電阻器的種類
一提到電阻,就會使人想到最普遍的碳膜電阻,使用於低雜音電路上的金屬皮膜電阻,以及在功率部位上所使用的氧化金屬皮膜電阻,和線繞電阻等,種類很多。有關固定電阻器的分類,如第1表所示。
金屬皮膜電阻器
此種電阻價值高昂,不過由於雜音較少,並有溫度特性穩定的優點,所以多半使用在信號微小的電路以及精度要求較高的電路上。
˙工作原理˙
金屬或合成的皮膜,需要盡量的薄,當薄到某種程度就會和薄膜的厚度成反比,使其電阻值增大。像被稱為薄膜的微米數量級(micro-order)的厚度以下時,由第1圖的圖例中可以了解,隨著薄膜厚度的減少,電阻值會急遽增大,呈現出薄膜所特有的性質。
像這樣的薄膜和塊狀相比,由於常有結晶的缺點存在,所以在表面上由於會有自由電子的擴散,可以認為電路的通路實際上是變窄了。
此外,電阻的溫度係數會隨著薄膜的變薄而減少,而且會逐漸成為負值。舉例如第2表所示,由於薄膜化可使溫度係數的絕對值能夠改善一位以上,表中符號負(也就是隨著溫度的上升電阻值的減少)是表示呈負的狀態。
此時,皮膜已經不是連續狀態,而是成為一堆一堆的塊狀分散成點的狀態。
由於薄膜化使電阻值急遽增加的現象是Dr. Wilkinson所提出的報告;此種現象又根據Nossek的測定使之成為一種正式的理論體系。費密(Fermi)能階的電子平均自由加工如考慮到厚度時,如第2圖所示,可分成(I)~(IV)的4個範圍。首先
(I)厚度在1000A以上的範圍
1A(Angstrum)是10-10m,所以1.000A就是0.1μm。
此範圍就是表示塊狀金屬或合金的原有特性,其電阻值具有和薄膜厚度成反比的線性關係。
(II)350~1000A的範圍
由此範圍起,薄膜厚度和電阻值之間就沒有線性關係存在,而是變為對數函數關係。
(III)150~350A的範圍
此第3類的範圍中,薄膜厚度和電阻值也是成對數關係;不過由於薄膜厚度的減少,電阻值會有急遽增加的趨勢。
(IV)150A以下的範圍
在此範圍中,薄膜成單分子層,與其說是薄膜,倒不如說是多數分子成固體塊裝四的分散小點。而在塊與塊之間是藉電子通道的效應而能從事導電。
利用金屬薄膜所構成電阻器的皮膜厚度,雖然能到達10~10.000A(0.001~1μm)的廣大範圍,不過通常一般所使用的是50~5.000A左右的厚度。
像這樣的厚度薄膜通常具有1Ω/cm² 到數KΩ/cm² 的面積電阻值,這是由於切割成螺旋狀使其達到5~500倍的倍率所需電阻值的精度。
關於電阻的溫度係數,可由控制附著合金的比例成分而從事調整。
＊特徵＊
1.低雜音特性
此電阻中的雜音極為微小,最大不過0.1uV/V左右的程度,在一般情況下,電阻值愈低或形狀愈大,雜音就愈小。在碳膜電阻中最大為1uV/V左右,所以它的雜音質要低一位數字。
使用相同的薄膜,為什麼碳膜和金屬皮膜之間會有這樣的差異呢？這就是碳膜和金屬皮膜電阻在物理性質上有差別的緣故。而且碳膜電阻係利用熱分解析出法製造(碳膜的熔點極高,為3200℃以上,不能使用真空蒸餾附著法)。而金屬皮膜電阻,則用真空蒸餾附著法形成皮膜。所以在製造方法上也有很大的不同之處。
真空蒸餾附著法,由於形成薄膜的速度較為緩慢,在分散的阻抗粒子彼此之間的間隙逐漸細小形成皮膜,一面不斷地使其表面變成平滑,一面使其成為皮膜。因此由於金屬皮膜電阻的皮膜厚度具有優異的特性,所以電流流通順暢,雜音也就減少了。
2.有優異的穩定度
和低雜音特性比美的金屬皮膜電阻的另一重要的特徵,就是電阻溫度係數較低。一般常用者的溫度係數為±100ppm/℃,精密用者為±25~50ppm/℃,若為超精密用者甚至於會小到±5ppm/℃。
3.優異的電壓互相依存性
電壓係數更為微小,通常在5ppm/V以下,用普通的測定方法幾乎很難測出它的微小值。
4.常年變化較少
像第3表中所顯示的一個例子,這是實際上經過長期測定結果所獲得的徹底的穩定資料,也顯示電阻值變化極為微小的狀態。
"雜音低！穩定度高！"這是大家異口同聲對金屬皮膜電阻的讚譽。
＊製造方法＊
在絕緣性基體上做成金屬性薄膜時,經常使用蒸餾附著法以及噴鍍法(sputtering)。
蒸餾附著法如第3圖所示,是在真空中用電熱器使金屬加熱熔融,使之蒸發擴散後附著在基體的一種方法。
噴鍍法是利用放電效應,將用以作為陰極的金屬使其擴散,並將基體放在撐台上作為陽極,使金屬附著的一種方法。在高熔點的金屬和特殊化合物的情況中,經常使用噴鍍法。
無論使用哪一種方法,其目的都是在於製作高性能的面積電阻,並使其溫度係數減少,總之不外此二點為著眼點。因此必須採用具有高電阻係數的金屬合金(例如Ni-Cr)。它的成分比,皮膜厚度等都是巧妙地利用了薄膜所特有性質以製造出性能優異的電阻器。
利用真空蒸餾附著法的製造過程的流程圖如第4圖所示。
在蒸餾附著施工中,真空度、基體的表面溫度、蒸餾附著金屬的種類和組成、蒸餾附著量、蒸餾附著方式、蒸餾附著源的溫度、蒸餾附著速度、蒸餾附著時間、蒸餾附著能源和基體間的距離等等,都是左右金屬電阻皮膜特性的重要因素。所以在一般的施工、溫度溼度的管理以及塵埃的顧慮,都要在潔淨室內施行。
＊材料＊
Ni-Cr鈦、白金、金、氮、銦、鉬、鎢......等高熔點的金屬,皆可用來作為蒸餾附著金屬。因此真空蒸餾附著法和噴鍍法以及其他的電弧蒸餾附著法與電子集束蒸餾附著法,也都採用此種特殊的蒸餾附著法。
使用最廣泛的Ni-Cr系的金屬皮膜,其電阻溫度係數如第5圖所示,由於電阻體的不同,其電阻值也會有差別。
像此種以Ni-Cr使之薄膜化時,電阻值較高薄膜厚度較薄者,由於多包含有鉻的氧化物,所以會擁有負的溫度係數。若為電阻值較低、皮膜厚度較厚者,其溫度係數就和塊狀金屬相接近。
又當探討電阻溫度變化特性時,像第6圖所示的就是非線性的變化。
Ni-Cr的組成和電氣特性間的關係如第7圖所示,普通使用80-Cr20(Wt%,重量百分比)。不過Ni和Cr的形成係因蒸氣壓的不同而有差異,所以伴隨蒸發所形成的皮膜也有變化。在溫度特性和長年變化方面來說,是以50Wt%的組成性能較優。
面積電阻為50~300Ω/cm²左右,將氧化矽等蒸餾附著在電阻表面的保護膜上,然後在250~350℃下從事熱處理。
氮化鋰電阻薄膜、高純度的錏,在氮混合氣體中會引起輝光放電,使陰極高純度的鋰噴射,而配置在靠近陽極的基體上生成氮化鋰電阻薄層。
在此種情況下,由於噴射大氣中氮的分壓會有高峰(plateau)出現,所以在此範圍內生成,因而電阻值的再現性和可靠性會增高。如改變噴射條件,使高峰上下移動,就能任意選擇在0~300ppm/℃的溫度係數值。
面積電阻一般所使用者為25~100Ω/cm²。又鋰和鋁(約50Wt%)的同時噴鍍膜所可能使用的面積電阻約為500Ω/cm²左右。
另一方面,基體的構成以磁器為主。有些基體(例如富鋁紅柱石(mullite)或鎂橄欖石(forsterite))的表面需要特別平滑才行;但因情況的不同,表面不太平滑的磁器或玻璃亦可使用。
基體的要求如下：
1.表面細緻平滑。
2.徹底清潔,不可有少許污垢。
3.表面狀態不致吸收氣體也不能吸存氣體。
4.絕緣電阻在高溫狀態下須有充分的高標準。
5.在適當的硬度下尺寸精度良好。
6.在高頻率中感電體損失角(tanδ)較小。
因此就材料方面來說,和其他電阻性相比較,就會明顯的呈現較高等級的特性。
金屬皮膜電阻器一般為價值較高者,或者用於需要此種高級素材的地方。
轉載大眾電子第25期 金屬皮膜電阻器/黎光明
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