电阻材料ppt课件

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1、第三章,电阻材料,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和厚膜电阻器、可变电阻器和电位器等所用的电阻体材料。 主要包括线绕电阻材料、薄膜电阻材料和厚膜电阻材料。,3.1 电阻材料概述,3.1.1 电阻、电阻器和电阻单位 电阻是指材料在一定程度上阻碍电流通过，并将电能转变为热能的一种物理性质。,将电阻材料做成具有一定形状、结构的实体元件，称为电阻器或电阻元件，在电子设备中起调节和分配电能的作用。在电路中常用作分压、调压、分流、消耗电能的负载及滤波元件等。 电阻器可根据形状分为线绕电阻器、合金箔电阻器、薄膜电阻器、厚膜电阻器、实心电阻器、片式电阻器；或根据阻值变化分为固定电阻器

2、、可变电阻器、电位器。,3.1.2 电阻率和膜电阻,导体的电阻值取决于导电材料的性质和几何尺寸：,L为导体的长度，S为导体的横截面积，为与材料有关的常数，称为电阻率。 材料的电阻率决定该材料是导体、半导体还是绝缘体，电阻率的大小取决于材料的种类、结构以及环境条件。,3.1.3 电阻与温度的关系,材料的电阻率是温度的函数，除了热敏电阻等特殊器件外，一般要求电阻材料阻值随温度变化越小越好，常用电阻温度系数表示电阻器对温度的稳定性。,不同电阻材料由于导电机理不同，电阻与温度的关系也不同。,1.纯金属,金属的电阻是自由电子与晶格的振动相互碰撞引起散射产生的，其电阻率与温度成正比：电阻温度系数为：,2.

3、合金材料,在金属中加入其它金属杂质原子以后，破坏原有晶格的周期性排列，增加自由电子的散射几率，从而使得合金电阻率高于纯金属电阻率：为合金的电阻率，0为纯金属的电阻率，i为杂质散射增加的电阻率，与温度无关。合金材料的电阻温度系数为：B是与杂质有关的常数。,3.金属和合金薄膜电阻材料,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、化学沉积等方法制备。结构包括：无定形结构；没有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与膜厚有关： 厚度大于100 nm，电性能与块状金属类似，有较小的电阻率和正的电阻温度系数； 厚度在几十到100 nm，电阻率随厚度减小逐渐增大，电阻温度系

4、数逐渐减小接近于零； 厚度在几纳米到几十纳米，电阻率随厚度减小急剧增大，电阻温度系数变成负值，电阻率与温度关系类似与半导体材料。,4.合成型电阻材料,用颗粒形的导电材料加上绝缘的填充料和粘结剂组成的电阻材料称为合成型电阻材料。通过改变导电颗粒种类、多少、颗粒的粗细、分散性可以改善合成物性能。,5.半导体电阻材料,一些金属氧化物、化合物和盐，在配料、成型、烧结时加入杂质，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显示半导体特性。 半导体中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，故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

5、压特性,在外加电压下，电阻材料的电阻值一般是线性的。若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，就会出现非线性。通常电阻的非线性表现为电压升高电阻下降。评定电阻材料的非线性，常用电压系数和测量电阻的三次谐波来衡量。 电阻的电压系数（VCR）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，电压系数总是负值。,3.1.5 电阻材料噪声,电阻材料的噪声是电阻材料中一种不规则的电压起伏，包括热噪声和电流噪声。 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，与电阻值和温度有关。 电流噪声是由于电阻材料内部结构不均匀引起的，当电阻材料

6、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的起伏。,3.2 线绕电阻材料,3.2.1 线绕电阻材料的特点和要求 线绕电阻材料主要指电阻合金线，用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。,3.2.2 贱金属电阻合金线,常用的有锰铜线、康铜线、镍铬线、镍铬基多元合金线等。,3.2.3 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，贵金属电阻合金线具有良好的化学稳定性、热稳定性和电性能，用于精密线绕电阻器和电位器。,3.3 薄膜电阻材料,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，厚度在1m以下，称

7、为薄膜电阻材料。 特点是：体积小、阻值范围宽、电阻温度系数小、性能稳定、容易调阻、易于散热、用料少、适合大量生产、应用广。适用于制造高频、高阻、大功率、小尺寸、片式和薄膜集成式电阻器。 对这类电阻材料要求：电阻率范围宽；电阻温度系数小；电阻电压系数小；噪声电平低；使用温度范围宽；高频性能好；稳定性和可靠性高；工艺性能好。 分类有：碳系薄膜、锡锑氧化膜、金属膜、化学沉积金属膜、镍铬系薄膜、金属陶瓷薄膜、铬硅薄膜、钽基薄膜、复合电阻膜,3.3.1 碳基薄膜,1.碳膜 碳膜是用碳氢化合物，如甲烷、庚烷、汽油、苯等为原料，在8501100和1.02.0 Pa真空度下进行热分解，在绝缘基体上淀积得到的薄

8、膜。 碳膜的结构和性能跟原材料的种类、热分解温度和速度、基本表面状态、碳膜的处理条件有关。,2.硅碳膜,硅碳膜是用含硅的有机化合物和碳氢化合物同时热分解而成，也可以用依次热分解硅有机化合物和碳氢化合物制得。硅碳膜具有耐潮和耐腐蚀的特性。3.3.2金属氧化膜 金属氧化膜种类很多，以锡锑氧化膜为例。 锡锑氧化膜是将锡锑卤化物溶液喷涂到灼热（700左右）的基体上，经水解反应而淀积出锡锑金属氧化物薄膜。也可用蒸发法、溅射法、浸渍法、烟化法、涂覆法等成膜。 锡锑氧化膜适于制造低、中电阻器。如果在氧化锡中掺入铟，可提高阻值1530倍，如果掺入少量铁，可提高阻值10倍。如果加入B2O3，除提高阻值外，还可降

9、低电阻温度系数。如果加入Al2O3，可以提高电阻率、减小电阻温度系数，如果掺入TiO2，可增大阻值20200倍。加入铋，可使性能稳定，老化系数减小。,3.3.3 金属膜电阻,1.蒸发金属膜 金属膜电阻器是用铬硅系为主要成分的合金粉真空蒸发而成。制造时，用酒精把合金粉调成糊状涂在钨丝的蒸发器上，在低于510-3Pa的真空度下加热蒸发，在陶瓷基体上淀积出金属膜。膜层的电阻率和其他性能取决于合金粉成分、膜层厚度、蒸发条件、基体表面状态，以及热处理温度和时间。 膜层的性能与膜厚有关，蒸发金属膜的膜厚为50100 nm。膜层的结构和性能同合金粉的成分有关用不同合金粉所得膜层的阻值和电阻温度系数不同，因此

10、常把合金粉按阻值范围编号。,从微观上看，金属膜属于无定形结构或微晶组成的结构，晶粒尺寸通常为1 nm，金属薄膜材料中，由于金属熔点和蒸汽压不同，形成的膜层结构往往有较大差别。如合金粉中有钨、钼等难熔金属，形成的薄膜为无定形结构；合金粉中含有铁、镍、铬等中熔点金属，可制成均匀的固溶体合金薄膜，薄膜没有择优取向，属于多晶结构；合金粉中有低熔点金属，形成具有择优取向，晶粒大的多晶薄膜。 膜层的结构和性能跟热处理有关。 制造金属薄膜时，对基体表面的清洁度和粗糙度的要求比较严格，一般在蒸发前，要对基体进行煅烧和清洁处理。,2.化学沉积金属膜,用化学还原反应制成的金属薄膜称化学沉积金属膜。如化学沉积镍金属

11、膜，其镀膜原理就是镍离子获得两个电子后，被还原成金属镍。刚沉积的膜是无定形的片状结构，需经热处理后性能才会稳定。 化学沉积膜的质量跟镀液的成分、温度、PH值、热处理条件有很大的关系。如果溶液浓度大、温度高、PH值大，沉积速率就大，形成的膜粗糙、质量差。反之质量会提高，但制作周期增长。,3.3.4 镍铬薄膜电阻,镍铬薄膜是常用的电阻薄膜，主要特点是电阻温度系数小、稳定性高、噪声电平小、可制作的阻值范围宽、使用的温度范围宽而高，常用于制作小型的精密的片式电阻器和混合集成电路的薄膜电阻器。 镍铬薄膜常用制备方法为电阻式真空蒸发法，也可以将镍铬合金制成靶材，用阴极溅射、磁控溅射、等离子溅射等方法制得。

12、 也可以加入不同的组分，制成多种镍铬薄膜电阻。,1.纯镍铬薄膜,纯镍铬薄膜是用高纯（99.99）的镍粉和铬粉（粒度为150250目），按一定的质量分数比例（80/20或60/40）瞬时蒸发而得，也可用NiCr合金丝或薄片蒸发，也可溅射制得，所得薄膜的结构和性能跟组分、镀膜方法、镀膜工艺参数、热处理条件等有密切关系。 不同成膜方法所得的薄膜成分不同。,蒸发和溅射薄膜的方阻与Cr含量有关，随着Cr含量增加，薄膜的方阻也增加。 NiCr薄膜成分对电阻温度系数有显著影响，Ni含量为40时，电阻温度系数最小。 用蒸发法制备薄膜时，随着膜厚变化，膜的成分、密度都会发生变化。,蒸发和溅射的薄膜性能很不稳定，

13、一般要进行热处理，热处理中NiCr薄膜的电阻温度系数、电阻率、膜的成分都会发生变化。,2.镍铬铝薄膜,镍铬铝合金薄膜是一种精密电阻材料，常用制备方法有蒸发法和溅射法，不同方法制备的薄膜性能有所差别。 NiCr薄膜中加入Al后，可降低电阻温度系数和提高稳定性。,NiCrAl薄膜的方阻与厚度有关，随着膜厚的增加，方阻降低；反之，方阻增加； 对新制得的NiCrAl膜要经过热处理提高薄膜稳定性，经过热处理，可使薄膜电阻温度系数由正到负变化。,在镍铬铝基础上加入镱（Yb）、镧（La）、钪（Se）、铒（Er），可以分别制得镍铬铝镱、镍铬铝镧、镍铬铝钪、镍铬铝铒薄膜，它们具有电阻率高、电阻温度系数小、稳定性

14、高的特点，适于制造高稳定性的电阻器。 在镍铬硅基础上适量加镧、镱、铒制成镍铬硅镧、镍铬硅铒薄膜，它们具有高阻值、低电阻温度系数、高稳定性。 在镍铬中掺入金，可制得镍铬金薄膜，可用于制作低方阻和低电阻温度系数的电阻器。,3.其他改性镍铬薄膜,（1）NiCr-O薄膜 在NiCr薄膜淀积过程中掺入氧，可以提高NiCr薄膜的电阻值，降低电阻温度系数，提高稳定性。也可用反应溅射或等离子溅射方法制得。 （2）NiCrAlFe和NiCrAlCu精密电阻薄膜 采用蒸发法制备，制得的薄膜电阻温度系数小，电阻率高，宜作高、中阻值的精密电阻。 （3）NiCrBe薄膜电阻 在NiCr合金中掺入Be能形成抗氧化层，提高

15、NiCr电阻膜的稳定性。,3.3.5 金属陶瓷电阻薄膜,金属陶瓷薄膜是指金属和硅等氧化物绝缘体组成的薄膜，主要特点是电阻率高，耐温高。 1.铬氧化硅电阻薄膜 常用真空蒸发法或反应溅射的方法制得。Cr-SiO电阻薄膜具有阻值高、电阻温度系数小的特点，可通过改变Cr和SiO的比例来得到所需的方阻，同时可以通过改变膜厚，热处理温度来调节Cr-SiO电阻薄膜的方阻和性能。,2.钛二氧化硅薄膜,Ti-SiO2薄膜常用射频溅射方法制造。将高纯钛板和SiO2片装在靶上，通过改变Ti和SiO2所占靶面积的比，可以得到不同方阻的Ti-SiO2薄膜。 Ti-SiO2薄膜阻值高、电阻温度系数小，稳定性高。其性能跟成

16、分和制造工艺有关。,3.3.6 铬硅电阻薄膜,铬硅电阻薄膜是片式元件和混合集成电路中常用的薄膜电阻材料，具有电阻率高、电阻温度系数小、稳定性好的优点，常用真空蒸发和溅射方法制得。 铬硅薄膜中增加Cr含量，会使薄膜的电阻率下降，同时电阻温度系数由负值逐渐变为正值。,不同的制备工艺也会影响铬硅薄膜的性质。热处理可以降低电阻温度系数，调整电阻率，改善薄膜的电性能；在溅射中通入微量的氧进行反应溅射可以提高薄膜的电阻率，使电阻温度系数更负。,3.3.7 钽基电阻薄膜,钽基电阻薄膜是指钽的化合物和和金薄膜，这类薄膜性能稳定，广泛用于钽基薄膜集成电路。钽薄膜通常用溅射法制取，其结构与制备工艺参数有关。,1.氮化钽膜,氮化钽薄膜是钽（Ta）与N反应生成的钽的化合物，该薄膜具有电阻温度系数小，稳定性高的中低阻，常用于制作精密薄膜电阻器。 氮化钽薄膜的性能和结构受成膜工艺参数影响。随着氮分压增大，电阻率增加，电阻温度系数由正变负；基片温度升高，电阻率稍有降低，电阻温度系数由负值趋于零；随溅射电压增加，电阻温度系数减小，由负值趋向于零；溅射电流对薄膜的影响与溅射电压类似。 对溅射的薄膜马上进行真空热处理可以提高薄膜的稳定性，降低电阻温度系数。,