作用，從而對(duì)電阻也有貢獻(xiàn)。

晶界影響較為突出。金屬薄膜大多數(shù)都是多晶結(jié)構(gòu)，多晶中小晶粒相互交界的地方叫晶粒界間。晶粒界間是一種過渡區(qū)域。它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)跟晶粒本身有很大的不同，晶粒間界處的原子處在應(yīng)力狀態(tài)，它比內(nèi)部原子有較高的能量，比叫容易離開平衡位置；晶粒間界處的熔點(diǎn)比內(nèi)部低，同時(shí)晶粒間界處有吸引雜質(zhì)的作用。若這些雜質(zhì)和氧的親和力較大，則在空氣中晶粒間界處容易形成氧化層。另外，晶粒間界處也會(huì)吸引空格點(diǎn)，間界處的原子排列也會(huì)不規(guī)則。這樣就破壞了完整晶體原子排列的周期性，破壞了周期性勢(shì)場(chǎng)，使電子遭到散射，故電阻率會(huì)提高。第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月表面散射也是很重要的。這是因?yàn)槿魏伪砻娼缦薅紩?huì)破壞晶格的周期性勢(shì)場(chǎng)，特別是當(dāng)金屬薄膜的厚度與電子的平均自由行程長(zhǎng)度相近時(shí)更為突出。薄膜表面的反射絕大多數(shù)處漫反射，隨著膜的厚度減少，對(duì)電子散射會(huì)加劇，因而電阻率會(huì)逐漸增大，電阻溫度系數(shù)也會(huì)逐漸變小到趨于零。第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月4．合成型電阻材料用顆粒形的導(dǎo)電材料加上絕緣的填充料和粘結(jié)劑組成的電阻材料，人們常稱它為合成型電阻材料。這類材料常用改變導(dǎo)電顆粒種類、多少、顆粒的粗細(xì)、分散性來改善合成物的性能。圖3.1.2為導(dǎo)電合成物的斷面圖。圖中，打圓圈的為導(dǎo)電顆粒，它們?cè)诤铣晌镏谢ハ嘟佑|組成連續(xù)的導(dǎo)電鏈。它們有的也可分散在合成物中，其中一些相互靠得很近很近，靠隧道效應(yīng)形成間隙導(dǎo)電。圖中的白塊為填充料，空隙為粘結(jié)劑。合成物中的鋁箔劑和填充料等均屬絕緣材料，它們組成絕緣回路。該合成物的等效電路如圖3．13所示。Rn為導(dǎo)電顆粒本身的電阻；Rk為導(dǎo)電顆粒之間的接觸電阻；Rb為導(dǎo)電顆粒之間的間隙電阻；Ca為間隙電容；Rc為絕緣電阻。所以整個(gè)導(dǎo)電合成物的電阻值可以表示為：第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.1.3中鏈狀回路是導(dǎo)電顆粒相互接觸組成的導(dǎo)電鏈。隨著單位體積導(dǎo)電粒數(shù)增加，導(dǎo)電鏈的條數(shù)增多，導(dǎo)電鏈相并聯(lián)，合成物的電阻減小。隨著導(dǎo)電顆粒的密度減小，導(dǎo)電鏈的條數(shù)減少，有的形成間斷鏈，許多導(dǎo)電顆粒分?jǐn)?shù)在粘結(jié)劑、填充料等絕緣材料中，所以合成物的電阻會(huì)增大。一條導(dǎo)電鏈的電阻是由多個(gè)導(dǎo)電顆粒的電阻Rn和這些顆粒之間的接觸電阻Rk串聯(lián)組成的，多條導(dǎo)電鏈組成并聯(lián)回路。間斷回路中，一些間斷導(dǎo)電鏈之間存在著極薄的介質(zhì)間隙，分散的導(dǎo)電顆粒之間也存在著一種極薄的介質(zhì)間隙層，它們?cè)谝欢妶?chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，形成間隙導(dǎo)電，有的則稱稱電子越過勢(shì)壘導(dǎo)電。用等效電路表示為一些介質(zhì)間層的電阻Ra和介質(zhì)間層的電容C并聯(lián)，再與導(dǎo)電顆粒的電阻Rn串聯(lián)，多個(gè)間斷回路相并聯(lián)。絕緣回路由粘結(jié)劑、填充料等的絕緣電阻組成，其絕緣電阻用Rc表示。一般情況廠絕緣電阻Rc的阻值很大，可以視為開路。因此，整個(gè)合成物中實(shí)際起導(dǎo)電作用的，主要是鏈狀回路和間斷回路。所以整個(gè)導(dǎo)電合成物的電阻值可以表示為：第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月5．半導(dǎo)體電阻材料一些金屬氧化物、化合物和鹽，在配料、成型和燒結(jié)時(shí)加人雜質(zhì)，或讓它們的化學(xué)比失配，或出現(xiàn)缺氧和剩氧，或出現(xiàn)空格點(diǎn)，用這種方法制得的電阻材料常顯示半導(dǎo)體特性。它們的電阻率與溫度的關(guān)系可用下式表示：式中u為常數(shù)，它與材料中載流子的激活能有關(guān)。半導(dǎo)體中的載流于濃度與溫度有關(guān)。溫度升高載流于濃度增加，電阻率降低。其電阻率溫度系數(shù)用下式表示：半導(dǎo)體電阻材料的電阻率溫度系數(shù)為負(fù)值第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.4電阻材料的電壓特性在外加電壓下，電阻材料的電阻值一般是線性的。即是說，在電阻材料的兩端加上的電壓跟流過的電流成正比，符合歐姆定律，其阻值與電壓無關(guān)。但由于電阻材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、不致密、不連續(xù)、接觸不良、存在缺陷、顆粒分散不均，因而會(huì)出現(xiàn)非線性。第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月出現(xiàn)非線性的原因很多，主要有兩點(diǎn)：一是在不均勻系統(tǒng)存在有間隙，間隙很窄而電阻卻很大，此間隙上電壓降會(huì)很高，形成局部很高的電場(chǎng)，致使電阻值降低，出現(xiàn)阻值的非線性。二是由于顆粒相互接觸時(shí)，接觸點(diǎn)處的橫截面積極其狹窄，在外加電壓下。這些狹窄部分電流密度過大，就會(huì)造成這些地方局部過熱，引起局部溫度升高，間隙電阻下降。以上兩種情況那是電壓升高電阻下降，而且是一種瞬時(shí)效應(yīng)，為了評(píng)定電阻材料的非線性，常用電壓系數(shù)和測(cè)量電阻的二次諧波來衡量電阻非線性的大小。第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻的電壓系數(shù)(VCR)是指在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)、電壓每改變1V，電阻值的平均相對(duì)變化。可用下式表示：式中，V2為額定電壓；V1=0.1V2；R1和R2分別是在電壓為V1和V2下測(cè)得的阻值。有時(shí)用另一個(gè)電壓系數(shù)的定義，即在規(guī)定電壓范圍內(nèi)，電阻值的相對(duì)變化，即電阻值一般都隨著電壓升高而下降，因此，電壓系數(shù)總是負(fù)值。第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.5電阻材料噪聲電阻材料的噪聲是電阻材料中一種不規(guī)則的電壓起伏，它也是電阻材料的一項(xiàng)重要性能。電阻材料的噪聲主要有兩種：

熱噪聲是自由電子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。使電阻值的任意兩點(diǎn)間發(fā)生電壓的不規(guī)則起伏，它與電阻值和溫度有關(guān)。

電流噪聲是由于電阻材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻而引起的，當(dāng)電阻材料通過電流時(shí)，由于接觸電阻的起伏，或載流子濃度的起伏而引起電壓的起伏。第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2線繞電阻材料3.2.1線繞電阻材料的特點(diǎn)和要求線繞電阻材料主要是指電阻合金線。用這些不同規(guī)格的電阻合金線繞在絕緣的骨架上可以制成線繞電阻器和電位器。電阻合金線通常用元素周期表中ⅠB、ⅥB、ⅦB、ⅧB族的金屬(如銅、銀、金、鉻、錳等）組成合金后，經(jīng)拉伸而成。這種合金線具有電阻率高、電阻溫度系數(shù)小、使用溫度范圍寬、耐熱性高、穩(wěn)定性好、噪聲小、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。它是制造線繞電阻器和線繞電位器的繞組材料。電阻合金線使用的場(chǎng)合不同，對(duì)它的要求也不一樣。第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月賤金屬合金線中，目前常用的有錳銅線、康銅線、鎳鉻線、鎳鉻基多元合金線等

(1)錳銅線主要特點(diǎn)是電阻穩(wěn)定性好，電阻溫度系數(shù)小，具有中等的電阻率和良好的電器性能。固其所使用溫度范圍窄，只宜作室溫范圍內(nèi)的中、低阻值的精密線繞電阻器。

(2)康銅線的優(yōu)點(diǎn)是耐熱性好，使用溫度范圍寬大，但電阻溫度系數(shù)大，適宜作大功率的中、低阻值的線繞電阻器和電位器。

(3)鎳鉻合金線具有較高的電阻率、良好的電性能和很寬的使用溫度范圍，但電阻溫度系數(shù)較大，一般用作制造中、高阻值的普通線繞電阻器和電位器。

(4)鎳鉻系多元合金線如鎳鉻鋁鐵、鎳鉻鋁銅、鎳鉻鋁錳硅、鎳鉻鋁釩、鎳鉬鋁錳硅、鎳錳鉻鋁等，它們的電阻率高、電阻溫度系數(shù)小、耐磨性好、對(duì)銅的熱電勢(shì)小，因此適宜作高阻值的精密線繞電阻器和電位器。3.2.2賤金屬電阻合金線第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月貴金屬電阻合金線主要有鉑基合金、鈀基合金、金基合金和銀基合金等。這類貴金屬電阻合金線具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和良好的電性能，因此它是精密線繞電阻器和電位器的重要材料。

3.2.3貴金屬電阻合金線第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月鉑、鈀為基的電阻合金線具有小的接觸電阻、低的噪聲電平、耐磨性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，很適宜制線繞電位器。但這類合金線的價(jià)格太貴，在含有有機(jī)物質(zhì)氣氛中工作時(shí)會(huì)生成“褐粉”，這是一種有機(jī)聚合物薄膜，具有絕緣性，使滑動(dòng)臂的接觸電阻增大，影響了接觸的穩(wěn)定性，從而使噪聲電平增高，因此限制了它的應(yīng)用。金基電阻合金線的接觸電阻穩(wěn)定、噪聲電平低，抗腐蝕能力強(qiáng)，特別對(duì)有機(jī)物質(zhì)的蒸氣有惰性，因此是一種很有前途的電阻材料，已作為鉑基、鈀基電阻合金線的良好代用品。銀基合金線的價(jià)格最便宜，并具有良好的電接觸性能，但它很容易被硫蒸氣和硫化氫氣體所腐蝕，生成硫化銀膜，造成接觸不良。另一方面，由于其強(qiáng)度不高、硬度較低、耐磨性差、壽命短，因而限制了它的使用。銀錳為基的電阻合金線有較好的使用價(jià)值。其中，銀錳錫電阻合金線因其電阻溫度系數(shù)低，對(duì)銅的熱電勢(shì)小，具有抗硫化和抗腐蝕的能力，常作為制造標(biāo)準(zhǔn)電阻器的繞組材料。第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻合金線有裸線和漆包線兩類。漆包線又可分為油性漆包線、高強(qiáng)度聚酯漆包線。

油性漆包線具有優(yōu)良的耐潮性能，但耐溫性能較差，其長(zhǎng)期使用溫度為105℃。

高強(qiáng)度聚酯漆包線具有良好的彈性、附著力好、電性能和耐溶劑性好，可以在130℃下長(zhǎng)期工作。第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3薄膜電阻材料在絕緣基體上(或基片上)用真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)沉積、熱分解等方法制得的膜狀電阻材料，其膜厚一般在1um以下，人們常稱它為薄膜電阻材料。它的特點(diǎn)是體積小、阻值范圍寬、電阻溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定、容易調(diào)阻、易于散熱、用料少、適合大量生產(chǎn)、應(yīng)用廣。特別適用于制造高頻、高阻、大功率、小尺寸、片式和薄膜集成式電阻器。第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)這類電阻材料的要求是：電阻率范圍寬，即能制高、中、低阻值的電阻器，電阻溫度系數(shù)小，電阻電壓系數(shù)小，噪聲電平低，使用溫度范圍寬，高頻性能好，穩(wěn)定性和可靠性高，工藝性能好。使用場(chǎng)合不同，對(duì)電阻材料還會(huì)有些特殊要求，如耐輻射、抗霉菌、耐鹽霧等。作為薄膜電阻材料的原料主要是：金屬、合金、金屬氧化物、金屬化合物、碳、碳化物、硅化物、硼化物等。按組成分類主要有：碳系薄膜、錫銻氧化膜、金屬膜、化學(xué)沉積金屬膜、鎳鉻系薄膜、金屬陶瓷薄膜、鉻硅薄膜、鉭基薄膜、復(fù)合電阻薄、其他電阻薄膜等。第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1碳膜3.3.1碳基薄膜氣態(tài)碳?xì)浠衔镌诟邷睾驼婵罩蟹纸?，碳沉積在瓷棒或者瓷管上，形成一層結(jié)晶碳膜。改變碳膜厚度和用刻槽的方法變更碳膜的長(zhǎng)度，可以得到不同的阻值。碳膜電阻成本較低，性能一般。碳膜電阻器成本低、性能穩(wěn)定、阻值范圍寬、溫度系數(shù)和電壓系數(shù)低，是目前應(yīng)用最廣泛的電阻器。第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

碳膜的結(jié)構(gòu)和性能跟原材料的種類、熱分解溫度和速度、基個(gè)表面狀態(tài)、碳膜的處理?xiàng)l件有關(guān)。在正常情況下，熱分解獲得的碳膜應(yīng)是致密而帶全屬光澤的類石墨結(jié)構(gòu)，石墨晶體是正六邊形結(jié)構(gòu)，碳原子排成彼此相互平行的乎面。平面內(nèi)原子間距離為0.142nm，平面間原子的距離為0.31nm。平面內(nèi)原子間顯金屬性導(dǎo)電，呈正的電阻溫度系數(shù)；平面間原子是靠范氏力聯(lián)系，所以垂直于原子面的電導(dǎo)很小。呈負(fù)的電阻溫度系數(shù)。碳膜的結(jié)構(gòu)類似于石墨多晶體結(jié)構(gòu)，它由許多小晶粒組成。每一個(gè)小晶粒像一個(gè)石墨的晶體，但原子平面比石墨晶體的原子平面尺寸小很多。而且其間的原子排列不夠整齊，再加上晶粒取向混亂，所以碳膜性能介于石墨晶體平行原子平面方向和垂直于原子平面方向之間，類似于多晶石墨。碳膜的性能跟晶粒的大小、晶粒取向、晶粒間隙以及晶界雜質(zhì)量有關(guān)。這些因素都與熱分解的溫度和速率、基體表面狀態(tài)有密切關(guān)系。第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2．硅碳膜硅碳膜是用含硅的有機(jī)化合物和碳?xì)浠衔锿瑫r(shí)熱分解而制成，也可用依次熱分解硅有機(jī)化合物和碳?xì)浠衔镏频谩?采用先熱分解正硅酸乙酯，使在基體表面上形成一層含硅碳層，作為底層，它具有填平基體表面、增加附著力的作用。該層熱分解溫度950~980℃，真空度為2Pa以上。接著用庚烷等熱分解，形成一層碳膜層，作為導(dǎo)電層，即為中阻或高阻層。熱分解溫度為1000℃，真空度同上。如要得到低阻層，可用苯熱分解得到。最后將六甲基二硅醚在850℃和同樣真空度下熱分解，形成含有SiO2的硅碳膜層作為保護(hù)層．這種方法制出的硅碳膜電阻率比碳膜高20％~30％。硅碳膜具有耐潮和耐腐蝕的特性。這種膜層的工作溫度和過負(fù)荷能力都有明顯的提高。)第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月硅碳層為三層結(jié)構(gòu)，即底層、中間層和最外層。

底層主要含有SiO2和C，其SiO2和基體玻璃相形成Si-O鍵、增加了硅碳膜對(duì)基體的附著力；

中間層為主要導(dǎo)電層，與純碳膜的結(jié)構(gòu)和性能類似；

最外層為保護(hù)層，主要含有SiO2和少量的SiC。SiO2是一種耐溫、耐潮和耐腐蝕的材料，它對(duì)主導(dǎo)電層起保護(hù)作用。同時(shí)SiO2

，是一種絕緣材料，它的晶粒滲入主導(dǎo)電層的晶粒間界中，對(duì)碳的晶粒起著隔離和增大間隙的作用，因而使整個(gè)膜層的電阻率增大。第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2金屬氧化膜金屬氧化膜種類很多。錫銻氧化膜是將錫銻鹵化物溶液噴涂到灼熱(700℃左右)的基體上，經(jīng)水解反應(yīng)而淀積出錫銻金屬氧化物薄膜。也可用蒸發(fā)法、濺射法、浸漬法、煙化法、涂敷法等成膜。銻的摻入使氧化錫增加了導(dǎo)電性、而且銻的含量增加，電導(dǎo)率增大。由于銻是5價(jià)，錫是4價(jià)，銻取錫后增加了導(dǎo)電電子數(shù)，當(dāng)銻的摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)1.5%時(shí)，電導(dǎo)率出現(xiàn)最大值，其后繼續(xù)增加銻含量，電導(dǎo)率反而減小。(因?yàn)殇R含量很小時(shí)，膜層中的載流子（電子）數(shù)隨著銻含量增加很快，此時(shí)遷移率也略有增加，所以電導(dǎo)率增加很快；當(dāng)銻的摩廠分?jǐn)?shù)太子1.5％以后，銻的一部分處于填隙位置。會(huì)引起遷移率下降很快，所以這時(shí)電導(dǎo)率會(huì)隨銻含量的增加而下降。銻含量還影響膜層的電阻溫度系數(shù)，當(dāng)銻的摩爾分?jǐn)?shù)小于1.5%時(shí)，電阻溫度系數(shù)為正。銻的摩爾分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，正電阻溫度系數(shù)達(dá)到最大值。銻的摩爾分?jǐn)?shù)高于1.5時(shí),出現(xiàn)負(fù)的電阻溫度系數(shù)。)第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

錫銻氧化膜適于制造低、中電阻器。如果在氧化錫中摻入銦，組成Sn-In系氧化膜，其阻值比Sn-Sb系氧化膜高15~30%倍。如果在氧化錫薄膜中摻入少量的鐵,可以提高電阻值10倍。如果征在Sn~Sb氧化膜中加入B2O3，不僅可以提高電阻值，而旦可以降低電阻溫度系數(shù)。方阻值可達(dá)10kn．電阻溫度系數(shù)可以非常小。如果在Sn~Sb氧化膜中加入Al2O3可以顯著提高電阻率和減小電阻溫度系數(shù)，而且性能穩(wěn)定。如果在Sn—Sb氧化膜中加人TiO2。可使電阻值增大20~200倍。而電阻溫度系卻變化不大。如果在Sn-Sb氧化膜中加入Bi，可使性能穩(wěn)定，老化系數(shù)減小。第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3金屬膜電阻1．蒸發(fā)金屬膜金屬膜電阻器是用以鉻硅系為主要成分的合金粉真空蒸發(fā)而成。膜層的性能與膜厚有關(guān)。蒸發(fā)金屬膜的膜厚為50~100nm。膜層的結(jié)構(gòu)和性能同合金粉的成分有關(guān)。用不同的合金粉所得膜層的阻值和電阻溫度系數(shù)不同，因此常把合金粉按阻值范圍編號(hào)。用真空蒸發(fā)的方法將合金材料蒸鍍于陶瓷棒骨架表面。金屬膜電阻比碳膜電阻的精度高，穩(wěn)定性好，噪聲，溫度系數(shù)小。在儀器儀表及通訊設(shè)備中大量采用。第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬膜是一種無定型結(jié)構(gòu)或是微晶組成的結(jié)構(gòu)。晶粒尺寸通常為1nm。金屬薄膜材料中，由于金屬熔點(diǎn)和蒸氣壓不同，因此形成的膜層結(jié)構(gòu)往往有粒大的差別。(如臺(tái)金粉中有鎢、鉬等難熔金屬，它和其他金屬組成混合物。當(dāng)形成薄膜時(shí)，互相阻止表面原于遷移，因此容易形成無定形結(jié)構(gòu)。合金粉中含有鐵、鎳、鉻等中熔點(diǎn)金屬，由于它們?cè)谡舭l(fā)時(shí)是以氣相存在，因此可以任意混合，可制得均勻的固熔體合金薄膜。薄膜沒有擇優(yōu)取向，是一種多晶結(jié)構(gòu)，易于形成連續(xù)薄膜，適宜制中低阻值的電阻。低熔點(diǎn)金屬易于形成具有擇優(yōu)取向，晶粒大的多晶薄膜。這種薄膜適宜制低阻。)第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2．化學(xué)沉積金屬膜用化學(xué)還原反應(yīng)而制成的金屬薄膜稱化學(xué)沉積金屬膜。以化學(xué)沉積鎳金屬膜為例，其鍍膜的原理是鎳離子(Ni++)獲得兩個(gè)電子后，被還原成金屬鎳Ni。其步驟為：基體清洗、基體敏化、敏化后清洗、活化處理、化學(xué)鍍鎳。剛沉積的膜是無定形的片狀結(jié)構(gòu)、需經(jīng)熱處理后性能才會(huì)穩(wěn)定。化學(xué)沉積膜的質(zhì)量跟鍍液的成分、溫度、PH值、熱處理?xiàng)l件有很大的關(guān)系，如果溶液濃度大、溫度高小、PH大、沉積的速率就大，形成膜粗糙、質(zhì)員較差。反之質(zhì)量會(huì)提高，但制膜周期增長(zhǎng)。第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4鎳鉻薄膜電阻鎳鉻薄膜是常用的電阻薄膜，它的主要特點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性高、噪聲電平小、可制作的阻值范圍寬，使用的溫度范圍寬而高，故常用它制作小型的精密的片式電阻器和混合集成電路的薄膜電阻器。鎳鉻薄膜的常用制備方法為電阻式真空蒸發(fā)法。不同的鎳鉻薄膜電阻加入的組分有所不同，可以有以下一些組分的薄膜：純鎳鉻薄膜、鎳鉻鋁薄膜、鎳鉻鋁鑭薄膜、鎳鉻鋁鈧薄膜、鎳鉻鋁鉺薄膜、鎳鉻硅鑭薄膜、鎳鉻硅鐿薄膜、鎳鉻硅鉺薄膜、鎳鉻金薄膜、鎳鉻-氧薄膜。第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1.純鎳鉻薄膜純鎳鉻薄膜是用高純(99.99%)的鎳粉和鉻粉按一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例(常用80:20或60:40)瞬時(shí)蒸發(fā)而得，也可用NiGr合金絲或薄片蒸發(fā)，也可濺射制得，所得薄膜的結(jié)構(gòu)和性能跟組分、鍍膜方法、鍍膜工藝參數(shù)、熱處理?xiàng)l件等有密切關(guān)系。第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2．鎳鉻鋁薄膜鎳鉻鋁(NiCrAl)合金薄膜是一種精密電阻材料。NiCrAl薄膜的制法有多種，常用蒸發(fā)法和濺射法。制造方法不同，薄膜的性能有所差異。

NiCr薄膜中加入Al后，可以降低電阻溫度系數(shù)和提高穩(wěn)定性。當(dāng)A1含量增加時(shí)，電阻溫度系數(shù)向負(fù)方向變化；當(dāng)A1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7％時(shí)，電阻溫度系效最小。加入Al后、薄膜的電阻值減小1/5左右。在高溫下，NiCrAl膜的阻值隨時(shí)間的變化率比NiCr膜減小1/2以上。這是由于在NiCrAl膜表面，Al氧化物嵌在NiCr合金氧化膜內(nèi)，構(gòu)成了致密的結(jié)構(gòu)。

NiCrAl薄膜的方阻與厚度有關(guān)。隨著膜厚的增加，方阻降低；反之，隨膜厚降低。方阻值增加；當(dāng)膜厚降到20~30nm以下時(shí)，薄膜為粒狀接觸結(jié)構(gòu)，故阻值急劇增大。此對(duì)噪聲系數(shù)和電壓系數(shù)也會(huì)顯著增大，電阻溫度系數(shù)為負(fù)值也很大。第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)NiCr-O薄膜在NiCr薄膜沉積過程中摻入氧，不僅可以提高NiCr薄膜的電阻值，而且可以降低電阻溫度系數(shù)和提高穩(wěn)定性。一種方法是在直流磁控濺射NiCr薄膜時(shí)，真空室通以氧氣與氬氣混合，使氧與NiCr膜作用，常稱這種方法為反應(yīng)濺射。由于氧與Cr反應(yīng)形成Cr2O3，從而使電阻率增大，電阻溫度系數(shù)變小。3．其他改性鎳鉻薄膜第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)NiCrAlFe和NiCrAlCu精密電阻薄膜利用6J22和6J23、6J24精密合金電阻絲蒸發(fā)制得NiCrAlFe和NiCrAlCu精密電阻薄膜，該薄膜的電阻溫度系數(shù)可以做到小于20×l0-6/℃。電阻率(100~200)u

·cm。宜作高、中阻值的精密電阻。第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)NiCrBe薄膜電阻在NiCr合金中摻入Be能形成一層抗氧化層，可以提高NiCr電阻膜的穩(wěn)定性。第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.5金屬陶瓷電阻薄膜金屬陶瓷薄膜是指金屬和硅等氧化物絕緣體所組成的薄膜，其主要特點(diǎn)是電阻率高耐溫高。常用的是Cr-SiO、Ti-SiO2、Au-SiO(SiO2))、NiCr-SiO2、Ta-SiO2等第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1．鉻-氧化硅電阻薄膜Cr-SiO薄膜電阻，常用真空蒸發(fā)法或反應(yīng)濺射的方法制得。Cr-SiO電阻薄膜具有阻值高(方阻為500~3k

)、電阻溫度系數(shù)小(aR﹤100×10-6℃)的特點(diǎn)?？赏ㄟ^改變Cr和SiO的比例來得到所需的方阻。同時(shí)可以通過改變膜厚，熱處理溫度來調(diào)整Cr-SiO電阻薄膜的方阻和性能。

大氣和真空熱處理溫度對(duì)蒸發(fā)的Cr-SiO薄膜方阻有影響；大氣中方阻隨熱處理溫度升高而增大；真空中方阻隨熱處理溫度增加而降低。Cr-SiO膜的結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，主要為Cr和SiO的混合相系。有Cr和SiO多種化合物、也有Si和O2的多種化合物，其主要成分是Cr·SiO；主要結(jié)構(gòu)是a-Cr和Gr3Si。第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2．鈦-二氧化硅薄膜

Ti-SiO2薄膜常用射頻濺射的方法制造。將高純鈦板和SiO2片裝在靶上。通過改變Ti利SiO2所占靶面積的比，可以得到不同方阻的Ti-SiO2薄膜，膜厚一般為250~300nm。

Ti-SiO2薄膜是一種阻值高、電阻溫度系數(shù)小，穩(wěn)定性高的電阻薄膜。第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月鉻-硅(Cr-Si)電阻薄膜是片式元件和混合集成電路中常用的薄膜電阻材料。該膜常用真空蒸發(fā)和濺射方法制成。它具有電阻率高、電阻溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。3.3.6鉻—硅電阻薄膜第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Cr-Si薄膜電阻率與Cr含量的關(guān)系：隨著Cr含量增加，Cr-Si薄膜的電阻率下降。Cr-Si薄膜的電阻率與電阻溫度系數(shù)的關(guān)系為：隨著電阻率的下降，電阻溫度系數(shù)由負(fù)值逐漸變正值。第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.7鉭基電阻薄膜鉭基電阻薄膜是指鉭的化合物和合金薄膜。鉭是一種閥金屬（閥金屬是具有單向載流性質(zhì)的金屬，即有點(diǎn)類似于二極管，電流只能單向通過。當(dāng)其作為陽極金屬時(shí)，譬如Ti，電解過程中其表面可形成致密氧化膜，因而耐腐蝕，但同時(shí)也降低了導(dǎo)電性，故需要在金屬基體表面涂敷氧化物涂層，以提高其電解過程中的催化活性，如Ti、Al、TaNb)。它能與空氣中氧、氮作用形成Ta2O5、TaN等化合物，與硅、鋁等形成合金。這類薄膜性能穩(wěn)定。利用鉭不僅可以作成電阻，而且可以作電極和介質(zhì)(電解電容器），因此鉭薄膜被廣泛用于制作鉭基薄膜集成電路。鉭薄膜通常用濺射法制取。第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月氮化鉭(TaN)薄膜是Ta和N反應(yīng)而生成的鉭的化合物，該薄膜有電阻溫度系數(shù)小，穩(wěn)定性高的中低阻，常用于制作精密薄膜電阻器。通常將高純的(99.99%)鉭板作為靶材。通人高純(99.99%)氮?dú)膺M(jìn)行反應(yīng)濺射得到氮化鉭電阻薄膜1.氮化鉭膜第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月鉭鋁合金薄膜是用高純的Ta和Al制成復(fù)合靶材，通過改變鋁的面積采用濺射方法得到不同組分的TaAl膜。

這種薄膜的特點(diǎn)是:穩(wěn)定性高，溫度系數(shù)小(可達(dá)30×10-6/℃),方阻可調(diào)范圍寬。2．鉭鋁合金薄膜第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月鉭硅薄膜是用鉭、硅共濺射法，或鉭和硅烷在氬氣中反應(yīng)濺射制得。該薄膜是一種高溫電阻薄膜、電阻率高、高溫穩(wěn)定性好，特別適宜作高溫穩(wěn)定的精密薄膜電阻器。3．鉭硅合金薄膜第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.8復(fù)合電阻薄膜復(fù)合電阻薄膜是由不同薄膜疊合構(gòu)成的電阻薄膜。這種復(fù)合電阻薄膜的優(yōu)點(diǎn)就是可通過組合克服單層薄膜的電阻溫度系數(shù)大、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。如一層正電阻溫度系數(shù)的薄膜與一層具有負(fù)電阻溫度系數(shù)的薄膜復(fù)合．其aR可以相互補(bǔ)償。所以復(fù)合薄膜電阻可以得到優(yōu)異的性能。第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月將NiCr和TaN膜進(jìn)行復(fù)合，可制得的aR≦10×10-6/℃、高溫穩(wěn)定性(125℃，1000h)≦0.05%，不需要外加保護(hù)層的中低阻的電阻薄膜。NiCr膜厚—般為5~10nm，TaN膜厚為10~100nm。1鎳鉻-氮化鉭復(fù)合薄膜第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月