Материалы применяемые для создания компонентов электронно-измерительной техники. Основные параметры, свойства и характеристики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

на тему: Материалы  применяемые для создания компонентов электронно-измерительной техники. Основные параметры, свойства и характеристики

по дисциплине «материаловедение».

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа 2012

Содержание

         Введение.                                                                                                        3       

           ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ                                                            4

           1. Классификация материалов по применению                                                             4  

2  ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ                                                                          6             

2.1 Свойства проводниковых материалов                                                                       6            

2.1.1 Физическая природа  электропроводности металлов                                            6          

2.1.2. Температурная зависимость  удельного сопротивления                                      7        

2.1.3. Влияние примесей  и дефектов структуры на удельное

сопротивление металлов                                                                                                              8      

2.1.5. Электросопротивление тонких  металлических пленок                                       9    

2.2. Материалы высокой проводимости                                                                          9  

2.3 Материалы высокого  удельного сопротивления                                                    10      

3 ДИЭЛЕКТРИКИ                                                                                                           10     

3.1. Основные электрические  свойства диэлектриков                                                 11                     

3.1.1 Поляризация диэлектриков                                                                                    12            

           3.1.2 Влияние напряженности электрического поля на поляризацию диэлектриков14            

3.1.3 Электропроводность диэлектриков                                                                       14           

3.1.4 Пробой диэлектриков                                                                                             15           

3.2 Газообразные диэлектрики                                                                                       16             

3.3 Жидкие диэлектрики                                                                                                 16                

3.3.1. Нефтяные масла                                                                                                     17                    

3.3.2 Синтетические жидкие  диэлектрики                                                                   17                      

3.4. Неорганические твердые  диэлектрики                                                                   18                                  

3.4.1. Слюда                                                                                                                      18                      

3.4.2. Стекла                                                                                                                     18                  

3.4.3. Ситаллы                                                                                                                 19                          

3.4.4. Керамика                                                                                                                19                           

3.5.5. Электроизоляционные  компаунды. Лаки                                                           20                                

4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ                                                             20                       

4.1. Собственная проводимость  полупроводников                                                     20                       

4.2 Примесная проводимость  полупроводников                                                         22                      

4.3. Элементарные полупроводники                                                                            23                          

4.3.2. Кремний                                                                                                                24                   

 

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие электроники  связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое применение в вычислительной технике, космонавтике, автоматике, радиотехнике, телевидении, в установках измерительной техники, медицине, биологии и др.

В настоящее время  число наименований материалов, применяемых  в электронной технике для  различных целей, составляет несколько тысяч.

При использовании материалов необходимо знание комплекса их свойств, позволяющих использовать их при различных условиях эксплуатации. А нередко перед конструкторами и технологами возникают и более

сложные задачи по созданию материалов с заранее заданными свойствами.

В электронной промышленности для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем широко используются как традиционные полупроводники, металлы и сплавы, так и новые материалы, специально разработанные для полупроводниковой технологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ

1. Классификация материалов  по применению

Материалы, применяемые  в электронной технике, принято  классифицировать на электротехнические, конструкционные и материалы специального назначения. Электротехническими называют материалы, обладающие особыми свойствами по отношению к электромагнитному полю. К ним относятся: проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы.

Проводники - это материалы с сильно выраженной электропроводностью. По применению их делят на материалы высокой проводимости (для проводов различного назначения, токопроводящих деталей, электрических контактов) и материалы высокого сопротивления (для резисторов и нагревательных элементов).

Диэлектрики - это материалы, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. По применению различают пассивные диэлектрики (электроизоляционные) и активные диэлектрики (сегнетоэлектрики, пьезо–электрики и др.), свойствами которых можно управлять внешним энергетическим воздействием.

Полупроводники - это материалы с сильной зависимостью электропроводности от концентрации и вида примесей, дефектов структуры и внешних энергетических воздействий (температуры, электромагнитных полей, освещенности и т.д.). По отношению к магнитному полю большинство электротехнических материалов - немагнитные либо слабомагнитные вещества.

Существует особая группа материалов, проявляющих сильные  магнитные свойства. Магнитные материалы способны сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. По особенностям процесса намагничивания, связанным с их строением, они делятся на ферромагнетики и ферримагнетики (ферриты). Различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы легко перемагничиваются. Их применяют в электромагнитах и переменных магнитных полях в качестве сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин, реле и т.д. Магнитотвердые материалы трудно размагничиваются, обладают большим запасом маг-нитной энергии; их используют для изготовления постоянных магнитов и устройств для записи и хранения информации. Основной характеристикой электротехнических материалов является удельная электропроводность - γ, Сименс/м, как коэффициент пропорциональности между плотностью тока j (А/м2) и напряженностью электрического поля E (В/м) в законе Ома

Удельная электропроводность зависит только от свойств мате-

риала. Этой характеристикой  обычно пользуются в теории. На практике, для оценки электропроводности материалов и систем более широко используется обратная величина - удельное электрическое сопротивление - ρ, Ом·м,

Для основных групп электротехнических материалов значение ρ

составляет:

– проводники - ρ < 10-5 Ом·м;

– диэлектрики - ρ > 108 (до 1016) Ом·м;

– полупроводники - ρ = 10-5…108 Ом·м.

Что касается магнитных материалов, по величине удельной

проводимости (удельному  сопротивлению) они могут быть проводниками, полупроводниками или диэлектриками. Среди материалов, применяемых в электротехнических устройствах и приборах, особое место занимают сплавы с высокими упругими свойствами, которые применяются для упругих элементов (токопроводящие пружины, подвески, растяжки, мембраны и т.д.), и

сплавы с особыми  свойствами теплового расширения (сплавы инварного типа). Различают сплавы с минимальным коэффициентом линейного расширения, предназначенные для деталей приборов с повышенными требованиями постоянства линейных размеров при изменении температуры, и сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения - для создания вакуумплотных спаев с другими материалами (стеклом, керамикой и т.д.).

 

2 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1 Свойства проводниковых материалов

Проводниковые свойства проявляют  металлы, металлические

сплавы, графит (модификация  углерода) и электролиты. Металлы относятся к проводникам с электронной проводимостью. В электролитах (растворы кислот, солей, щелочей) перенос электрических зарядов осуществляют ионы.

2.1.1 Физическая природа электропроводности металлов

Металлы имеют кристаллическое строение: в узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, окруженные коллективизированными электронами (электронным газом). Современные представления об электронном строении металлов, распределении электронов по энергетическим состояниям, их взаимодействии с другими элементарными частицами и кристаллической решеткой дает квантовая теория.

Свободные электроны  хаотически перемещаются по кристаллу

со средней тепловой скоростью и = 105 м/с. В электрическом поле напряженностью Е электроны получают добавочную скорость упорядоченного движения v - скорость дрейфа, благодаря чему и возникает электрический ток. Плотность тока зависит от скорости дрейфа, заряда электрона е и концентрации свободных электронов n.

Концентрация свободных  электронов в чистых металлах, характер их распределения по энергиям и энергия Ферми с повышением температуры почти не изменяются.  При нагреве серебра от 0 до 1000 К энергия Ферми уменьшается лишь на 0,2%. Такие малые изменения в широком температурном диапазоне можно не учитывать. Поэтому электропроводность металла определяется, в основном, средней длиной свободного пробега электронов, которая зависит от электронного строения атомов и типа кристаллической решетки. Наибольшая длина свободного пробега наблюдается в метал-

лах с гранецентрированной  кубической кристаллической решеткой

(Ag, Cu, Au), которые и являются лучшими проводниками.

Переходные металлы (Fe, Ni, Co, Cr, Mn, V, Zr, Nb, Mo, W, Hf,

Ta, Re, Pt и др.) имеют меньшую  электропроводность, что связано  с их специфическим электронным строением. В этих элементах внутренние d- или f-оболочки неполностью заполнены электронами. В электрическом поле часть валентных электронов из внешней s- оболочки переходят на свободные уровни внутренних оболочек, что приводит к уменьшению числа свободных электронов, участвующих в проводимости. Особенности электронного строения переходных металлов являются причиной многих их специфических свойств: тепловых, магнитных, склонности к полиморфизму, переменной валентности и др.

 

2.1.2. Температурная зависимость  удельного сопротивления

металлов

Движение свободных электронов в виде плоских электронных волн, длина которых λ определяется соотношением де Бройля. Такая электронная волна распространяется в строго периодическом потенциальном поле без рассеяния энергии. Это означает, что в идеальном кристалле длина свободного пробега электронов равна бесконечности, а сопротивление электрическому току равно нулю. Причинами рассеяния электронов в реальных металлах, создающего электрическое сопротивление, являются:

– тепловые колебания узлов кристаллической решетки (ρт - тепловая составляющая электрического сопротивления);

– примеси и дефекты структуры (ρост - составляющая ρ, обусловленная нетепловыми факторами). Эффективное рассеяние энергии электронов про-

исходит в том случае, если размер рассеивающих центров (дефектов) превышает 1/4 длины волны. В металлах энергия электронов проводимости составляет 3…15 эВ, этой энергии соответствует длина электронной волны λ = 0,3…0,7нм. Поэтому любые микроне однородности и несовершенства кристаллического строения вызывают снижение проводимости. Удельное сопротивление реальных металлов представляет собой сумму двух составляющих:

 

2.1.3. Влияние примесей  и дефектов структуры на удельное

сопротивление металлов

Примеси вносят наиболее существенный вклад в величину остаточного сопротивления. Атомы любого примесного элемента повышают ρ, даже если сама примесь обладает большей электропроводностью. Рассеяние электронов проводимости на атомах примеси тем сильнее, чем больше разница в валентности примесного элемента и металла - растворителя. Металлоидные приме-

си на снижение проводимости оказывают более сильное влияние, чем металлические элементы. Дефекты структуры - вакансии, атомы в междоузлии, дислокации, границы зерен и субзерен, прочие несовершенства кристаллического строения вносят определенный вклад в ρ_ост. Увеличение точечных дефектов в меди на 1 ат.% увеличивает ρ_ост в среднем на 0,01 мкОм·м. Чем выше плотность дефектов, тем больше удельное сопротивление. На удельное сопротивление металлических материалов влияет термообработка. Так, при закалке стали образуется неравновесная структура с большими искажениями кристаллической решетки и внутренними напряжениями. Плотность дефектов по всему объему кристалла резко возрастает, что приводит к значительному росту удельного сопротивления. При отжиге металлов и сплавов созда-ется термодинамически устойчивая равновесная структура, внутренние напряжения исчезают, плотность дефектов уменьшается до минимума (в 2 раза и более), поэтому ρ_ост резко снижается. Пластическая деформация вызывает увеличение плотности дефектов и снижение проводимости. Для чистых металлов это снижение составляет несколько процентов, для них пластическую деформацию можно использовать как способ упрочнения без существенных потерь в электропроводности. Для металлических сплавов снижение электропроводности в результате наклепа может составлять до 25%. Для восстановления электропроводности после пластической деформации проводят рекристаллизационный отжиг.

 

2.1.5. Электросопротивление  тонких металлических пленок

Металлические пленки, наносимые на диэлектрическую или по-

лупроводниковую подложку, широко используются в микроэлектро-

нике. По выполняемым  функциям различают резистивные  пленки

(тонкопленочные резисторы)  и высокопроводящие пленки (контакт-

ные площадки, межэлементные  соединения, обкладки конденсато-

ров).

Методы получения тонких пленок:

– термическое испарение металла с последующей конденсацией

на подложку;

– испарение электронным лучом;

– катодное или ионно-плазменное осаждение;

– эпитаксиальное наращивание.

Современные технологии позволяют получать пленки толщиной

от десятых долей  микрометра до нескольких десятков нанометров.В  зависимости от условий осаждения (конденсации) может сформироваться различная структура пленки от аморфного состояния до монокристаллического строения. Размерный и структурный факторы обусловливают существенные отличия электрических свойств тонких пленок от свойств объемных металлов. Особенно сильно проявляется размерный эффект в том случае, когда толщина пленки соизмерима с длиной свободного пробега электронов.

 

2.2. Материалы высокой  проводимости

К проводниковым материалам высокой проводимости относят

материалы с величиной  удельного сопротивления ρ<0,1 мкОм·м. Они применяются для изготовления электрических проводов различного назначения, токоведущих деталей приборов, аппаратуры и электрических контактов.

Основные требования, предъявляемые к этим материалам:

– малое удельное сопротивление;

– достаточная прочность и пластичность;

– коррозионная стойкость в атмосферных условиях;

– способность подвергаться сварке и пайке.

Наиболее широко используются медь и ее сплавы, алюминий, используют также благородные и тугоплавкие металлы.

 

2.3 Материалы высокого удельного сопротивления

К материалам высокого сопротивления  относятся материалы, у которых ρ не менее 0,3 мкОм·м. Их применяют в электроизмерительных приборах, образцовых (прецизионных) резисторах, потенциометрах, реостатах и электронагревательных устройствах. Основные требования, предъявляемые к материалам высокого удельного сопротивления:

– высокое удельное сопротивление ρ и малый температурный коэффициент удельного сопротивления αρ (близкий к нулю);

– малая термо–ЭДС в паре с медью, что особенно важно для электроизмерительных приборов;

– высокая жаростойкость, особенно для электронагревательных элементов;

– достаточная прочность и высокая пластичность, позволяющая

изготовлять тонкую проволоку  и ленту;

– способность длительно работать при повышенных температурах, сохраняя электрические характеристики.

 

3 ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и синтетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от

управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов. По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных

и отрицательных зарядов  совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом - р (рис. 1).

 

Рис. 1. Примеры электрического строения молекул диэлектриков:

а - неполярная (симметричная) молекула неполярного диэлектрика (метана); б -дипольная молекула полярного диэлектрика (хлорированного метила), дипольный момент р > 0 где заряд q ≈ 2.10-19 Кл, расстояние между зарядами l = (1…3).10-10 м, р = 5.10-29…10-30 Кл.м.

В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла.

Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются 60 низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.

 

3.1. Основные электрические  свойства диэлектриков

Основные электрические  свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 1.

 

 

 

Таблица 1 – Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

 

3.1.1 Поляризация диэлектриков

Поляризация - это упругое смещение связанных зарядов или ориентация молекул диэлектрика в электрическом поле. Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов. Способность диэлектрика к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью

где С - емкость конденсатора с диэлектриком; С0 - емкость конденсатора без диэлектрика (в вакууме).

Различают следующие  виды поляризации:

– электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов под действием внешнего поля. Она свойственна всем веществам, но играет определяющую роль в неполярных диэлектриках (газообразных, жидких и твердых). Такая поляризация протекает почти мгновенно (τ = 10-15с), без потерь энергии, ее величина не зависит от частоты поля;

– ионная поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов в пределах межатомного расстояния. Она характерна для веществ с ионным строением, время поляризации невелико (τ = 10-13с), происходит практически без потерь энергии;

– дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации дипольных молекул под действием сил поля.Она присуща полярным диэлектрикам, протекает во времени (τ = 10-2с) и сопровождается потерями энергии;

– самопроизвольная (спонтанная) поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков. Это вещества, состоящие из наэлектризованных областей - доменов, обладающих электрическим моментом. В отсутствие внешнего поля домены расположены произвольно, и суммарный момент равен нулю. Во внешнем

поле происходит переориентация доменов и создается эффект сильной поляризации: относительная диэлектрическая проницаемость достигает ε = 105.

Влияние температуры  на поляризацию диэлектриков.

Изменение относительной  диэлектрической проницаемости  при

изменении температуры  характеризуется температурным коэффициентом.

При электронной поляризации  относительная диэлектрическая

проницаемость несколько  уменьшается с повышением температуры вследствие уменьшения плотности вещества. При ионной поляризации ε с увеличением температуры несколько повышается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ним при тепловом расширении. Дипольно-релаксационная поляризация сильно зависит от температуры среды. С увеличением температуры силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, и дипольные молекулы легче ориентируются во внешнем поле - ε растет. При дальнейшем повышении темпера-

туры интенсивное тепловое движение молекул ослабляет ориентирующее влияние поля - ε уменьшается

Рис. 1. Температурные зависимости относительной диэлектрической прони- цаемости при поляризации: 1 - электронной, 2 - ионной, 3 - дипольно-релаксационной, 4 – спонтанной

 

3.1.2 Влияние напряженности электрического поля на поляризацию диэлектриков.

По влиянию напряженности электрического поля на относительную диэлектрическую проницаемость различают диэлектрики линейные и нелинейные. Емкость конденсатора с линейным диэлектриком зависит только от его геометрических размеров, и ε не зависит от напряженности внешнего поля. К линейным диэлектрикам относится подавляющее число диэлектриков:

– неполярные диэлектрики с электронной поляризацией - газы, жидкости, твердые вещества кристаллические и аморфные (бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.);

– полярные диэлектрики с дипольно-релаксационной и электронной поляризацией - органические жидкие и твердые вещества (хлорированные углеводороды, большинство органических соединений на основе полимеров и др.);

– неорганические ионные соединения с ионной и электронной поляризацией кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, корунд - Al2O3, рутил - TiO2 и др.);

– неорганические соединения с ионной, электронной и релаксационной поляризацией - вещества с неплотной упаковкой (стекла, многие виды керамики).

3.1.3 Электропроводность диэлектриков

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике до момента установления равновесного состояния происходят во времени, создавая поляризационные токи или токи смещения. При дипольно-релаксационной поляризации токи смещения называют еще абсорбционными токами j_абс. При постоянном напряжении абсорбционные токи возникают только в моменты включения и выключения напряжения. Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине токов сквозной проводимости j_ск. Полный ток в диэлектрике, называемый током утечки, складывается из абсорбционного и сквозного (рис.2.)

 

Рис. 2. Изменение тока утечки в твердом диэлектрике

 

Проводимость диэлектрика  при постоянном напряжении опре-

деляется величиной  сквозного тока. При переменном напряжении проводимость определяется сквозным током и абсорбционными токами замедленных механизмов поляризации. В большинстве случаев электропроводность в диэлектриках ионная, реже - электронная.

Виды диэлектрических потерь:

– потери от сквозной проводимости (на электропроводность);

– релаксационные;

– ионизационные;

– резонансные.

3.1.4 Пробой диэлектриков

Пробой - возникновение в диэлектрике канала высокой проводимости. При пробое твердый диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Способность диэлектрика противостоять пробою оценивается электрической прочностью. Виды пробоя диэлектриков:

– электрический пробой обусловлен явлениями ударной ионизации и фотоионизации. Он характерен для газов, но может происходить и в неполярных жидких и твердых диэлектриках. Пробивная напряженность при электрическом пробое зависит от плотности диэлектрика и степени однородности

электрического поля. В однородном поле пробой газа наступает при более высоком значении Е_пр, чем в неоднородном поле;

– тепловой пробой обусловлен чрезмерным выделением тепла из-за больших диэлектрических потерь. При этом в диэлектрике происходят необратимые процессы термического разрушения материала (обугливание, растрескивание, оплавление и т.д.), в результате чего растет ток сквозной проводимости.

Для теплового пробоя характерна сильная зависимость Е_пр от температуры, частоты тока, размеров детали и условий ее охлаждения;

– электрохимический пробой обусловлен развитием в диэлектрике химических процессов, ведущих к образованию подвижных ионов. Эта форма пробоя характерна для жидких диэлектриков, содержащих небольшие количества примесей электролита. В твердых диэлектриках электрохимический пробой может быть при наличии поверхностных загрязнений, адсорбирован-

ной влаги.

3.2 Газообразные диэлектрики

К газообразным диэлектрикам относятся практически все газы. В первую очередь, это воздух, который является естественным изолятором, окружая все электрические установки. Кроме воздуха широко используют в качестве электрической изоляции неполярные газы - азот, водород, углекислый газ, инертные газы, а также полярные газы - фреоны, элегаз и др.

 

3.3 Жидкие диэлектрики

По химической природе  жидкие диэлектрики разделяют на нефтяные масла и синтетические жидкости.

 

 

3.3.1. Нефтяные масла

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов, их получают фракционной перегонкой нефти. По применению различают трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла, отличающиеся степенью очистки.

Трансформаторное масло применяют для заливки силовых трансформаторов с целью повышения электрической прочности за счет заполнения пор волокнистой изоляции и промежутков между ее слоями, для заливки высоковольтных выключателей, где масло оказывает дугогасящее действие.

Конденсаторное масло используют для пропитки бумажной

изоляции конденсаторов  с целью увеличения их удельного сопротивления и электрической прочности, что позволяет увеличить емкость и уменьшить габариты конденсаторов. Его получают путем дополнительной очистки трансформаторного масла. Кабельное масло используют для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей. Нефтяные масла - неполярные диэлектрики с электронной поляризацией и ионной проводимостью. В неполярных жидкостях диссоциация молекул незначительна, число носителей заряда невелико и проводимость мала. Источниками ионов могут быть различные

примеси и влага. Диэлектрические потери в нефтяных маслах невелики, они обусловлены током сквозной проводимости. Диэлектрические жидкости дополнительно характеризуются температурой вспышки Т_всп и температурой застывания Тз.

3.3.2 Синтетические жидкие диэлектрики

К синтетическим жидким диэлектрикам относятся хлорированные ароматические углеводороды (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические жидкости. Эти диэлектрики обладают рядом преимуществ по сравнению с нефтяными маслами и применяются в условиях повышенных тепловых нагрузок, напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасных средах.