УЗБЕКСКОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

════════════════════════════════════════════

А.М. АБДУЛЛАЕВ, Н.Б. АЛИМОВА

РАДИОМАТЕРИАЛЫ И

РАДИОКОМПОНЕНТЫ

ЧАСТЬ I

Учебное пособие для бакалавров

по направлению 5522200 «Радиотехника»

Ташкент – 2008

А.М. Абдуллаев, Н.Б. Алимова Радиоматериалы. Учебное пособие - Ташкент: ТУИТ, 2008, 120 с. План 2007-2008 уч. г.

Рецензенты:

Ш.З. Таджибаев - кандидат технических наук, доцент

А.В. Каримов - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НПО «Физика - Солнце» АН РУз

В данном учебном пособии излагаются основы строения и физики явлений, происходящих в диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалах применяемых в радиотехнике. Рассматриваются их электрические свойства, их зависимость от частоты, даются физико-химические и механические характеристики. Кратко описываются технология производства многих радиотехнических материалов и изготовление из них изделий и деталей, применяемых в радиоэлектронной технике. Особое внимание обращено на свойства различных материалов, знание которых необходимо для производства аппаратуры и приборов в микроминиатюрном исполнении. Рисунки и таблицы, приведенные в учебном пособии, дополняют изложенный материал.

Учебное пособие предназначается для бакалавров обучающихся по направлению радиотехника.

© Издание Ташкентского университета информационных технологий, 2008

════════════════════════════════════════════

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что изобретение радио открыло новую эру в развитии науки и техники. Значение современной радиотехники не ограничивается только радиовещанием и связью, на её базе развиваются смежные отрасли. В производственную, научную и повседневную жизнь все шире проникают информационные технологии, происходит конвергенция (объединение) новых видов доставки информационных материалов различным потребителям в виде электронной почты, интернета. Современные способы транспортировки информационных потоков требуют использования новых транспортных сетей, их доставки через волоконно-оптические линии связи, а также через спутники. Раньше для развития радиоэлектроники требовалось большое количество деталей, которые были громоздки, занимали большой объем, имели большой вес, были недостаточно надежны, и требовали больших энергетических затрат при производстве и эксплуатации.

В результате интенсивного развития техники возникло новое направление-микроэлектроника. Экономическая задача микромини-атюризации заключается в существенном сокращении потребности в материалах, трудоемкости и капитальных вложений в производство электронной аппаратуры и приборов, а также снижении энергетических затрат при производстве и эксплуатации.

Техническая задача микроэлектроники сводится к сокращению размеров и веса электронной аппаратуры при одновременном увеличении её надежности и долговечности. Осуществить это можно только на основе минимизации энергетических процессов в электронных схемах. Для решения данной задачи существуют различные пути: уменьшение размеров деталей и полупроводниковых элементов, создание новых элементов (активных диэлектриков, ферритов), рациональное размещение элементов, замена навесных соединений печатным монтажом (методами фотолитографии, вакуумным напылением и т.п.), придание элементам одинаковой формы и размеров (модули и микромодули), создание элементов, узлов и целых интегральных схем на основе принципов «слоев» пленочной технологии или путем обработки объема полупроводникового материала – получение твердой схемы.

Наибольшее число задач микроэлектроники решается с помощью полупроводниковых и диэлектрических веществ, в которых возможно создание контактирующих областей с различными типами электропроводности.

Все материалы радиоэлектронной техники по конструктивному признаку можно разделить на электротехнические, конструкционные и специальные. Электротехнические материалы по поведению в электрических и магнитных полях подразделяются на немагнитные, к которым относятся диэлектрики, полупроводники и проводники и магнитные, среди которых металлы и неметаллы, проводящие, полупроводящие и диэлектрические вещества.

С ростом радиоэлектроники развивается и промышленность электрорадиотехнических материалов, изготавливаемые по самой совершенной технологии.

Для создания современных технических систем необходима элементная база, обладающая свойствами нелинейности, усиления и памяти, подвода энергии. Для этого сначала применялись вакуумные лампы, где использовались проводниковые и диэлектрические материалы, затем элементная база строилась на основе полупроводниковых приборов, сейчас технология производства элементной базы концентрирует арсенал классических и новейших средств физики и химии твердого тела, жидкостей, газов, плазмы и даже физики ядра и элементарных частиц.

ГЛАВА I

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОМАТЕРИАЛОВ

════════════════════════════════════════════

1.1. Электрические свойства и характеристики радиоматериалов

Электроматериалы используются для создания радиоэлектронных информационных систем. Примером таких систем являются вычислительная техника, телевидение, автоматизированные системы производства и многое другое.

В радиоэлектронной информационной системе происходит приём, накопление, хранение, переработка и передача информационных сигналов. Информационный сигнал наиболее часто формируется с помощью электрического поля или электромагнитного излучения. По поведению в электрическом поле электрорадиоматериалы (вещества) подразделяют на три класса: проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием электрического поля. Основным количественным параметром электропроводности вещества является удельная электропроводность. Удельная электропроводность - это величина, определяемая дифференциальной формой закона Ома:

(1.1)

где - вектор плотности тока, т.е. электрический заряд, переноси-мый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к - вектору напряженности поля.

Электрический заряд могут переносить только свободные заряженные частицы (СНЗ). В металлах могут свободно перемещаться только электроны. Поэтому электрический ток в металлах – это движение свободных электронов. В проводящих растворах нет свободных электронов, а подвижными заряженными частицами являются ионы. В газах могут существовать в подвижном состоянии и ионы, и электроны, а в проводниках электроны и дырки.

В общем случае в веществе могут одновременно существовать свободные носители зарядов разных типов (разной величины и знака заряда, разной массы и т.д.). Обозначим концентрацию СНЗ (число СНЗ в единице объёма) данного типа через . Под действием электрического поля заданной напряженности эти носители заряда будут приобретать направленное смещение, скорость которого обозначим через . Тогда плотность электрического тока равна

(1.2)

где - заряд носителя -го типа.

Сравнивая (1.1) и (1.2), получим

(1.3)

Величину, обратную удельной электропроводности, - называют удельным электрическим сопротивлением. измеряют в См/м, а в .

Значения и разных электрорадиоматериалов различны. Если у веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление практически равно нулю, то у разреженных газов стремится к бесконечности. Для твердых веществ в нормальных условиях значения схватывают 25 порядков – от (медь, серебро, алюминий) до (полимеры).

В настоящее время принято три вида классификации веществ по их электропроводности.

1. По величине в нормальных условиях (комнатная температура, атмосферное давление) к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее , к диэлектрикам – вещества с более, а к полупроводникам – вещества с .

Такая чисто количественная классификация веществ весьма условна, так как удельное сопротивление зависит не только от рода вещества, но и от его состояния, в частности от температуры. В зависимости от структуры и внешних условий значение может различаться весьма существенно. Так, углерод встречается в виде двух простых веществ – алмаза и графита. При этом алмаз – диэлектрик, а графит – проводник. Такие полупроводники как германий и кремний при воздействии на них высоких давлений становятся проводниками, а при очень низких температурах – диэлектриками.

2. Удельное сопротивление зависит от температуры. Эта зависимость характеризуется температурным коэффициентом сопротивления данного вещества.

(1.4)

Он даёт относительное приращение сопротивления при увеличении температуры на один градус 1⁰С. Температурный коэффициент сопротивления для данного вещества различен при разных температурах, т.е. удельное сопротивление изменяется с температурой не по линейному закону, а зависит от нее более сложным образом. Температурный коэффициент сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным.

Если электропроводность вещества равна нулю при температуре абсолютного нуля и возрастает при повышении температуры, то они относятся к классу полупроводников. У диэлектриков температурный коэффициент электропроводности равен нулю в широком интервале температур. У проводников электропроводность отлична от нуля, а её температурный коэффициент отрицателен.

3. Ранее речь шла о электропроводности чистых, т.е. беспримесных веществах. Электропроводность можно изменять в широких пределах путем введения даже весьма незначительных количеств примесей атомов других веществ. У полупроводников электропроводность возрастает при введении электрически активных примесей. Электропроводность проводников при введении примесей всегда уменьшается. У диэлектриков с введением примесных атомов электропроводность не появляется, а изменяется лишь их окраска.

Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Важнейшими практически применяемыми в радиотехнике проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. В их числе сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, которых очень низких температурах (-100 ⁰С и меньше) весьма мало. В настоящее время производятся в большом количестве и применяются для самых разнообразных целей сверхпроводниковые электромагниты.

Проводниковые материалы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.

Полупроводниковые материалы служат для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров, термисторов, фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и других полупроводниковых приборов. Эти приборы отличаются тем, что их электропроводность может управляться напряжением, температурой, освещенностью и некоторыми другими факторами.

Диэлектрические материалы занимают свое важное значение для электро– и радиотехники. Одни диэлектрики служат в качестве электроизоляционных материалов. Электроизоляционные материалы используются для создания электрической изоляции между токоведущими частями электрических и электронных устройств, находящимися под различными электрическими потенциалами. Электрическая изоляция обеспечивает прохождение электрического тока только по тем путям, которые предусмотрены электрической схемой устройства.

Другие электроизоляционные материалы использующиеся в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах заданной емкости.

К диэлектрическим материалам принадлежат и активные диэлектрики. Они отличаются от обычных диэлектриков (электроизоляционных материалов) тем, что их свойствами можно управлять путем внешних воздействий. Активные диэлектрики в соответствии с присущими им свойствами имеют свое наименование.

Так, сегноэлектрики изменяют свою поляризацию по действием электрического поля, пьезоэлектрики – под действием внешних механических напряжений, пироэлектрики – под действием нагрева или охлаждения, электреты изменяют и сохраняют свою поляризацию за счет предварительной электризации или поляризации. В электрооптических диэлектриках показатель преломления зависит от напряженности внешнего электрического поля, а в нелинейнооптических диэлектриках – от напряженности электрического поля падающей световой волны. К активным диэлектрикам относятся материалы для лазеров и мазеров и другие.

Все активные диэлектрики являются компонентами той или иной электрической схемы, служащей для генерации, усиления или модуляции, т.е. для преобразования электрических сигналов.

1.2. Тепловые характеристики

радиоматериалов

Плавлением твердых тел называется их переход из твердого состояния в жидкое. В процессе плавления происходит разрушение кристаллической решетки твердого тела.

Плавление происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления (Тпл.). У большинства твердых тел плавления сопровождается увеличением их плотности.

Переход вещества из жидкого в твердое кристаллическое состояние называется кристаллизацией (затвердением). Для любой химически чистой жидкости этот процесс идет при постоянной температуре кристаллизации (Ткрист.), которая совпадает с температурой плавления (Тпл.). У аморфных материалов (стекла, смолы и пр.) резко выраженной температуры плавления (Тпл.) нет, а температуру размягчения (Тразм.) определяют с помощью различных условных приемов. С приближением к температуре размягчения сильно снижается механическая прочность изделий и наблюдается их деформация.

Теплопроводность. Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло, выделяющееся в проводниках и магнитопроводах, переходит в окружающую среду через слой изоляции. От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев проводников и магнитопроводов. Особое значение имеет теплопроводность толстой изоляции в устройствах высокого напряжения.

Количественно теплопроводность материалов характеризуется -коэффициентом теплопроводности , определяемым как количество тепла, прошедшего через единицу площади за единицу времени при градиенте температуры в 1 К/м.

Ориентировочные значения удельной теплопроводности некоторых диэлектриков приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Вещество	, Вт/(м∙К)	Вещество	, Вт/(м∙К)
Воздух (в малых зазорах)	0,05	Фарфор	1,6
Битумы	0,07	Стеатит	2,2
Бумага	0,10	Двуокись титана	6,5
Лакоткань	0,13	Кристаллический кварц	12,5
Гетинакс	0,35	Алюминоксид Al2O3	30
Вода	0,58	Окись магния MgO	36
Плавленый кварц	1,25	Окись бериллия BeO	218

Тепловое расширение. Тепловое расширение любого вещества оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К^-1:

(1.5)

где l – произвольный линейный размер изделия из данного материала.

Материалы, обладающие малым значением , имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот. ТКЛР в интервале температур от 20 до 100 ⁰С некоторых электроизоляционных материалов приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Материал	∙10^-6	Материал	∙10^-6
Поливинилацетат	265	Поливинилформаль	64
Поливинилхлорид	160	Эпоксидные смолы	55
Полиэтилен	145	Слюда	37
Ацетат целлюлозы	120	Силикатное стекло	9,2
Нейлон	115	Керамика	7
Политетрафторэтилен	100	Стеатит	6,6
Полиметилметакрилат	70	Фарфор	3,5
Полистирол	68	Плавленый кварц	0,55

Как видно из таблицы, органические диэлектрики имеют резко повышенные ТКЛР по сравнению с неорганическими диэлектриками. Поэтому детали, изготовленные из неорганических материалов, имеют повышенную стабильность размеров при комнатных температурах.

Нагревостойкость. Под нагревостойкостью понимают способность электроизоляционных материалов и изделий сохранять свои свойства при кратковременном или длительном воздействии на них высокой температуры.

Тепловые свойства электротехнических изолирующих материалов зависит от агрегатного состояния материалов.

Нагревостойкостью неорганических твердых диэлектриков (фарфор, кварц, стекло, минералы и т.д.) определяют по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту tgили снижению удельного электрического сопротивления . Нагревостойкостью органических твердых диэлектриков (смолы, битумы, лаки, компаунды, каучук натуральный, каучук синтетический, пластические массы, волокнистые материалы) определяют по началу механических деформаций при растяжении или изгибе.

Нагревостойкость жидких диэлектриков (нефтяные и растительные масла и синтетические органические жидкости) оценивается по температуре вспышки и температуре воспламенения. Температура вспышки - температура жидкости, при которой при поднесении небольшого пламени жидкость вспыхивает. Температура воспламенения – еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени жидкость загорается.

Ухудшение качества электрической изоляции может проявляться как пир кратковременном повышении температуры, так и при длительном воздействии повышенной температуры. Такой процесс называется тепловым старением изоляции. При этом в результате медленно протекающих химических реакций, либо появляются продукты окисления (трансформаторное масло), либо повышается жесткость, хрупкость, образование трещин и отставание от подложки (лаковые и другие пленочные изоляционные покрытия).

Для большинства материалов время старения уменьшается вдвое при повышении температуры старения в среднем на 10 К (Кельвин).

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать повышение давления воздуха или концентрации кислорода, наличие озона. Тепловое старение ускоряется при повышении образца ультрафиолетовыми лучами, воздействии электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Материалы, применяемые для изоляции электрических устройств с учетом их нагревостойкости (при длительном воздействии нагрева), подразделяют на 7 классов нагревостойкости (таблица 1.3.).

Таблица 1.3.

Класс нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	C
Рабочая температура, ^0С	90	105	120	130	155	180	Выше 180

Рабочей считается максимальная температура для электроизоляционных материалов при их использовании в электрооборудовании, длительно (в течении ряда лет) работающем в нормальных для данного вида эксплуатации условиях.

К классу Y относятся изоляционные материалы из непропитанных и не погруженных в жидкий диэлектрик на основе целлюлозы и шелка (бумага, древесина, картон, ткани, ленты, хлопчатобумажное волокно, поливинилхлорид и вулканизированный натуральный каучук). Указанные материалы целиком или в основном состоят из частиц удлиненной формы – волокон, и поэтому называются волокнистыми.

К классу А относятся те же волокнистые материалы, но пропитанные масляными или другими лаками, компаундами, или же погружены в жидкий электроизоляционный материал. В результате они защищены от соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов. К классу А также относятся изоляция эмалированных проводов на поливинилацеталевых лаках и полиамидные пленки.

К классу Е относятся слоистые пластики и пластмассы с органическим наполнителем и термореактивным связующим (гетинакс, текстолит и т.п.), полиэтилентерефталатные пленки, изоляция эмалированных проводов на жидких лаках и др.

Таким образом, к классам нагревостойкости Y, А и Е относятся главным образом чисто органические электроизоляционные материалы.

Класс В образуют неорганические материалы: слюда, стекловолокно и асбест в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами соответствующей нагревостойкости, а также политрифторхлорэтилен, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и др.

К классу F относятся материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста с более нагревостойкими связующими и пропитывающими составами, а также изоляция эмалированных проводов на полиэфиримидных и полиэфирциануратных лаках.

Материалы класса Н получают на основе слюды, стекловолокна и асбеста при использовании в качестве связующих и пропитывающих составов кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости. К этому классу относятся также кремнийорганические эластомеры.

Класс нагревостойкости С образуют чисто неорганические материалы, совершенно без склеивающих или пропитывающих органических составов (слюда, электротехническая керамика, кварц, асбест, микалекс и т.п.). из всех органических электроизоляционных материалов к классу С относятся политетрафторэтилен и полиамидные материалы – пленки, волокна, изоляция эмалированных проводов.

Холодостойкостью называют способность электроизоляционных материалов не снижать эксплуатационной надежности при низких -(60-70) ⁰С и более низких (криогенных) температурах. Холодостойкие материалы применяют в электро – и радиооборудовании самолетов и других воздушных судов, линий электропередачи, открытых подстанций полевой аппаратуры связи. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются. Однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции.

Влажностные свойства. Многие электроизоляционные материалы гигроскопичны, т.е. способны сорбировать (поглощать) влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать влагу.

Гигроскопичность. Гигроскопичные материалы в условиях постоянной относительной влажности и температуры окружающего воздуха имеют равновесное значение влажности , т.е. содержание влаги на единицу массы материала. Если первоначальная влажность образца превышает равновесное значение , то влажность образца будет уменьшаться, приближаясь к своему равновесному значению , и наоборот.

Для различных материалов значения равновесной влажности при одном и том же значении относительной влажности воздуха сильно различаются (рис. 1.1). Гигроскопичность материала зависит от его строения. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного, сплошного строения. Гигроскопичность материала в некоторой степени отражают возможные изменения электрических свойств электроизоляционного материала при увлажнении. Если поглощенная влага способна образовать внутри изоляции нити или пленки, пронизывающие весь промежуток между электродами, то даже весьма малые количества поглощенной влаги приводят к очень резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Такими свойствами обладает бумага. Так, например удельное сопротивление бумаги с 3 %-ной влажностью в миллион раз меньше, чем абсолютно сухой бумаги. В других электроизоляционных материалах влага распределяется по объему в виде отдельных, не соединенных между собой, малых включений. В этом случае влияние влаги на электрические свойства материала не так заметно.

Примером таких материалов является каучук, в котором повышение влажности вызывает лишь весьма незначительное уменьшение его.

Рис. 1.1. Значения равновесной влажности различных материалов

при одном и том же значении относительной влажности воздуха

Влагопоглощаемость, или способность пропускать через себя пары воды, также является важнейшим свойством материалов. Это свойство особенно учитывается при оценке качества материалов, применяемых в виде замкнутых покрытий (шланги кабелей, компаундные заливки конденсаторов, лаковые покрытия изоляции электрических машин и т.п.). Кроме стекол, керамики и металлов материалы обладают заметной влагопроницаемостью.

При длительном использовании электроаппаратуры влага, проникая в органические диэлектрики, приводит к развитию плесени (грибные нити, пронизывающие вещество и разрушающие его при помощи выделяемых ферментов). Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающиеся с ним металлических частей. Наиболее уязвимы для развития плесени целлюлозные материалы, в том числе и пропитанные (гетинакс, текстолит), канифоль, масляные лаки и другие. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики: керамика, стекла, слюда, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт – 4, полиэтилен, полистирол.

Для уменьшения, но не исключения, гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Дело в том, что молекулы пропиточных веществ имеют весьма большие размеры по сравнению с размерами молекулы воды (диаметр молекулы воды составляет 2,5∙10^{-10 м) и не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги.}

1.3. Механические и физико – химические

характеристики радиоматериалов

Химические свойства. Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки их надежности при длительной работе в условиях воздействия на них различных химически активных веществ (газов, воды, кислот, щелочей, солевых растворов и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

Электрорадиоматериалы в производстве деталей обрабатываются различными химико–технологическими способами: склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем или по концентрации насыщенного раствора (наибольшее количество вещества, которое может быть растворено в данном растворе).

Как правило, легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов: полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, нейтральные – в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (например, фенолформальдегидные смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени поляризации (молекулярной массы). При повышении температуры растворимость обычно увеличивается. В последующих главах подробно описывается химическая стойкость материалов по отношению к наиболее опасным внешним факторам, оказывающих разрушающее химическое воздействие.

Радиационная стойкость. В современных условиях непрерывно расширяется число материалов и изделий радиоэлектроники, работающих при кратковременном, а также длительном воздействии радиоактивных излучений или частиц различной энергии (атомные электростанции, реакторы и т.п.). При этом важно знать степень устойчивости материалов к воздействию излучений, сохранения ими своих электрических и механических свойств, т.е. радиационную стойкость.

Жесткое и мягкое рентгеновское излучение, электроны высоких частот, тяжелые заряженные частицы (протоны, альфа – частицы) и нейтроны поглощаются веществом, создавая различного рода радиационные дефекты (пустые узлы и собственные ионы в междоузлии, либо посторонние атомы в узле кристаллической решётки и т.п.). Количество радиационных дефектов со временем накапливается. Поэтому радиационная стойкость определяется суммарной (интегральной) дозой излучения, поглощенного веществом.

Единицами поглощенной дозы рентгеновского и гамма – излучения служат рентген (Р) и Кл/кг (1 рентген = 2,58∙10^-4 Кл/кг), а корпускулярных излучений – рад и Дж/кг (1 рад = 0,01 Дж/кг).

С другой стороны, радиационное воздействие на материал может вызвать полезные изменения структуры или придать им новые свойства (радиационная сшивка полимеров, легирование полупроводников и т.д.).

При помощи ионного легирования (внедрение ионов примеси в поверхностный слой полупроводника) создаются транзисторные структуры интегральной микросхемы (ИМС). Для этого ионы из специального источника ускоряются электрическим полем и направляются на пластину ИМС.

Поглощение излучения материала зависит от природы материала и качества самого излучения. Например, полупроводниковые материалы и пробы заметно повреждаются реакторным излучением дозой в 10¹⁸ нейтрон/м². Многие диэлектрики обладают значительно большей радиационной стойкостью, выдерживая дозы до 10²² нейтрон/м².

При выборе электрорадиоматериала для конкретного применения учитываются не только его электрические, но также механические и тепловые свойства, стойкость, влага, радиация и другие внешние факторы.

Механические свойства.

Упругость. Под действием механических напряжений твердое тело изменяет свои размеры, т.е. деформируется. В деформированном твердом теле возникает внутренняя упругая сила , направленная в сторону, противоположную направлению внешних сил, вызывающих деформацию.

Механическим напряжением называется физическая величина, численно равная упругой силе, приходящейся на единицу площади сечения тела:

где - сила упругости, - площадь сечения.

Предполагается, что напряжение постоянно по всей площади сечения.

Мерой деформации считается относительная деформация , т.е. отношение удлинения тепла к его первоначальной длине .

По закону Гука относительная деформация прямо пропорциональна напряжению:

где К- модуль упругости.

Простейшим типом деформации является одностороннее растяжение (стяжение). Модуль упругости К называется при этом модулем Юнга К=Е. модуль Юнга численно равен напряжению, при котором происходит увеличение (уменьшение) длины тела в два раза: при .

Прочность. Закон Гука линейной связи деформации с напряжением сохраняется лишь в определенных пределах. Сама деформация в этом случае называется пластической. Достигнув некоторого значения , деформация растет быстрее, чем по линейному закону. При > после снятия напряжения форма образца не восстанавливается. Напряжение называют пределом текучести. Дальнейшее повышение механического напряжения приводит к разрушению образца. Это происходит при напряжении , называемом пределом прочности. В таких материалах, как стекла, керамика, пластическая деформация не наблюдается, и образец разрушается сразу: . Эти вещества называют хрупкими. Хрупкие материалы легко разрушаются под действием кратковременных нагрузок, например вибрации. Во многих полимерах, наоборот, участок пластической деформации очень широк – они могут вытягиваться в десятки раз. Поэтому их называют пластичными веществами.

Каждый материал характеризуется своими пределами прочности при растяжении (), сжатии (), изгибе (). Для металлов все три предела прочности имеют примерно один и тот же порядок, но для диэлектриков сильно отличаются: << . Пределы прочности измеряются в единицах механического напряжения – паскалях (Па).

Механическая прочность зависит от типа связей молекул вещества: она максимальна в кристаллах с ковалентной связью (алмаз, кремний, германий) и минимальна в веществах с молекулярной связью (парафин).

Механические свойства металлических проводников в весьма большой степени зависят от механической и термической обработки от наличия примесей и т.п. Отжиг (нагрев до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением) приводит к существенному уменьшению и увеличению .

Вязкость. Вязкость (или внутреннее трение) – свойство жидкостей (и газов) оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой. Это свойство жидкостей количественно характеризуется коэффициентом вязкости (или просто вязкостью). Различают динамическую вязкость , измеряемую в паскаль ∙ с, (Па∙с) и кинематическую вязкость, равную отношению к плотности жидкости и измеряемую в квадратных метрах на секунду (м²/с). Для сравнения вязкость воды и спирта в тысячу раз меньше вязкости глицерина и смазочных, а также пропиточных масел.

Вязкость сильно уменьшается с повышением температуры. При повышении температуры от 0 ⁰С до 100 ⁰С вязкость масел понижается в сотни раз. Поэтому заливочные и пропиточные электроизоляционные материалы заливают в нагретом состоянии, когда они могут заполнить мельчайшие поры.

ГЛАВА II

ПРОВОДНИКОВЫЕ РАДИОМАТЕРИАЛЫ

════════════════════════════════════════════

2.1. Проводниковые материалы с высокой

проводимостью

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости относятся медь и алюминий, а в интегральной схемотехнике широко применяются также золото, никель, свинец, серебро и система Cr и Au, Ti и Au, молибден и некоторые другие.

Медь. Главнейшими потребителями меди являются электротехника и металлургия. В первой из них медь используется главным образом для изготовления проводникового материала, во второй – для выработки самых различных сплавов с другими материалами.

Медь характеризуется следующими характеристиками и параметрами:

- малое удельное сопротивление;

- достаточно высокая механическая прочность;

- удовлетворительная коррозийная стойкость;

- хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы и ленту, протягивается в проволоку толщиной до тысячи долей миллиметра;

- относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают из ее сернистых руд в специальных конверторах. Выплавленная черновая медь содержит обычно 95 – 98 % Сu. От большей части имеющихся в ней примесей освобождаются переплавкой на пару отражательной печи, причем получается «штыковая» медь с содержанием до 99,7 % Сu. Для получения особенно чистого металла медь подвергается электролитической очистке.

В качестве проводникового материала используют медь марок М1 (9,99 % Сu) и М0 (99,95 % Сu). Удельная проводимость меди, как и других металлов сильно зависит от наличия и вида примесей. Примеси ведут к увеличению удельного сопротивления металлов. Особенно резкое возрастание наблюдается в случае, когда примеси и сплавной металл образуют друг с другом твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. Медь может содержать примеси Zn, Cd, Ag, Ni, Sn, Al, Be, As, Si и P. Влияние примесей некоторых металлов на удельную проводимость меди приведен на рис. 2.1. После электролитической очистки катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80 – 90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит. Наклеп – процесс изменения деформации металла под влиянием деформации в холодном состоянии, в результате которой повышается прочность и снижается пластичность металла.

Рис. 2.1. Влияние примесей на электропроводность меди.

Удельная проводимость чистой меди принята за 100 %.

Примеси указаны у кривых.

Если же медь подвергнуть обжигу, т.е. нагреву до несколько сотен градусов с последующим охлаждением, по получится мягкая медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и более высокую удельную проводимость. Влияние отжига на удельное сопротивление меди можно увидеть на рис. 2.2.

Из твердой меди изготавливают контактные провода, шины распределительных устройств, пластины электрических машин и пр. мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и отсутствие пружинистости, а не прочность.

Рис. 2.2. Влияние отжига на удельное сопротивление меди.

Свойства медной и алюминиевой проволоки даны в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Параметр	Медь		Алюминий
	МТ	ММ	АТ	АМ
Предел прочности при растяжении , МПа, не менее	360-390	260-280	160-170	80
Относительное удлинение при разрыве , %, не менее	0,5-2,5	18-35	1,5-2	10-80
Удельное сопротивление , мкОм∙м, не более	0,0179 -0,0182	0,01754	0,0295	0,0290

Кроме чистой меди в различных отраслях электротехники в качестве проводникового материала применяют ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы называют бронзами. Бронзы применяют для изготовления токопроводящих пружин и т.п. состав и свойства некоторых медных сплавов, применяемых в электротехнике, указаны в таблице 2.2.

Самой большой механической прочностью и твердостью обладает кадмиевая бронза. Поэтому ее применяют особо контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения.

Таблица 2.2.

Сплав	Состояние	Удельная проводимость , % по отношению к меди	Предел прочности при разрыве , МПа	Относительное удлинение при разрыве , %,
Кадмиевая бронза (0,9 % Cd)	Твердая отожженная	83-90 95	До 1050 310	4 До 50
Бронза (0,8 % Cd, 0,6 % Sn)	Твердая отожженная	50 – 55 55 – 60	До 730 290	4 До 55
Бронза (2,5% Al, 2% Sn)	Твердая отожженная	15 – 18 15 –18	До 970 370	4 До 45
Фосфористая бронза 7 % Sn, 0,1 % P	Твердая отожженная	10 – 15 10 – 15	До 1050 400	3 До 60
Латунь (30 % Zn)	Твердая отожженная	25 25	До 880 320-350	5 До 60-70

Латунь обладает достаточно высоким относительным удлинением и поэтому легко поддается штамповке, глубокой вытяжке и т.п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления токопроводящих деталей различной формы и профиля.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом и как проводниковый материал все чаще заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

Алюминий. Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом и относится к легким металлам, т.е. металлов с плотностью менее 5000 кг/м³. плотность алюминия приблизительно в 3,5 раза легче меди. Главная масса алюминия сосредоточена в алюмосиликатах. Продуктами разрушения алюмосиликатов является каолин (Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O), боксит (Al₂O₃∙xH₂O) и криолит (AlF₃∙3NaF).

Элементарный алюминий в настоящее время получают электролизом раствора боксита в расправленном криолите. Электропроводность алюминия очень высока и составляет приблизительно 0,6 электропроводности меди. Будучи в три с лишним раза легче последней, алюминий полностью вытеснил медь в производстве электрических проводов.

Обусловлено это главным образом тем, что при сечении, обеспечивающем равную электропроводность, вес алюминиевых проводов в двое меньше, чем медных. При этом надо учесть, что тонна алюминия дороже тонны меди менее чем в два раза и алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий марки А1, содержащий не более 0,5 % примесей. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям для меди. Из алюминия может прокатывается тонкая (до 6 – 7 мкм) фольга, применяемая в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах. Данный материал по сравнению с другими металлами, которые можно было бы использовать (например, никель, хром) для изготовления конденсаторов дает значительно меньшее число коротких замыканий. Это объясняется низкой температурой испарения алюминия.

Алюминий применяется для металлизации – процесса создания внутрисхемных соединений, контактных площадок, электродов диодов и транзисторов на поверхности кристалла или подложки интегральных микросхем (ИМС). При этом алюминий представляет собой пленку толщиной от 0,5 до 2 мкм. Для осуществления металлизации можно применить золото, никель, свинец, серебро, хром, алюминий и системы Or-Au, Ti-Au, Mo-Au, Ti-Pt-Au и т.д.

В кремниевых ИМС для создания металлизации наибольшее применение нашел алюминий, так как он обладает следующими необходимыми качествами:

- нанесенный в виде тонкой пленки, имеет высокую проводимость, близкую к проводимости объемного материала;

- хорошую адгезию к кремнию;

- испаряется в вакууме;

- достаточно пластичен и выдерживает циклические изменения температуры;

- имеет невысокую стоимость.

Металлизация проводится методом термического испарения в вакууме. Алюминий на воздухе активно окисляется тонкой оксидной пленкой. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, не создает большое переходное сопротивление. Поэтому соединение внешних выводов с контактными площадками микросхемы осуществляют с помощью сварки с применением ультразвуковых паяльников или пайки с применением специальных паст – припоев.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Сплав альдрей содержит 0,3 – 0,5 %Mg, 0,4 – 0,7 % Si и 0,2 – 0,3 Fe (остальное алюминий). Альдрей в виде проволоки имеет плотность 2,7 Мг/м³, его =350 МПа, =6,5 %; = 23∙10^-6 К^-1; =0,0317 мкОм∙м; =0,0036 К^-1. Таким образом, альдрей практически сохраняя легкость алюминия и будучи довольно близким к нему по удельной проводимости, в то же время по механической прочности приближается к твердотянутой меди.

Разные металлы. Ниже приводятся некоторые свойства металлов нашедших применение при производстве и монтаже электронных и электрических приборов, кабелей и т.п.

Золото – металл, обладающий высокой пластичностью, = 0,024 мкОм∙м. В электрорадиотехнике золото используется как контактный материал для коррозионно–устойчивых покрытий, электродов, при создании диодов и транзисторов с переходом Шоттки.

Серебро – металл, стойкий против окисления при нормальной температуре. Серебро имеет (при нормальной температуре) наименьшее значение удельного сопротивления = 0,016 мкОм∙м и используется для изготовления контактов полупроводниковых приборов, а также в качестве обкладки керамических и слюдяных конденсаторов.

Платина – металл, не окисляющийся в нормальных условиях, и весьма стойкий к химическим реагентам. Платина может вытягиваться в особо тонкие нити диаметром около 1 мкм, которые затем используются для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборов. Кроме того, платину применяют для изготовления термопар для измерения высоких температур – до 1600 ⁰С, а также для изготовления пасты, используемой для вьюнчания электродов на монолитные керамические конденсаторы.

Свинец – мягкий, пластичный, малопрочный металл с высоким удельным сопротивлением = 0,21 мкОм∙м. Обладает очень высокой коррозионной стойкостью, устойчив к действию воды, серных и соляных кислот и ряда других реагентов. Свинец в больших количествах применяют в качестве оболочек, защищающих изоляцию электрических кабелей от проникновения в нее влаги. Свинец используют также для изготовления плавких предохранителей, так как имеет довольно низкую температуру плавления – 327 ⁰С.

Олово – мягкий, тягучий металл, позволяющий получать путем прокатки тонкую фольгу толщиной 6 – 8 мкм. Фольга с присадками 15 % свинца и 1 % сурьмы применяется в производстве некоторых типов слюдяных конденсаторов. В большом количестве олово используют для приготовления бронз и припоев.

Цинк – металл, очищаемый электролитически. Цинк применяется в качестве защитных покрытий, составной части латуни. Кроме того, он используется в фотоэлементах и для металлизации бумаги в малогабаритных металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят путем испарения цинка в вакууме при температуре 600 ⁰С.

Кадмий – металл, также как и цинк очищаемый электролитически. Применяется для изготовления фотоэлементов и покрытий СВЧ – волноводов в место серебра. Кадмий входит в состав ряда припоев и бронз.

Индий – металл с низкой температурой плавления (156 ⁰С), используется в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве полупроводниковых диодов и транзисторов.

Галлий – металл, плавящийся почти при комнатной температуре (29,7 ⁰С). Как и индий, применяют в полупроводниковой технике в качестве акцепторной примеси для германия.

2.2. Проводниковые материалы с высоким

сопротивлением

Сплавы высокого сопротивления. К сплавам высокого сопротивления относятся материалы с при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм∙м. Они применяются при изготовлении резисторов, различного рода датчиков, термопар, электронагревательных элементов и т.п.

Значительное возрастание при сплавлении двух и более металлов происходит лишь в том случае, если они образуют твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

При сплавлении двух металлов различной химической природы с изменением процентного содержания каждого из них образуются твердый раствор, когда атомы одного металла входят в пространственную решетку другого металла, либо различные химические соединения, так называемые дальтониды. Примером первого типа сплавов является сплав системы Cu-Ni. Зависимость от процентного содержания компонентов имеет плавный характер (рис.2.3).

В системе Mg-Zn изменение процентного содержания компонентов приводит к возникновению различного рода химический соединений. Род химических соединений (состава) в сплаве системы Mg-Zn и зависимость приведена на рис. 2.4. На кривой в функции состава наблюдаются так называемые сингумерные точки; между этими точками график в функции состава – плавная кривая.

Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию (т.е. компоненты сплава не образуют твердого раствора, и искажения кристаллической решетки не имеет места), то сплава приближённо определяется арифметическим правилом смещения.

При использовании сплавов для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, помимо высокого удельного сопротивления , требуются также высокая стабильность во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления . Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах ( 1000 ⁰С и выше). Во многих случаях из сплавов изготавливаются гибкая проволока диаметром сотых долей миллиметра.

Рис. 2.3. Зависимость от процентного содержания компонентов

Манганин. Широко применяется для изготовления образцовых резисторов и других приборов сплав. Примерный состав его: Cu-85 %, Mn – 12 %, Ni – 3 %. Значение манганина 0,42 – 0,48 мкОм∙м; - весьма мал, (6-50)∙10^-6 К^-1. манганин может вытягиваться в тонкую (до диаметра 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения и стабильного во времени манганиновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550 – 600 ⁰С с последующим медленным охлаждением). Предельная длительно допустимая рабочая температура сплавов типа манганина не более 200 ⁰С. Механические свойства: =450-600 МПа, = 15-30 %. Плотность манганина 8,4 Мг/м³.

Рис. 2.4. Род химических соединений (состава) в сплаве системы Mg-Zn и зависимость : 1- чистый Mg; 2- MgZn; 3- Mg₂Zn₃;

4- MgZn₄; 5- MgZn₆; 6- чистый Zn

Константан – сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля. Именно при таком соотношении меди и никеля константан обладает довольно высоким значением =0,48-0,52 мкОм*м и минимальным значением = - (5-25)∙ 10^-6 К^-1.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре до 40 ⁰С. Константан применяется также при изготовлении термопар, служащих для измерения температуры до несколько сот градусов.

Сплавы на основе железа. Эти сплавы применяют в основном для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется наличием в них металлов, образующих при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Железо также при нагреве легко окисляется, но чем больше содержание железа в сплаве, тем менее нагревостоек («жаростоек») этот сплав.

Сплавы системы Fe-Ni-Cr называют нихромами или (при повышенном содержании железа) ферронихромами; сплавы системы Fe-Ni-Al называются фехралями и хромалями.

Различные сплавы имеют условные обозначения составляемые из букв

и чисел. Буквы обозначают наиболее характерные элементы состава сплава, причем буква, входящая в название элемента, не всегда является первой буквой этого названия (например, Б означает ниобий, В – вольфрам, Г -марганец, Д - медь, К – кобальт, Л – бериллий, Н – никель, Т – титан, Х – хром, Ю – алюминий и т.п.), число соответствует приблизительному содержанию данного компонента в сплаве (в массовых процентах); дополнительные цифры в начале обозначения определяют повышенное (цифра 0) или пониженное количество элемента в сплаве (цифра 1). Так, в таблице 2.3 обозначение ОХ25Ю5 соответствует сплаву особо высокой жаростойкости с содержанием хрома около 25 % и алюминия около 5 %.

Таблица 2.3

Свойства хромоалюминиевых сплавов

Марка сплава	Состав масс. % (остальное Fe)					, мкО∙м	ТК, 10^-6К^-1	Тмах. раб, ^0С
	Cr	Al	C	Si	Mn
Х13Ю4	12-15	3,5-5,5	0,15	1,0	0,7	1,26	150	750
1Х17Ю5	16-19	4,0-6,0	0,12	1,2	0,7	1,30	60	850
1Х25Ю5	23-27	4,5-6,5	0,12	1,2	0,7	1,40	50	1000
0Х25Ю5	23-27	4,5-6,5	0,06	0,6	0,7	1,40	50	1400

Если оксид летуч, то он не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, поэтому такие металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же оксид не летуч, то он при окислении образует плёнку на поверхности металла.

Наибольшей стойкостью на воздухе при высокой температуре обладают сплавы, у которых ТКl и их оксидных пленок имеют близкие значения. Этим объясняется стойкость хромоникелевых сплавов. При резких сменах температуры может иметь место растрескивание оксидных пленок; тогда при последующих нагревах кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и приводит дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем в случае непрерывной работы элемента при той же температуре (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Свойства сплавов типа нихром

Марка сплава	Состав масс. % (остальное Fe)			Плот-ность, Мг/м^3	, мкО∙м	ТК, 10^-6К^-1	Тмах. раб, ^0С
	Cr	Ni	Mn
Х15Н60	15-18	55-61	1,5	8,2-8,3	1,1-1,2	100-200	1000
Х20Н80	20-23	77-78	1,5	8,4-8,5	1,0-1,1	100-200	1100

Немаловажное значение для срока жизни элементов из нихрома и других жаростойких сплавов имеет наличие колебаний значений сечения проволоки по ее длине; в местах с уменьшенным сечением проволока перегревается и элементы легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много увеличена, если исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. Для этого в трубчатых нагревательных элементах проволоку из сплава с высоким сопротивлением помещают в трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняют порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). Такие нагревательные элементы применяют в электрических кипятильниках, которые могут работать длительное время без повреждений.

Фехрали и хромали намного дешевле нихромов, но более тверды и хрупки и из них могут быть получены проволоки с большим, чем у нихромов, поперечным сечением. Поэтому эти сплавы с основанием используются для электронагревателей большой мощностью и промышленных электрических цепей (электротермия).

Сплавы для термопар. На границе соприкосновения (контакта) двух различных металлов (или полупроводников) возникает контактная разность потенциалов. Она обусловлена различием значений работы выхода электронов и различием значений концентрации свободных электронов соприкасающихся металлов.

Составим из двух различных проводников замкнутую цепь. Если температура контактов одинакова, то сумма разностей потенциалов равна нулю. Однако если температура контактов неодинакова, то полная Э.Д.С. цепи называется термоэлектродвижущей силой (Т.Э.Д.С.).

Если один из спаев находится при температуре Т, а другой при более высокой температуре Т₁, то полная Т.Э.Д.С. равна

,

где n_A и n_B – концентрация свободных электронов в металлах А и В соответственно, К – постоянная Больцмана, q – заряд электрона.

Провод, составленный из двух различных металлов или сплавов, использующийся для измерения температур называют термопарой.

Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:

1) комель (44 % N_i и 56 % Cu);

2) алюмель (95 %, остальное – Al, Si и Mg );

3) хромель (90 % N_i и 10 % Cr);

4) платинородий (90 % Pt и 10% Rh).

В таблице 2.5 приведены значения Т.Э.Д.С. для некоторых особенно употребительных пар металлов.

Таблица 2.5.

Термоэлектродвижущие силы при температуре

холодного спая 0 ⁰С

Разность температур Т-Т1 в 0 ^0С	Т.Э.Д.С. (в милливольтах)
	Платина - платинородий	Константан - железо	Константан - медь
1	0,00	0,00	0,00
100	0,64	5,2	4,3
200	1,42	10,5	9,3
300	2,29	15,8	14,9
500	4,17	26,6	-
800	7,31	43,4	-
1000	9,56	-	-
1500	15,45	-	-
1700	17,81	-	-

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

а) платина – платинородий - до 1700 ⁰С;

б) константан – медь и копель – медь – до 350 ⁰С;

в) константан – железо, копель – железо и копель – хромель – до

600 ⁰С;

г) хромель – алюминий – до 900-1000 ⁰С.

Для измерения сверх низких температур можно использовать пару железо – золото.

Непроволочные резисторы. В качестве проводящих материалов непроволочных линейных резисторов могут быть использованы природный графит, сажа, пиролитический углерод, бороуглеродистые пленки, высокоомные сплавы металлов и другие материалы.

Непроволочные резисторы, отличающиеся от проволочных уменьшенными размерами и высоким сопротивлением, широко применяются в автоматике, измерительной и вычислительной технике и др. Основное требование к ним – высокая стабильность номиналов при повышенной температуре и влажности.

Природный графит – чистый углерод слоистый структуры и с большой анизотропией как электрических, так и механических свойств. Чистый углерод в модификации алмаза – это диэлектрик с высоким удельным сопротивлением . У монокристалла графита ТК= -400∙10^-4 К^-1 и ТКl=6,6∙10^-6 К^-1.

Сажа представляет собой мелкодисперсный углерод с примесями смолистых веществ. Сажа в качестве пигмента (краски) входит в состав лаков. Такие лаки обладают малым удельным сопротивлением используются для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения.

Бороуглеродистые пленки получают путем пиролиза (термического

разложения без доступа кислорода) борорганических соединений, например, В (С₄Н₉)₃. Эти пленки обладают малым ТК_.

Материалы пленочных резисторов. В пленочных и гибридных интегральных микросхемах (ИМС) пассивные элементы, т.е. резисторы, конденсаторы, катушки и соединения между элементами, выполняются в виде различных пленок, наносимых на подложку.

Принято различать ИМС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Разница между ними замечается не столько в толщина пленок, сколько в различной технологии их нанесения.

Материал, применяемый для получения резистивных пленок должен обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени сопротивлений, обладать низким температурным коэффициентом сопротивления и высокий коррозийной стойкостью.

Подложки представляют собой диэлектрические пластинки толщиной 0,5–1,0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные. Если сопротивление резистора не должно быть очень большим, то пленка делается из сплава высокого сопротивления, например из нихрома. А для резисторов высокого сопротивления применяется смесь металла с керамикой, получившая название кермет. На концах резистивной пленки делаются выводы в виде металлических пленок, соединяющие резистор с другими элементами. Сопротивление пленочного резистора зависит от толщины и ширины пленки, ее длины и материала.

Удельное сопротивление пленочных резисторов выражают в особых единицах - Омах на квадрат, так как сопротивление данной пленки в форме квадрата не зависит от размеров квадрата. Действительно, если сделать сторону квадрата, например, в два раза больше, то длина пути тока увеличивается вдвое, но и площадь поперечного сечения пленки для тока также возрастает вдвое; следовательно, сопротивление остается без изменения.

Свойства некоторых материалов, предназначенных для изготовления тонкопленочных резисторов, приведены в таблице 2.6.

Как видно из таблицы 2.6 температурная стабильность тонкопленочных резисторов характеризуется значением ТК примерно 0,25∙10^-4 К^-1. В течение длительного времени эксплуатации сопротивление этих резисторов мало изменяется. Точность их изготовления с подгонкой 0,05 %.

При изготовлении тонкопленочных гибридных ИМС применяются специальные пасты, которые подразделяют на резистивные (для резисторов), диэлектрические (для конденсаторов и изоляционных слоев) и проводящие (для проводников, контактных площадок и обкладок конденсаторов).

Таблица 2.6.

Материал	Поверхн. сопр., Ом/квадрат	ТК, 10^-6К^-1	Материал	Поверхн. сопр., Ом/квадрат	ТК, 10^-6К^-1
Золото	5-10	3000	Нитрид тантала	50-500	100
Платина	15-20	3000	Кремний – хром	10^3-10^4	20-250
Палладий	20-30	2000	Никель	100-300	250
Титан	50-100	700	Окись олова	10-10^3	250
Хром	50-3000	600	Вольфрам	10^2-10^4	100
Нихром	10-400	50-500	Палладиево- серебренная глазурь (кермет)	10^2-10^5	500

В качестве резистивных паст используют композицию на основе серебра и палладия, окислов рутения, индия, олова, а также нитрид – танталовые пасты. В качестве связующего вещества обычно применяют свинцовоборосиликатные стекла.

Толстопленочные резисторы имеют удельное сопротивление от 5 Ом до 1 Мом на квадрат, номиналы от 0,5 до 5∙10⁸ Ом, точность изготовления с подгонкой 0,2 %. Их стоимость во времени хуже, чем у тонкопленочных резисторов.

ГЛАВА III

ДИЭЛЕКТРИКИ

════════════════════════════════════════════

3.1. Электрические свойства диэлектриков

Диэлектрики в радиотехнике используются в качестве электроизоляционных материалов, либо для создания заданной емкости. Под влиянием электрического поля в нем происходят процессы (поляризация), приводящие к нагреву диэлектрика, появлению сквозного тока, т.е. к появлению электрической проводимости. При воздействии на диэлектрик высокого напряжения может произойти пробой.

Поляризация диэлектриков. Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной ёмкости (рис 3.1). Заряд конденсатора равен

, (3.1)

где С - емкость конденсатора

U – приложенное к нему напряжение.

Рис. 3.1. Расположение зарядов в поляризованном

диэлектрике плоского конденсатора

В любом веществе всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под действием внешнего электрического поля Е связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении. В результате в первоначально незаряженном диэлектрике в электрическом поле возникает электрические заряды. На диэлектрике появляются электрические полюсы, отчего и самое явление получило название поляризации диэлектриков.

Количество электричества Q при заданном U слагается из двух составляющих: Q₀, которое присутствовало бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и Q_д, которое обусловлено поляризацией диэлектрика, разделяющего электроды:

(3.2.)

Важнейшей характеристикой диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость :

(3.3.)

Значение характеризует способность диэлектрика образовывать электрическую емкость. Для характеристики качество диэлектриков используется именно это значение диэлектрической проницаемости, причем слово «относительная» для краткости опускается. любого вещества больше единицы.

Основные виды поляризации диэлектриков. В диэлектриках с различным агрегатным состоянии и структурой различают два основных вида поляризации.

В одних диэлектриках поляризация под воздействием электрического поля совершается практически мгновенно без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Второй тип поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией (релаксация- процесс установления статического равновесия).

К первому виду поляризации относятся электронная и ионная, остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. У разных диэлектриков могут одновременно наблюдаться несколько механизмов поляризации одновременно.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации около 10^-15 с. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных ионов. Время установления ионной поляризации - порядка 10^-13 с.

Дипольно-релаксационная или просто дипольная поляризация наблюдается в веществах с дипольными молекулами, находящихся в хаотическом тепловом движении. Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поляризация вещества с потерями энергии. Примером вещества с этим видом поляризации является целлюлоза.

Ионная–релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля выстраиваются вдоль поля.

Электронно–релаксационная поляризация возникает в диэлектриках с высоким показателем преломления (двуокись титана с примесями ниобия, кальция, бария). Диэлектрическая проницаемость титаносодержащей керамики с электронно–релаксационной поляризацией имеет высокое значение и уменьшается с возрастанием температуры.

Классификация диэлектриков по виду поляризации.

По особенностям поляризации диэлектрики подразделяются на четыре группы.

К первой группе относятся диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород).

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно–релаксационной поляризациями. Сюда принадлежат полярные (содержащие постоянные диполи) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно–канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза и др.).

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно – релаксационной поляризациями. К ним относятся кварц, слюда, корунд, неорганические стекла, фарфор, миколекс и др.

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся электронной, ионной и электро- ионно – релаксационной поляризациями: сегнетова соль, метатитанат бария и др.

Зависимость диэлектрической проницаемости от различных факторов.

Зависимостьот частоты. В диэлектриках с электронной и ионной поляризацией нет заметной зависимости от частоты (рис. 3.2) У ионных кристаллов начинает падать в инфракрасном диапазоне (10¹² – 10¹⁴ Гц). У полярных диэлектриков начинает снижаться уже в радиочастотном диапазоне.

Рис. 3.2. Зависимость от частоты f для неполярных полимеров:

а - политетрафторэтилена; б – полистирола

Зависимость от температуры у неполярных диэлектриков вследствие теплового расширения вещества количество поляризующихся молекул в единицу объема уменьшается. Поэтому при повышении температуры уменьшается (рис. 3.3 а, б). Резкое изменение для парафина объясняется его переходом из твердого состояния в жидкое. У большинства твердых ионных диэлектриков (кристаллы, стекла, керамические материалы, ситаллы и др.) при росте температуры увеличивается (рис. 3.3 г), что связано с ростом ионной поляризуемости. У полярных диэлектриков при повышении температуры появляется дипольная поляризация, что обуславливает значительное увеличение . При дальнейшем росте температуры поляризация уменьшается, а следовательно уменьшается (рис 3.3 в).

Рис. 3.3. Зависимость от температуры у неполярных диэлектриков

Электропроводность диэлектриков. Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают весьма незначительный ток утечки. Чем меньше ток утечки, тем выше качество электроизоляционного материала.

Ток утечки складывается из объемного сквозного тока I_V и поверхностного сквозного тока I_S :

Следовательно, проводимость G=I/U равна сумме объемного G_V и поверхностной проводимостей G_S:

Величина, обратная указанным проводимостям, называют объемным R_V и поверхностным R_S сопротивлениями. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:

Под удельным сопротивлением диэлектрика понимают удельное объемное сопротивление. Из-за увлажнения окисления, загрязнения поверхностных слоев твердого диэлектрика создается заметная поверхностная электропроводность. Поэтому диэлектрик характеризуется и значение удельного поверхностного сопротивления .

Удельное объемное сопротивление твердых диэлектриков с ростом температуры изменяется по экспоненциальному закону

где n, - концентрация и подвижность ионов.

Зависимость от Т связана с ростом .

Для дерева, мрамора и др. =10⁶ - 10⁸ Ом∙м, для полистирола, фторлона, кварца оно достигает 10¹⁴ - 10¹⁶ Ом∙м.

Характер зависимости диэлектриков от температуры, влажности, величины приложенного схоже с характером изменения .

Диэлектрические потери.

Диэлектрическими потерями называют часть энергии диэлектрика, находящегося в электрическом поле, которая переходит в тепло. Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают его сильный нагрев и разрушения.

В постоянном электрическом поле процесс установления поляризации происходит однократно и выделяющее при этом тепло незначительно по сравнению с непрерывным выделением тепла вследствие протекания тока утечки. В переменном электрическом поле за время одного периода поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает.

Если в диэлектрике происходит релаксационная поляризация, то при высоких частотах электрического поля максимум поляризации отстает во времени от максимума напряженности поля, т.е. появляется сдвиг фаз между напряженностью поля и поляризацией. Этот сдвиг фаз и обуславливает величину диэлектрических потерь. При отсутствии сдвига фаз отсутствуют потери, т.к. нагрев диэлектрика компенсируется охлаждением.

Величина диэлектрических потерь Р в диэлектрике, находящиеся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

, (3.4)

где U- напряжение на обкладках конденсатора,

- круговая частота,

С – емкость конденсатора

tg- тангенс угла диэлектрических потерь, равный отношению активной слагающей тока в диэлектрике к реактивной.

Диэлектрические потери в кубическом сантиметре диэлектрика в однородном поле равны:

(3.5)

где Е- напряженность среднего поля, - диэлектрическая проницаемость.

Пробой диэлектриков.

Диэлектрик в диэлектрическом поле может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением U_пр, а соответствующее значение напряженности поля - электрической прочностью диэлектрика. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

(3.6)

где h - толщина диэлектрика. На практике U_пр выражается в киловольтах, а h – в миллиметрах.

Пробой газов.

В газе всегда содержатся электроны. В электрическом поле электроны приобретают добавочную кинетическую энергию. Когда кинетическая энергия электронов превышает некоторое значение, характерное для данного вещества, электроны при столкновении с атомами газа производят ионизацию, т.е. освобождать электроны, связанные с атомами. Этот процесс называется ударной ионизацией. Освобожденные электроны, накопив достаточную кинетическую энергию, сами становятся способными ионизовать и таким образом количество электронов лавинообразно нарастает. Процесс ударной ионизации играет основную роль при пробое газов.

Пробой жидких диэлектриков.

В жидких диэлектриках всегда присутствуют примеси воды, газа и твердых частичек. При высокой напряженности электрического поля происходит вырывание электронов из металлических электродов, ионизация молекул газа. Появляются свободные электроны, т.е. происходит ударная ионизация. Молекулы воды в сильном электрическом поле поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Пробой твердых диэлектриков.

В случае однородного поля и полной однородности диэлектрика (например, монокристаллы щелочно - голоидных соединений и некоторых органических полимеров) в нем электрический пробой является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Большинство диэлектриков обладает неоднородной структурой. В таких диэлектриках всегда имеются дефекты, газовые включения. И поэтому в них могут происходить электрический, тепловой и электрохимический виды пробоя. Тепловой пробой связан с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь и сводится к разогреву материала в электрическом поле до температуры, когда теряются электроизоляционные свойства диэлектрика. Электрохимический вид пробоя изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Он наступает тогда, когда сильны явления электролиза с выделением в материале химически активных веществ, или образуются полупроводниковые соединения.

3.2. Твердые органические диэлектрики

Общие сведения об органических полимерах. Органическими полимерами, или высокомолекулярными соединениями, называют органические вещества, т.е. соединения углерода с другими элементами, состоящие из больших и гибких молекул с ценным строением. К высокомолекулярным соединениям принадлежат некоторые природные вещества, например целлюлоза, щелк, белки, каучук и синтетические материалы, изготовляемые из низкомолекулярных веществ (природный газ, нефть, уголь и т.п.). Полимеры широко применяются в электроизоляционной технике, особенно синтетические.

Полимеры образуют из мономеров - низкомолекулярных соединений, состоящих из одного звена или его части и способные вступать в реакцию полимеризации. При полимеризации молекулярная масса увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество переходит из газообразного или жидкого состояния в состояние твердого тела. Реакции, при которых образование полимера протекает с выделением побочных продуктов, называют реакциями поликонденсации. Полимеры характеризуются степенью полимеризации n – число молекул мономера, объединившихся в одну молекулу полимера. Чем выше степень полимеризации, тем выше температура плавления. В зависимости от формы и строения молекул полимеры делят на две группы – линейные и пространственные. Линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны; при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем расплавляются. Пространственные полимеры обладают большой жесткостью; размягчаются лишь при высоких температурах и при достижении температуры размягчения химически разрушаются (сгорают). Линейные полимеры растворяются в соответствующих растворителях, а пространственные же практически нерастворимы.

3.3. Пластмассы, изоляционные лаки, эмали,

компаунды

Если в широком интервале температур полимеры остаются мягкими (пластичными) и легко деформируются, их называют эластомерами, или каучуками. Если же в указанных условиях полимерами ведут себя как жесткие твердые тела, их называют пластомерами, пластическими массами или полимерными стеклами.

По химическому составу органические полимеры разделены на три класса:

1) карбоценные;

2) гетероценные;

3) элементорганические.

В первый класс входят органические полимеры, цепи которых состоят только из атомов углерода. В этот класс входят синтетические каучуки, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметил-метакрилат, тефлон, фторопласты.

Во второй класс входят органические полимеры, в цепь которых, кроме атомов углерода, входят также атомы кислорода, азота, серы или фосфора. К гетероценным полимерам относятся полиэтилентерефталат, крахмал, белки и др.

Элементорганические полимеры - это такие высокомолекулярные соединения, в цепь которых, кроме углерода, входят атомы других элементов. Наибольшее практическое применение нашли кремнийорганические соединения, такие как эластомеры, пластические массы и покрытия.

Сложные смеси высокомолекулярных органических веществ на практике называют смолами. Они имеют сходную химическую природу и общие физические свойства. При низких температурах смолы – это аморфные, стеклообразные хрупкие массы. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими. Применяемые в электроизоляционной технике смолы большей частью нерастворимы в воде, но растворяются в подходящих органических растворителях. Наибольшее значение в электрической изоляции имеют синтетические смолы (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, фторопласт, лавсан, эпоксидные смолы и др.).

Полимеры высоких частот.

Фтороласт – 4 (политетрафторэтилен, ПТФЭ) получают путем полимеризации тетрафторэтилена F₂C=CF₂. За рубежом имеет название тефлон. ПТФЭ обладает высокой нагревостойкостью (250 ⁰С). Он исключительно стоек химически, негорюч, не смачивается водой и другими жидкостями. Имеет белый или сероватый цвет. По электроизоляционным свойством ПТФЭ является самым лучшим диэлектриком: его =2,0 при 50-10¹⁰ Гц; tg = 0,0001-0,0003; = 10¹⁶ Ом∙м. Сохраняет гибкость при Т<80 ⁰С. Из него получают различные фасонные изделия, листы, гибкие пленки, изоляцию кабельных изделий и т.п. Стоимость ПТФЭ высока, поэтому он применятся только в случае, когда на изоляцию одновременно воздействуют высокие или низкие температуры, химически активные среда, влага и т.п.

Полиэтилен получают полимеризацией газообразного этилена Н₂С=СН₂. В настоящее время имеется три способа полимеризации этилена: при высоком до 300 МПа давлении и температуре около 200 ⁰С (полиэтилен высокого давления ПЭВД); при низком 0,3-0,6 МПа и температуре около 80 ⁰С (полиэтилен низкого давления ПЭНД); при среднем 3-7 МПа давлении и температуре около 200 ⁰С (полиэтилен среднего давления ПЭСД). При этом используются различные катализаторы. Температура плавления 120-130 ⁰С, плотность 0,92-0,97 Мг/м³, tg =0,0001-0,0005, =2,3-2,4, =10¹³-10¹⁵ Ом∙м. Полиэтилен различных типов широкого используется в изоляции кабелей (как радиочастотных и кабелей телефонной связи, так и силовых); выпускается в виде пленок лент и других изделий.

Полистирол образуется в результате полимеризации жидкого мономера стирола С₈Н₈. Температура размягчения полистирола составляет +(70-85) ⁰С. Недостатками его является хрупкость при пониженных температурах, образования трещин, малая стойкость к действию растворителя и невысокая нагревостойкость.

Полиэтилен и полистирол является неполимерными диэликтриками, поэтому они обладают высокими электроизоляционными свойствами и низкой гигроскопичностью. Плотность 1,05 Мг/м³, tg =0,0001-0,0005, =2,4-2,6, =10¹⁴-10¹⁵ Ом∙м.

Полимеры низких частот.

Поливинилхлорид – твердый продукт полимеризации газообразного мономера - винилхлорида Н₂С=СН-Сl. В следствии асимметрии строения является полярным диэлектриком и имеет пониженные свойства по сравнению с неполярными полимерами. Поливинилхлорид стоек к действию воды, щелочей, раздавленных кислот, масел, бензина и спирта. Он широко используется для изоляции проводов, защитных оболочек кабелей и т.п. Плотность 1,4-1,7 Мг/м³, tg =0,03-0,08, =3-5, =10¹³-10¹⁴ Ом∙м.

Полиметилметакрилат – полимер метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилата) – СН₂- С(СН₃)(СООСН₃). Полиметилметакрилат известен под названиями органическое стекло или плексиглас. Прозрачный бесцветный материал, который стоек к действию холода, масел и щелочей. При воздействии на него электрической дуги выделяет большое количество газов (СО, Н₂, СО₂), что способствует гашению дуги. Поэтому органические стекло применяют в разрядниках высокого напряжения для быстрого гашения возникающей дуги. Плотность 1,2 Мг/м³, tg =0,02-0,08, =3,5-4,5, =10¹¹-10¹² Ом∙м.

Полиэтилентерефталат (лавсан). Продукт поликонденсации двухатомного спирта (гликоля) НО-СН₂-СН₂-ОН и терефталевой кислоты НООС-С₆Н₄-СООН. При молекулярной массе порядка 30000 лавсан имеет значительную механическую прочность и высокую температуру размягчения (260 ⁰С). Он применяется для изготовления синтетических волокон, гибких плёнок для изоляции эмалированных проводов. За рубежом выпускается под названием «майлар», «дакрон». Плотность 1,1-1,45 Мг/м³, tg =0,002-0,02, =3-4,5, =10¹¹-10¹⁴ Ом∙м.

Эпоксидная смола характеризуется наличием в их молекуле эпоксидных групп Н₂С=О=СН₂. Эпоксидные смолы в чистом виде могут длительно храниться не изменяя свойств. Однако после добавления к ним отвердителей эпоксидные смолы быстро отверждаются. Процесс отверждения представляет собой чистую полимеризацию. В зависимости от типа отвердителя отверждение эпоксидных смол может производиться либо при нагреве (до 80-150 ⁰С), либо при комнатной температуре (холодное отверждение). Для холодного отверждения применяются азотосодержащие вещества (амины); для отверждения при нагреве - ангидриды органических веществ. Эпоксидные смолы обладают высокой адгизной к пластмассам, стеклам, керамике, металлам и другим материалам. Эпоксидные смолы применяются для изготовления клеев, лаков, заливочных компаундов, например для заливки небольших трансформаторов или узлов аппаратуры соединительных муфт кабелей. Плотность 1,1-1,25 Мг/м³, tg =0,01-0,03, =3-4, =10¹²-10¹³ Ом∙м.

Пластические массы (пластмассы) - это композиционные материалы, используемые для изготовления изделий одинаковой формы и размеров. Для этого под влиянием внешнего давления (часто при одновременном нагреве) запрессовывается пластмасса.

Пластмассы широко применяют в электротехнике как в качестве электроизоляционных, так и в качестве чисто конструкционных материалов. Многие пластмассы имеют высокую механическую прочность, хорошие электроизоляционные свойства и малый вес (плотность пластмасс обычно от 0,9 до 1,8 Мг/м³).

В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основные компонентов: связующего и наполнителя. Связующее – обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. В настоящее время в качестве связующего компонента в значительных количествах используются фенолоформальдегидные смолы. Это продукты поликонденсации фенола Н₅С₆-ОН (или крезола Н₃С-С₆Н₄-ОН) с формальдегидом Н₂СО. Они производятся посредством катализатора. В зависимости от соотношения в растворе фенола и формальдегида получается либо бакелит, либо новолак. Бакелит обладает высокой механической прочность, но мало эластичен. Бакелит применяют при изготовлении пластмасс, в том числе слоистых - гетинакс, текстолита и др. Новолак и после нагреве сохраняет плавкость. Он широко применяется для изготовления пластических масс. Фенолформальдегидные смолы имеют плотность 1,25-1,3 Мг/м³, tg =0,01-0,1, =5-6,5, =10¹¹-10¹² Ом∙м.

Слоистые пластики. В качестве конструкционных и электроизоляционных материалов низкочастотных цепей широко применяют слоистые пластики, в которых основой является тот или иной листовой волокнистый материал. К ним относятся гетинакс, текстолит и др.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Пропитку бумаги смолой производят различными способами: лаковым, путем нанесения расплавленной смолы или путем пропитки водной смоляной суспензией. Последний способ наиболее экономичен и позволяет получить материал вполне удовлетворительного качества.

Пропитанную бумагу нарезают листами необходимого формата, собирают пачками нужной толщины и укладывают между стальными плитами гидравлического пресса. Прессы для производства слоистых пластиков с целью повышения производительности выполняют с располагаемыми в несколько «этажей» обогревательными плитами, заготовки из пропитанной бумаги закладывают одновременно во все этажи. Во время прессования тепло от плит передается прессуемому материалу; феноло-формальдегидная смола расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдельными листами, затем запекают (переходя в стадию С), отверждается и прочно связывает отдельные слои бумаги.

При прессовании гетинакса обычно давление на материал (100 - 120) 10⁵ н/м²; температура плит пресса 160-165 ⁰С; время выдержки под давлением между горячими плитами пресса – от 2 до 5 мин. На каждый миллиметр толщины досок.

Свойства гетинакса, предназначенные для использования в радиоаппаратуре, приведены в табл.3.1.

В результате слоистого строения гетинакса электрические свойства в перпендикулярном (даны в табл. 3.1) и параллельном направлениях слоями различны. Так, например, удельное объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев 50-100 раз ниже, чем поперек слоев - электрическая прочность вдоль слоев в 5-8 раз ниже, чем поперек. Гетинакс можно обрабатывать механически. При этом режущий инструмент желательно иметь из твердых сплавов; станки должны быть снабжены тягой для удаления пыли; скорости резания даются большие при небольших подачах; охлаждение можно вести только воздушной струей. При штамповке тонкого гетинакса часто применяют предварительный подогрев для уменьшения растрескивания

краев детали. Торцы штампованных деталей рекомендуется защищать электроизоляционным лаком. Не следует сфрезеровывать поверхностный слой материала, так как такая обработка ведет к ухудшению влагостойкости гетинакса.

Для изготовления печатных схем низкочастотных цепей радиоаппаратуры используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается 7 марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной или двух сторон электролитической красномедной фольгой толщиною 0,035 - 0,05 мм.

Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется не из пропитанной бумаги, а из пропитанной хлопчатобумажной ткани. Из табл. 3.1 видно, что электрические и механические свойства при статическом напряжении нагрузки у текстолита из хлопчатобумажной ткани ниже, чем у гетинакса, зато он имеет повышенную удельную ударную вязкость.

Стеклотекстолит – это листовой материал с повышенными нагревостойкостью и механической прочностью, который изготавливают путем прессования бесщелочной стеклянной ткани, пропитанный керамикоорганическим лаком, а для некоторых марок-композицией из кремнийорганики и эпоксидных смол. Свойства стеклотекстолита приведены в табл. 3.1.

Рис. 3.4. Зависимость минимальной электрической прочности гетинакса Г, текстолита Т и стеклотекстолита СТ от толщины листов при частоте 50 Гц

На рис. 3.4 приведена зависимость минимальной электрической прочности гетинакса Г, текстолита Т и стеклотекстолита СТ от толщины листов при частоте 50 Гц. Перед испытанием образцы выдерживались при температуре 70 ⁰С в течение 4 ч., после чего находились при температуре 205 ⁰С в течение 6 ч. При относительной влажности 653 %. Текстолит испытывался на пробой в масле при температуре 90 2 ⁰С.

Из рисунка видно, что электрическая прочность стеклотекстолита почти в три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.

3.4. Твердые неорганические диэлектрики.

Радиокерамические материалы

Стекла - неорганические аморфные вещества, представляющие собой обычно системы различных оксидов. Кроме стеклообразующих оксидов, каждый из которых способен образовать стекло (SiO₂, B₂O₃), в состав стекол входят и другие оксиды: щелочная – Nа₂О, К₂О, щелечноземенльные – СаО, ВаО, а также РbО, Al₂O₃ и др. Основную часть большинства стекол составляет SiO₂; такие стекла называют силикатными.

Стекло получается при быстром охлаждении расплавленной смеси оксидов (стекломассы). Если вести охлаждение расплава медленно, то увеличивается вероятность перехода вещества в кристаллическое состояние.

Размягченные нагревом до достаточно высокой температуры стекло легко обрабатывается путем выдувания, вытяжки, прессовки, литья.

Плотность стекол колеблется от 2000 до 8000 кг/м³; плотность обычных силикатных стекол близка к 2500 кг/м³. Прочность стекол при сжатии (6000÷21000 МПа) много больше, чем при растяжении (100÷300 МПа).

Как и другие аморфные материалы, стекла не имеют резко выраженной температуры плавления. Температура размягчения большинства стекол находятся в пределах от 400 до 1600 ⁰С; последнее значение соответствует кварцевому стеклу (состава 100 % SiO₂).

Обычные стекла прозрачны для лучей видимой части спектра. При добавлении СаО получают синее, Сr₂О₃- зеленое, UО₂- желтое стекло.

Показатель преломления света n различных стекол колеблется от 1,47 до 1,96.

Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава. Решающее влияние на Е_пр оказывают воздушные включения – пузыри в толще стекла. При постоянном напряжении в однородном электрическом поле Е_пр стекла достигает 500 МВ/м. При высоких частотах или при высоких температурах пробой стекла имеет тепловой характер.

По применению в радиоэлектронике различают следующие виды стекол.

Элекровакуумные стекла. Используются для баллонов, ножек ламп, различных электронных приборов.

Изоляторные стекла. Стекла легко металлизируются в качестве герметизированных вводов в конденсаторах различных типов. Изоляторы изготовляют из натриевых, калиевых и калиево - натриевых стекол.

Конденсаторные стекла. Для конденсаторов используют силикатно - свинцовые и бариевые стекла. Эти стекла имеют повышенные электрические свойства.

Лазерные стекла. Стекло может быть использовано в качестве матрицы для активных атомов ОКГ. В практике применяют бариевое стекло, активированное различными редкоземельными ионами и, в частности, неодимом Nd³⁺. Из стекол значительно проще создавать однородные стержни больших размеров.

Халькогенидные стекла. Они представляют собой бескислородные стеклообразные сплавы сульфидов, селенидов и теллуридов мышьяка, сурьмы, фосфора, висмута, таллия. Отдельные разновидности этих стекол могут быть как электронными полупроводниками, так и диэлектриками.

Стекла с проводящей поверхностью. Наибольшее распространение получили электроизоляционные стекла с поверхностным прозрачным проводящим покрытием из двуокиси олова (SnO₂), в котором равномерно распределены примеси моноокиси олова (SnO) и металлического олова (Sn). Также слои толщиной в несколько микрон обеспечивают удельное поверхностное сопротивление от 10 до 40 Ом и выше. По свойствам их можно отнести к электронным полупроводникам. В настоящее время для проводящих покрытий используют также пленки окислов титана, индия и др. Стекла с проводящим покрытием применяют для изготовления электролюминесцентных конденсаторов, фотоэлементов, пленочных резисторов и др.

Стекла для изготовления волокна. Для производства стекловолокна используют щелочные алюмосиликатные, бесщелочные, а также малощелочные алюминоборосилактные стекла. Стеклянные волокна имеют диаметр 4-7 мкм. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон, изготовляют стеклянные ткани и ленты. Они идут на изоляцию обмоточных проводов. Кроме того, из стекловолокна изготовляют световоды.

Световоды (оптические кабели связи) - жгуты, скрученные из волокон, имеющих сердцевину и оболочку из стекол разного состава, с различными показателями преломления; причем показатель преломления сердцевины n₁, больше показателя преломления оболочки n₂. Для большинства световодов (рис.3.5). Световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцевина), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной, под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение и, многократно отражаясь, идет вдоль волокна, не выходя в окружающее пространство.

Рис. 3.5. К принципу действия световодов

Диаметр двухслойного стекловолокна 20-30 мкм. В волоконно – оптических системах передачи информационные сигналы распространяются по оптическим световодам.

Аморфные пленки моноокиси кремния (SiO) широко применяют в микроэлектронике в качестве диэлектрика пленочных конденсаторов, резисторов, межслойной изоляции и защитных покрытий микросхем. Любая технология изготовления пленочных элементов обязательно включает операции нанесения пленок из проводящего, резистивного или изоляционного материала на соответствующую подложку. Наиболее широко применяется вакуумное осаждение тонких пленок. Моноокись кремния легко испаряется в вакууме (выше 10^-3-10^-4 Па) при температуре 1100-1200 ⁰С.

Ситаллы. Ситаллы изготовляют путем кристаллизации стекол специального состава («ситалл» - сокращение от слов «силикат» и «кристалл»). Для кристаллизации стекла по всему объему вводят стимуляторы: TiO₂, FeS, фториды и фосфаты некоторых металлов. Такие ситаллы называют термоситаллами. Если стимуляторы кристаллизации являются мельчайшие частицы серебра, золота, меди и др., то получают фотоситаллы. Как правило, электрические ситаллы обладают более высокими электроизоляционными свойствами и электрической прочностью по сравнению с аморфными стеклами и керамикой того же состава.

Ситаллы применяют вместо стекол в технике СВЧ, вместо керамики в конденсаторах. Разработана сегнето - и пьезоситаллы, которые используют в качестве активных диэлектриков.

Электроизоляционная керамика. Керамическими материалами (керамикой) называют неорганические материалы, изделия из которых получают путем обжига при высокой температуре. В результате обжига изделия из керамики являются хорошими электроизоляционными материалами, которые имеют высокую механическую прочность, малый

tg, значительную нагревостойкость, стойкость к электрическому и тепловому старению.

В электротехнике используют керамику в качестве полупроводниковых, магнитных (ферриты), сегнето - и пьезоэлектических материалов и конденсаторостроении.

Фасфор является одним из основных материалов для производства изоляторов различных форм и назначений. Для изготовления фасфора применяют специальные сорта глин (каолин) и минералы: кварц SiO₂ и полевой шпат. Составляющие части очищаются от примесей, измельчаются и перемешиваются с водой. Из фарфоровой массы получают изделия нужной конфигурации, сушат, а затем обжигают. Обжигают при температуре порядка 1300-1400 ⁰С.

Обожженный фасфор состоит из кристаллов муллита 3Al₂O₃ 2SiO₂ и кварца SiO_2, промежутки между которыми заполнены стеклообразным расплавленным полевым шпатом. Фасфор имеет предел прочности при сжатии 400-700 МПа, при растяжении 45-70 МПа; при изгибе 80-150 МПа. Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре высоки при низких частотах и ухудшаются с повышением температуры, а следовательно и частоты. В настоящее время используются усовершенствованный фарфор и керамические материалы, которые отличаются по составу от фарфора.

Радиофарфор представляет собой фарфор с введенным оксидом ВаО, ультрафарфор является дальнейшим усовершенствованием радиофарфора. В нем значительное содержание Al₂O₃. Значение tg ультрафарфора меньше, а больше, чем у обычного электротехнического фарфора.

Алюминоксид в основном состоит из корунда. Обладает высокой нагревостойкостью (рабочая температура 1600 ⁰С), высоким и малым

tg даже при высоких температурах (рис.3.6 ).

Стеатит – разновидность керамики, изготовляемая на основе талька 3MgO∙4SiO₂∙H₂O. Электроизоляционные свойства стеатита высоки (рис. 3.6.). Значение =10.

В конденсаторостроении применяют керамические материалы с высокой (до 10000 и более). В высокочастотных конденсаторах, емкость которых обычно невелика (менее 1000 пФ), используют материалы с =10-100. Если в материале содержится двуокись титана TiO₂ (рутил) или титанат кальция Са TiO₃ (первоксид), то он обозначается буквой Т, если цирконата, то буквой Ц.

Рис.3.6. Температурные зависимости удельного объемного сопротивления некоторых керамических электроизоляционных материалов:

1- фарфор; 2- стеатит; 3- алюминоксид

Диэлектрические потери этих материалов малы (tg =10^-4-10^-2) во всем диапазоне от низких до сверхвысоких частот; в зависимости от состав ТКl= (-1500-100)∙10^-6 К^-1.

Для расчета при высоких температурах и при наличии термоударов применяются специальные виды керамических материалов с малым ТКl на основе кардиерита 2MgO∙2Al₂O∙5SiO₂ (ТКl3∙10^-6 К^-1), двуокиси циркония ZrO₂ (ТКl4∙10^-6 К^-1), титаната алюминия Al₂O3∙TiO₂ (ТКl0,1∙10^-6 К^-1).

Чистые оксиды некоторых металлов весьма нагревостойки и обладают очень высокой теплопроводностью. К ним относятся окиси бериллия ВеО, магния MgO и алюминия Al₂O₃. Керамика ВеО (брокерит) и используется для подложек мощных транзисторов и микросхем.

Материалы подложек гибритных ИМС. Гибритная ИМС (или ГИС) – это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, индуктивности) и дискретных активных компонентов (диоды, транзисторы, тиристоры), расположенных на общей диэлектрической подложке. При разработке конструкции и технологии изготовления ГИС выбор подложки во многом определяет электрические и эксплуатационные параметры микросхемы. Наиболее распространена тонкопленочная технология, при которой на изоляционную подложку наносятся пленки. В таких микросхемах подложка выполняет следующие функции:

а) является основанием, на которое наносятся тонкопленочные элементы;

б) изолирует отдельные элементы тонкопленочной микросхемы;

в) является теплоотводящим элементом конструкции микросхемы.

К подложкам для тонкопленочных микросхем предъявляются следующие требования:

а) гладкая и плоская поверхность;

б) высокое объемное и поверхностное сопротивление;

в) высокая электрическая прочность;

г) высокая теплопроводность;

д) химическая инертность к пленкам;

е) механическая прочность;

ж) максимальная рабочая прочность;

з) невысокая стоимость;

и) хорошая способность к обезгаживанию в вакууме.

Основные материалы подложек. Подложки, которая удовлетворяла бы, одновременно всем перечисленным требованиям не существует.

Наиболее часто в качестве подложек для тонкопленочных микросхем используют стекло, керамику и стеклокерамику. Чаще всего используют алюмосиликатные и боросиликатные стекла С41-1 и С48-3: коэффициент теплопроводности (1-1,5) Вт/(м∙⁰С), =3,2-8, tg =(15-20) ∙10^-4, =10⁷-10¹⁴ Ом∙м, электрическая прочность 40 кВ/мм. Такие подложки имеют достаточно гладкую поверхность и невысокую стоимость. Недостатком подложек из стекла является их невысокая механическая прочность и низкая теплопроводность.

Наиболее широко применяется для подложек ситалл. Его характеристики: коэффициент теплопроводности 1,5 Вт/(м∙⁰С), =5-8,8; tg =20∙10^-4. Ситалл имеет большую механическую прочность и лучше поддается обработке, легко обезгаживается в вакууме. Подложка представляет собой прямоугольные пластины стандартного размера, имеющие толщину от 0,6 до 1,6 мм.

В качестве подложек используются также керамика с низкой диэлектрической проницаемостью 22ХС, поликор, сапфир. Они в основном состоят из 96 % Al₂O₃, поликор имеет теоретическую плотность Al₂O₃, а сапфир имеет примеси титана и железа. Эти материалы требуют сложной технологии изготовления. Они обладают высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 1600 ⁰С), высоким =10⁷-10¹⁴ Ом∙м и малым tg =(10-18)∙10^-4 при повышенных температурах, чрезвычайно высокой механической прочностью и теплопроводностью.

Сапфир применяется при создании полупроводниковых БИС по КНС- технологии. В ее основу положено формирование полупроводниковых структур КНС (кремний на сапфире). На сапфир наращивают эпитаксиальный слой кремния, в котором создаются структурные элементы БИС.

Слюда и материалы на их основе. Слюда встречается в природе в виде кристаллов, характерной особенностью которых является способность легко расщепляться на пластинки по параллельным друг другу плоскостями (плоскостям спайности).

По химическому составу различные виды слюд представляют собой водные алюмокислоты. Важнейшими из них являются: мусковит, состав которого приблизительно следующий: К₂О-3Аl₂O₃-65Ю₂-2Н₂О и флогопит, состав которого К₂О-6MgO∙Аl₂O₃-6SiO₂∙2Н₂О. Кроме того, в слюды могут входить соединения железа, натрия, кальция и др.

Мусковиты бывают бесцветные или имеют красноватый, зеленоватый и другие оттенки; флогопиты чаще всего окрашены в более темные тона - янтарные, золотистые, коричневые, почти черные, иногда встречаются и довольно светлые флогопиты.

По электрическим свойствам мусковит, являющийся одним из лучших электроизоляционных материалов, превосходит флогопит. Кроме того, он более прочен механически, более тверд, гибок и упруг, чем флогопит.

Рис. 3.7. Зависимость tg слюды от температуры:

1- мусковит при f= 1 МГц; 2-мусковит при f= 50 Гц; 3- синтетическая слюда (фторфлогопит) при f= 1 МГц и f= 50 Гц.

Рис. 3.8. Зависимость электрической прочности слюды от толщины:

1- мусковит; 2- флогопит; 3-фторфлогопит.

На рис. 3.7 и 3.8 представлены типичные зависимости tg от температуры и Епр от толщины. Диэлектрическая проницаемость слюд порядка 6-8.

При достижении некоторой температуры из природной слюды начинает выделяться входящая в ее состав вода; при этом слюда теряет прозрачность, толщина ее увеличивается (слюда «вспучивается»), механические и электрические свойства ухудшаются; при дальнейшем повышении температуры эти изменения становятся все более заметными, и кристаллическое строение слюды нарушаются.

Слюду в природе обычно находят вместе с кварцом, полевым шпатом и другими минералами; она встречается в виде жил, вкрапленных в твердые горные породы, обычно пегматиты. После взрывных работ и извлечения слюды из жил она очищается от посторонних минералов и в таком виде называется забойным сырцом. Средний выход слюды из породы в виде забойного сырца составляет 1-2 %, редко достигая 10 %. Забойный сырец разбирают вручную, раскалывают ножом на пластинки, дефекты на краях которых (глубокие трещины и т.п.); такую слюду называют полуочищенной; она расщепляется в дальнейшем на более тонкие (от 5 до 45 мк) пластинки.

Из щепанной слюды изготовляют штампованные прямоугольные пластинки для конденсаторов (конденсаторная слюда), фасонные штампованные детали для электронных и осветительных ламп, шайбы и т.п. Конденсаторная слюда - мусковит наивысшего качества – выпускается в виде пластин длиной от 7 до 60 мм и шириной от 4 до 55 мм; стандартные толщины этих пластин следующие: 25, 35, 45, 55 мк (с допуском 5 мк).

Синтетическая слюда. Кристаллы синтетической слюды выращивают из расплава специально составленной шихты. Наилучшие результаты достигнуты для фторфлогопита состава КMg ₃(Si₂ Аl₁₀)F₂, шихта которого плавится при температуре 1380 ⁰С, а процесс кристаллизации происходит при температуре 1340 ⁰С. Кристаллы синтетической слюды аналогично природной слюде, легко расщепляются на тонкие листки. Синтетическая слюда обладает большей нагревостойкостью, чем природная, вследствие отсутствия кристаллизационной воды.

Синтетическая слюда может применяться в качестве изоляционных экранов в электронных лампах, для окон волноводов и счетчиков частиц высокой энергии, а также в качестве диэлектриков конденсаторов нВ рабочие температуры 600-700 ⁰С.

Микалекс представляет собой твердый материал, получаемый путем горячего прессования смеси порошкообразной природной слюды и тонкоразмолотого легкоплавкого стекла. Для изготовления микалекса выпускают в виде листов или стержней разного сечения, которые в дальнейшем подвергают механической обработке – обточке, фрезерованию, сверлению, шлифованию.

Микалекс обладает небольшими диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью, влагостойкостью и механической прочностью. Микалекс используется в радиоэлектронной промышленности для изготовления держателей мощных ламп, панелей воздушных конденсаторов, гребенок, катушек индуктивности, плат переключателей и других деталей. Микалекс допускает запрессовку в него металлических контактов.

Новомикалекс изготовляют из синтетической слюды, скрепленной стеклосвязкой.

3.5. Пьезоэлектрические материалы

Диэлектрики в радиоэлектронной аппаратуре могут испытывать электрическое, магнитное, тепловое и механическое воздействие. В результате таких воздействий те или иные диэлектрики проявляют группу свойств, которые позволяют применять их в квантовых приборах, в приборах пьезо-, акусто-, магнитоэлектроники, предназначенных для генерации, усиления, модуляции и преобразования электрических сигналов. Такие диэлектрики называются активными диэлектриками. В пассивных диэлектриках, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, основным используемым свойством служит поляризация, возникающая под воздействием внешнего электрического поля.

Сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, направление которой может быть изменено при внешних воздействиях, например, электрическим полем.

Практически важными сегнетоэлектриками являются сегнетова соль (двойной натрий - калиевая соль винной кислоты NaKC₄H₄O₆∙4H₂O), фосфат калия KH₂PO₄ , KH₂AsO₄, метатинат бария BaTiO₂.

В сегнетоэлектриках из–сильного взаимодействия между частицами образца образуются области (домены) самопроизвольной поляризации. В результате объем сегнетоэлектрика разделен на домены с различным направлением векторов спонтанной поляризованности Рs. В отсутствии внешних воздействий суммарная поляризованность образца в целом равна нулю.

Ниже приводятся основные свойства сегнетоэлектриков, которые отличают их от других классов диэлектриков.

Первая особенность – зависимость поляризованности Р от напряженности Е. При Е=0 поляризованность образца равна Рs или -Рs (рис 3.9). С увеличением напряженности поля, приложенного по направлению Рs, Р линейно растет за счет электронной, ионной, дипольной поляризации. Если же прикладывать электрическое поле противоположного знака, то при некоторой напряженности Ес произойдет переполяризация - направление вектора Рs изменится на противоположное. Это петлеобразная кривая называется петлей гистерезиса.

Рис. 3.9. Петля гистерезиса

Особенно важно отметить, что значение Рs определяется не только значением напряженности поля, но зависит еще от предшествовавших состояний поляризации.

Вторая особенность – в некотором температурном интервале диэлектрическая проницаемость весьма велика. Так, например диэлектрическая проницаемость сегнетовой соли около 10000 в интервале температур от +22,5 ⁰С до -15 ⁰С, а у титаната бария =7000 вплоть до 80 ⁰С.

Третья особенность – сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. При температурах, превышающих определенное значение Тк, различное для разных веществ, сегнетоэлектрические свойства исчезают, и сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик. Эта температура называется температурой Кюри или точкой Кюри. Сегнетова соль имеет две точки Кюри +22,5 ⁰С и -15 ⁰С.

Благодаря петле гистерезиса сегнетоэлектрики применяют в запоминающих устройствах ЭВМ в твердотельном интегральном исполнении. В отсутствии внешнего поля поляризованный сегнетоэлектрик имеет два стабильных состояния с поляризованностью + Рs и – Рs (см. рис 3.9). Одно из этих состояний (например, + Рs в запоминающей ячейке ЭВМ соответствует хранению единицы, а второе (-Рs) - нуля). Меняя напряжение записи, сегнетоэлектрик переводится из одного состояния в другое. Считывание информации производится за счет подачи переключающих импульсов одного знака, или без разрушения информации – оптическим путем, по сопротивлению тонкого поверхностного слоя.

Приготовляя сложные диэлектрики на основе сегнетоэлектриков, можно получить конденсаторы большой емкости при малых размерах. Сегнетоэлектрики служат основой многих пьезоэлектрических, пироэлектрических, электрооптических и других материалов.

Пьезоматериалы.

Пьезоэлектрический эффект. До сих пор мы рассматривали поляризацию газообразных, жидких и аморфных твердых тел. Они состоят из отдельных молекул, заряда в которых могут смещаться или ориентироваться под действием внешнего электрического поля. В некоторых ионных кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Прямой пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при давлении на кристаллическое тело оно поляризуется, т.е. на противоположных гранях кристалла возникают равные, но разные по знаку электрические заряды. Если изменить направление деформации, т.е. не сжимать, а растягивать диэлектрик то заряды на гранях изменяют знак на обратный. Возникающая поляризованность Р прямо пропорциональна приложенному механическому напряжению:

(3. 7)

Коэффициент пропорциональности d называют пьезомодулем. Когда к пьезоэлементу прикладывается механическое напряжение , работа внешней силы затрачивается не только на деформацию, но и на его поляризацию. Количество электричества пропорционально сжимающей силе и не зависит от размеров пластины пьезоэлектрика. Коэффициент пропорциональности называется пьезоэлектрической постоянной пьезоматериала К.

По определению

(3. 8)

где Wэ – электрическая энергия, генерируемая элементом;

W = W^/_М + W_Э – полная энергия, затраченная на деформацию.

W_М= сх²/2 – плотность энергии механический деформации, где с- модуль упругости. Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В ионных кристаллах центры положительных и отрицательных ионов не совпадают, вследствие чего имеется поляризация и в отсутствии внешнего электрического поля. Однако это поляризация не проявляется, так как она компенсируется зарядами не поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, в результате чего появляется поляризация.

Кроме прямого пьезоэффекта, существует также обратный пьезоэффект, который состоит в том, что под действием электрического поля пьезоэлектрик сжимается или расширяется в зависимости от направления вектора напряженности поля (электростикция). Изменение размеров кристалла при электрострикции составляет величину порядка 10^{-7 см при приложенной разности потенциал в сотни вольт.}

Пьезоэлектрический эффект обнаруживают кварц (SiO₂), сегнетова соль и ряд других кристаллов. Ионные кристаллы представляют собой пространственную решетку из чередующихся положительных и отрицательных ионов. В таких кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы. В соответствии с этим поляризация кристалла сводится к смещению всех положительных ионов по полю и отрицательных ионов против поля.

Поляризуемость кристаллов может быть различной в зависимости от направления вектора напряженности Е по отношению к направлению кристаллографических осей. Например, кристалл кварца SiO₂ по форме напоминает шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями. Одна из этих осей –Z соединяет вершины пирамид. Три другие Х₁, Х₂, Х₃ перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. При сжатии или растяжении по оси Z никакой поляризации не происходит. Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Для получения пьезоэлектрического эффекта из кристалла кварца вырезается прямоугольный параллелепипед (рис 3.10). При растяжении пластинки вдоль оси Х или Y на перпендикулярных к ней гранях АВСD и EFGH появляются разноименные поляризационные заряды. Если изменить знак деформации, т.е. перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменяется на обратные.

Пьезокерамика. Пьезокерамические материалы изготавливают из обычных сегнетоэлектрических материалов, которые первоначально не обладают пьезоэффектом. Для придания пьезоэлектрических свойств их выдерживают в сильном постоянном электрическом поле (Е=2-4 мВ/м) при температуре 100-150 ⁰С в течение часа. После снятия внешнего поля в керамике сохраняется устойчивая поляризация. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой. Из пьезокерамики изготавливают изделия любой формы и размеров с высокими пьезоэлектрическими параметрами и низкой стоимостью по сравнению с монокристаллами.

Рис. 3.10. Параллелепипед кварца

В зависимости от назначения пьезокерамические материалы подразделяют на четыре класса.

К классу I относят материалы, предназначенные для высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема слабых сигналов. Определяющим параметром является пьезомодуль.

Материалы класса II предназначены для использования в условиях воздействия сильных электрических и механических напряжений, например, в мощных источниках ультразвука, системах зажигания. Дополнительным требованием является малая величина tg.

Материалы класса III применяют в пьезоэлементах с повышенной стабильностью частотных характеристик, например, в фильтрах, частотозадающих генераторах. Эти материалы должны обладать малым температурным коэффициентом частоты ТКf. Лучшие виды пьезокерамики имеют ТКf= 30∙10^-6 К^-1.

К классу IV относят высокотемпературные материалы, работающие за пределами нормального интервала температур (-60-+70 ⁰С).

Указанные свойства получают путем подбора соотношения компонентов и введением донорных и акцепторных добавок. Марки пьезокерамики обозначают начальными буквами основных химических компонентов и порядковым номером: Т- титан, Ц – цирконий, Н – ниобий, С – свинец или стронций, Б – барий, К – кальций и т.д. ТБ – титанат бария, ЦТС – цирконат – титанат свинца, НБС ниобат бария – свинца.

Параметры некоторых промышленных пьезокерамических материалов приведены в таблице 3.2.

Таблица 3. 2.

Характеристики сегнетокерамических материалов

материал	класс	Тк, ^0С		tg∙10^2	Пьезомо-дуль dmax пКл/Н	Кр	Q
ТБ-1	I	120	1400	1	260	0,2-0,36	100-300
ТБК-3	II	105	1200	2	240	0,25	300
ТБКС	III	160	450	0,2	112	0,25	350
ЦТС-19	I	290	1400	3	380	0,47	70
ЦТС-21	IV	410	550	2	67	0,20	100
ЦТС-22	III	330	800	2	100	0,20	400
ЦТС-23	II	280	1050	0,7	200	0,43	200
ЦТС-300	III	330	1100	0,3	341	0,43	500
НБС-1	II	265	1600	2	167	0,28	350
НБС-3	III	270	1800	2,5	100	0,20	300

Кр – плоскостной коэффициент электромеханической связи, Q- добротность кварцевых резонаторов, т.е. отношение запасаемой реактивной энергии к энергии потерь.

Пьезоэлектрические монокристаллы.

Ввиду высоких значений , tgи механических потерь пьезокерамику невозможно использовать на частотах свыше 10 МГц. На ВЧ и СВЧ применяют только монокристаллические пьезоэлектрики. Некоторые из них приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3.

Параметры пьезоэлектрических монокристаллов

Кристалл	Пьезомодуль dmax пКл/Н	мах	Кмах
Кварц SiO2	2,31	4,63	0,1
Сульфит кадмия CdS	3,18	8,37	0,2
Окись цинка ZnO	12,00	8,2	0,3
Сегнетова соль	345,0	205	0,97
Титанат бария TiO3	400	3000	0,6
Ниобат лития LiNbO3	70	84	0,68
Танталат лития LiTaO3	26	53	0,47

Кварц. Наряду с природными кристаллами, широко используются синтетические. Кристаллы кварца обладают очень высокой механической добротностью Qм10⁶, высокой стабильностью параметров в интервале температур от самых низких до 573 ⁰С. tg=0,0002 при f=10 Гц.

Ниобат и танталат лития обладают более высокими, чем кварц пьезомодулями и коэффициентами К. Механическая добротность этих материалов сохраняет высокое значение до СВЧ диапазона, тогда как у кварца она максимальна при частоте 1 МГц. Их применяют в основном в линиях задержки и фильтрах.

3.6. Электреты и жидкие кристаллы

Электреты.

Электретом называют твердый диэлектрик, длительно создающий в окружающем пространстве электростатическое поле в отсутствии внешних источников за счет предварительной электризации или поляризации. Электреты являются электрическими аналогами постоянных магнитов. Электреты классифицируют по способу формирования зарядов.

Термоэлектреты. Смолу, воск или полимер нагревают до температуры плавления (стеклования) и помещают в электрическое поле. В результате полярные молекулы поляризуются и после охлаждения диэлектрика он дополнительно сохраняет сформированную остаточную поляризацию.

Фотоэлектреты получают при воздействии света на диэлектрик, помещенный в электрическое поле. Под действием света в диэлектрике возникают носители зарядов, которые смещаются внешним электрическим полем. Некоторые заряды застревают на ловушках. После выключения света носители разноименных зарядов оказываются «замороженными» у противоположных сторон диэлектрика, который становится электретом.

Радиоэлектреты получают при облучении диэлектрика ускоренными заряженными частицами, которые либо выбивают электроны из поверхностного слоя, либо внедряются в поверхностный слой диэлектрика, образуя дополнительные заряды. В результате поверхность диэлектрика оказывается заряженной.

Трибоэлектреты получают контактной электризацией, трением двух диэлектриков.

Применение электретов.

Фотоэлектреты применяют для световой записи информации на диэлектрическую пленку (подобно записи на магнитную пленку). Световое изображение проектируется на диэлектрик, помещенный в постоянное электрическое поле. При этом освещенное место электризуется, а затемненные остаются незаряженными. Напылением заряженного порошка скрытое электростатическое изображение делают видимым. На этом основана ксерография (т.е. сухая фотография). Трибоэлектреты используются в электростатических генераторах высокого напряжения. Основные же применения электретов – в микрофонах датчиков давлений, вибраций, ускорений. Время жизни для хороших электретов – сотни лет.

В качестве электретных материалов могут быть использованы как органические, так и неорганические диэлектрики с высоким удельным сопротивлением.

Электреты из полярных полимеров – полиметилметакрилата, поливинилхлорида, полиэтилентерефталата получают термополяризацией при температуре стеклования 120-135 ⁰С.

Наибольшее применение из неполярных диэлектриков нашли тетрафторэтилен и полимеры на его основе. Электреты получают путем электронной бомбардировки полимерных пленок толщиной 3-20 мкм в вакууме.

Материалы для квантовых приборов оптического диапазона.

Принципы работы квантовых приборов.

В квантовых приборах в энергию высокочастотного поля преобразуется внутренняя энергия квантовых систем (атомов, ионов, молекул, твердое тело). Электроны, участвуя в этом процессе, остаются связанными со своими атомами. Внутренняя энергия, т.е. энергия, не связанная с движением системы как целого, может принимать только дискретные значения. Возможные дискретные значения энергии называют энергетическими уровнями.

Существует три типа взаимодействия между электромагнитным излучением (потоком фотонов) и квантовой системой:

1. Фотон может поглощаться в результате перехода атома с низкого основного уровня 1 на более высокий энергетический уровень 2 (рис 3. 11 а).

2. Спонтанное излучение происходит при самопроизвольном переходе возбужденного атома с уровня 2 на более низкий уровень 1 (рис 3. 11 б). При этом энергия атома уменьшается на W = W₂ - W₁, где W₂ -и W₁ – энергия в состояниях 1 и 2. Разница в энергии излучается в виде кванта с частотой

где h - постоянная Планка.

Поскольку спонтанные излучения различных атомов не связаны друг с другом, то спонтанное излучение некогерентно.

3. Стимулированное (индуцированное) излучение возбужденного атома происходит под воздействием фотона, попавшего в атом извне (рис 3.11 в). Атом переходит с верхнего уровня 2 на уровень 1 и испускает полностью идентичную фотону внешнего поля. Стимулированное излучение имеет такие же частоту, фазу, направление распространения и поляризацию как и вынуждающее излучение.

а) б) в)

Рис. 3. 11. Три типа квантовых переходов в двухуровневой системе

а- резонантные поглощения; б- спонтанное излучение;

в- стимулированные излучения

В условиях теплового равновесия большинство частиц находиться на нижнем энергетическом уровне. Для работы лазера или мазера необходимо создать обратную (инверсную) заселенность энергетических уровней, т.е. добиться избыточной заселенности верхнего уровня. Для создания инверсной заселенности используют воздействие вспомогательного излучения (накачка). Электромагнитная волна с частотой , переходящая через среду с обратной заселенностью, стимулирует переход частиц в основное состояние, и ее энергия увеличивается за счет добавления квантов стимулированного излучения. На этом и основана работа квантовых генераторов и усилителей.

Для мазеров и лазеров используются среды с двумя, тремя и более энергетическими уровнями. Двухуровневые системы используют в молекулярных и атомных генераторах стандартной частоты, в полупроводниковых и газовых лазерах с накачкой электрическим полем. Мазеры и лазеры непрерывного действия основаны на трехуровневых системах (рис 3.12 а). Для снижения уровня накачки, необходимого для создания инверсной населенности, применяют четырехуровневые системы, представленную на рис 3. 12 б.

Рис. 3.12. Схема энергетических уровней квантовых генераторов:

W- энергия накачки; hf- излучаемый квант (волнистой линией указаны безизлучательные переходы)

Материалы твердотельных лазеров. Трех или четырехуровневые системы, необходимые для работы лазера создают легированием определенных веществ (основы) - активаторами, обладающими заданной системой энергетических уровней. Материал основы лазера должен быть прозрачным как на частоте возбуждения, так и на частоте генерации. Он должен быть оптически однородным, иметь высокую твердость, обладать высокой теплопроводностью.

В твердотельных лазерах основой могут являться монокристаллы ZnO, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, CaF₂, BaF₂, LaF₃, MnF₂, а также стекла на основе кислородных соединений или фторидов. Наибольшее применение из монокристаллов нашли рубин, гранат и флюорий.

Свойства некоторых лазерных материалов приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4.

Активные диэлектрики для лазеров

Основы	Активатор	Длина волны излучения, мкм	Поры возбуждения, Вт
Рубин Al2O3+0,05 % Cr2O3	Cr^3+	0,1	850
Гранат Y3Al5O12	Nd^3+	1,06	730
Флюорий CaF2	U^3+	2,61	250
Стекло Na2O∙B2O3∙2SiO2	Nd^3+	106	-

Полупроводниковые лазеры. Излучение фотонов в полупроводниках происходит при рекомбинации электронов и дырок. Частота излучения , W – ширина запрещенной зоны.

Наибольший практический интерес представляют лазеры с инжекционным возбуждением. Эти лазеры представляют собой полупроводниковый диод, заключенный в оптический резонатор. При подаче на диод прямого напряжения электроны из n- области в р- область, а дырки наоборот, из р- в n- область. В районе р-n перехода они рекомбинируют с выделением квантов электромагнитного излучения.

Для получения оптического излучения разных частей используют материалы с разной шириной запрещенной зоны. Наибольшее применение нашли соединения типа А^IIIB^V, A^IIB^VI и их твердые растворы (таблица 3.5), где x, y – молярная концентрация

Материалы для цифровых индикаторов на жидких кристаллах.

Жидкие кристаллы – это вещества, которые находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и обладают одновременно свойствами кристалла (анизотропия), так жидкости (текучесть). Жидкокристаллическое состояние существует лишь в определенном интервале температур.

При понижеении температуры жидкий кристалл переходит в твердый, теряя текучесть, а при повышении – в изотропную жидкость. Температурный интервал жидкокристаллического состояния индивидуальных соединений 10-20 К. Поэтому на практике применяют смеси двух или более жидкокристаллических соединений, для которых жидкокристаллическая фаза охватывает рабочие температуры от -40 до +60 ⁰С.

Таблица 3.4.

Материалы полупроводниковых лазеров

Активный материал	Подложка	Диапазон возможных значений W, эВ	Диапазон излучаемых длин волн , мкм
GaAs	-	1,38	0,90
InSb	-	0,23	5,3
InAs	-	0,40	3,1
GaP	-	1,77-1,41	0,7-0,9
Ga(1-X)AlXAs	GaAs	2,02-1,42	0,61-0,87
In(1-X)GaXAsYP(1-Y)	InP	0,95	1,1-1,7
In0,73Ga0,27As0,58P0,42	InP	0,95	1,31

Структура, соответствующая жидким кристаллам, возникает в органических веществах, молекулы которых имеют нитевидную вытянутую форму (нематический кристалл) или же форму плоских пластин (смектический кристалл). Жидкие кристаллы состоят из доменов – области с одинаковыми направлениями осей молекул. Такая структура очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях электрического и магнитного поля, температуры, давления и т.п. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменению оптических, электрических и других свойств.

На основе нематических жидкокристаллических материалов (азометины, эфиры, органические кислоты) изготавливаются жидкокристаллические индикаторы в наручных часах, карманных ЭВМ и т.п. Такие индикаторы не только самые простые и дешевые, но и самые экономичные. Мощность, потребляемая на питание ячейки < 1 Вт/м².

Основным элементом индикатора является тонкая пленка (5-50 мкм) жидкого кристалла, расположенная между двумя стеклянными пластинками с нанесенными на их внутренние стороны прозрачными электродами в виде цифр, букв и других знаков. При подаче напряжения устойчивая доменная структура разрушается, молекулы жидкости в пространстве между электродами начинают вращаться и рассеивать падающий свет. Под прозрачным электроном становится видным рисунок по форме электрода. В качестве примера приведем некоторые жидкокристаллические материалы: р - метоксибензилиден – р - n- бутиланилин (МББФ), р - этоксибензилиден – р – n - бутиланилин С₁₉Н₂₃NO (ЭББА), анизилиден – р – аминофенилацетат С₁₆Н₁₅НО₃ (АРАРА).

3.7. Газообразные и жидкие и диэлектрики

Нефтяные электроизоляционные масла.

Нефтяные (минеральные) электроизоляционные масла получают из нефти путем перегонки. Они сравнительно дешёвы и при высокой степени очистки их электроизоляционные свойства достаточно хороши.

Трансформаторное масло – жидкость из смеси различных углеводородов, является неполярным диэлектриком с = 2,2-2,3. Им заливают поры волокнистой изоляции и промежутки между проводами обмоток, а также между обмотками и баком трансформатора, что значительно повышает электрическую прочность изоляции. С другой стороны, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора.

Электрическая прочность газов Е_пр сильно зависит содержания в масле воды и от его температуры (рис. 3.13)

Рис. 3.13. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от содержания воды: 1- при 65 ⁰С; 2- при 25 ⁰С.

Зависимость трансформаторного масла от температуры имеет характерный для неполярных диэлектриков вид (рис. 3.14).

Рис. 3. 14. Температурная зависимость трансформаторного масла

(на частоте 50 Гц.)

Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных и пленочных конденсаторов. При пропитке бумаги повышается ее диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность. В результате уменьшается габариты, масса и стоимость конденсатора. При температуре +100 ⁰С и частоте 1 кГц =0,002, а при частоте 50 Гц =0,005. Электрическая прочность масла не ниже 20 мВ/м.

Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей с бумажной изоляцией. Пропитка бумажной изоляции этих кабелей маслом повышает ее электрическую прочность, а также способствует отводу тепла.

Синтетические жидкие диэлектрики. Электроизоляционные масла нефтяного происхождения сравнительно дешевы и могут выпускаться в больших количествах. Однако они имеют малое значение , малую нагревостойкость, пожаро- и взрывоопасны. Этих недостатков известной мере лишены некоторые синтетические жидкие диэлектрики. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированные углеводороды получает из различных углеводородов путем замены в их молекулах атомов водорода атомами хлора. В результате получают полярные продукты. Наиболее широко применяют хлорированный дифенил, имеющий состав С₁₂Н_10-ZCl, где z – 3-6 это число атомов хлора в молекуле.

Типичная для полярных диэлектриков температурная зависимость хлорированного дифенила представлена на рис.

Величина хлорированного дифенила не превышает 0,01 и практически не зависит от температуры.

Другие полярные синтетические электроизоляционные жидкости, например нитробензол Н₅С₆-NO₂, этиленгликоль НО-СН₂-СН₂-ОН и цианоэтилсахароза С₃₈Н₄₆N₈О₁₁, имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость =35-40. Поэтому замена ими масла при пропитке бумажных конденсаторов позволяет значительно уменьшить объем, массу и стоимость конденсатора при той же реактивной мощности.

Кремнийорганические жидкости, в состав которых помимо углерода М входит кремний Si, обладают малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Эти жидкости имеют при температуре +20 ⁰С и частоте 1 кГц =2,5-3,3 и =0,0001-0,0004 наивысшая допустимая рабочая температура доходит до 250 ⁰С.

Фтороорганические жидкости имеют малый , ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость (рабочая температура до 200 ⁰С). Фтороорганические жидкости обеспечивают более интенсивный отвод тепло от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов. Фтороорганические, как и кремнийоргнические жидкости, весьма дороги и применяются редко.

Газообразные диэлектрики.

Газообразные диэлектрики при использовании в качестве электроизоляционных материалов имеют следующие преимущества: высокое удельное сопротивление , малую (близкую к единице) диэлектрическую проницаемость , малый тангенс угла диэлектрических потерь . Недостатком газообразной электрической изоляции является ее низкая электрическая прочность.

Газообразные диэлектрики образуют изоляцию между проводами воздушных линий электропередачи (воздух), заполняют пространство между электродами электровакуумных приборов и источников света (инертные газы - аргон, неон и др.), газовых конденсаторов (азот, галогены), образуют охлаждающую среду в крупных электрических машинах (водород, гелий).

Электрическая прочность газов Е_пр сильно зависит от давления (рис 3.15). На зависимости Е_пр=f() основано применение газов в качестве электрической изоляции в вакуумных конденсаторах, кабелях, заполненных газом под высоким давлением, и других устройствах высокого напряжения.

Рис. 3.15. Зависимость Е_пр от

(пунктиром отмечено нормальное давление).

Электрическая прочность также зависит от расстояния между электродами h: при уменьшении h растет Е_пр (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Зависимость Е_пр воздуха при нормальном давлении в однородном диэлектрическом поле от расстояния между электродами

При одновременном изменении h и установлена следующая закономерность (закон Пашена): если длина разрядного промежутка h и давление газа изменяются так, что их произведение остаётся постоянным, то величина пробивного напряжения не меняется, т.е. U_пр является функцией произведения h (рис. 3. 17).

Рис. 3. 17. Кривые Пашена для газов:

воздух; 2-азот; 3-элегаз (SF₆).

ГЛАВА IV

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

════════════════════════════════════════════

4.1. Классификация полупроводниковых

материалов

Собственные полупроводники. Полупроводниками называют вещества, удельная электропроводность которых при комнатной температуре составляет 10⁴-10^-10 См/см, т.е. находится между удельными сопротивлениями проводников (металлов) и диэлектриков.

Использующиеся в практике полупроводниковые материалы могут быть разделены на простые полупроводники (элементы), полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы (например, керамические полупроводники).

Простыми полупроводниками являются бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сера, селен, теллур и йод. Полупроводниковыми химическими соединениями являются SiC, InSb, GaAs, GaP, InP, InAs, GaSb, CdS, CdSe, PbS. Наиболее распространенными полупроводниковыми комплексами являются тирит – зерна SiC, скрепленные глиной, и силит – зерна SiC, со связкой из жидкого стекла.

Полупроводниковые материалы могут быть кристаллическими и аморфными, твердыми и жидкими. Большинство полупроводников представляют собой кристаллические твердые вещества. Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе все полупроводники способны сильно изменить свои электрические свойства под влиянием внешних энергетических воздействий.

Электрические свойства любого твердого вещества определяются концентрацией свободных электронов. Свободными называются такие электроны, которые под влиянием разности потенциалов могут двигаться в определенном направлении. Твердое тело представляет собой систему атомов или молекул. Электроны в атоме имеют только определенные (дискретные) значения энергии, называемые энергетическими уровнями. Из-за сильного взаимодействия атомов друг с другом дискретные энергетические уровни объединяются в энергетические зоны. В результате разные кристаллы характеризуются своими зонными диаграммами, в которых разрешенные зоны чередуются запрещенными зонами. Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, а расположенная под нею - валентной зоной. Энергия соответствующая самой низкой части зоны проводимости называется дном зоны проводимости, а энергия соответствующая самой верхней части валентной зоны называется потолком валентной зоны. При нулевой абсолютной температуре все энергетические уровни валентной зоны всегда полностью заняты электронами, тогда как уровни зоны проводимости либо заполнены только в нижней части, либо полностью пусты. Первый случай свойственен металлам, второй - собственным (беспримесным) полупроводникам и диэлектрикам (рис.4.1). По вертикали отложены энергия W. У металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Ширина запрещенной зоны у диэлектриков составляет несколько электрон – вольт (электрон–вольт – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 В). Ширина запрещенной зоны наиболее широко используемых полупроводников составляет 0,5-2,5 эВ.

Занятость энергетических зон существенно проявляется в электропроводности кристаллов. Для создания электрического тока в кристалле за счет внешнего источника питания создается электрическое поле. Это поле ускоряет электроны, тем самым увеличивает их энергию. На языке зонной диаграммы это соответствует возбуждению электронов, т.е. переводу их с первоначальных энергетических уровней на другие, более высокие уровни внутри зоны. Но полностью заполненной зоне электроны не могут менять своей энергии и поэтому не дают никакого вклада в электрический ток. Поэтому при Т=0 К электропроводность полупроводника равна нулю.

Рис 4.1. Зонные диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков

В собственном полупроводнике при температуре, отличной от нуля, часть электронов переходят из валентной зоны на более высокие уровни – в зоны проводимости. Энергия, необходимая для такого перехода определяется шириной запрещенной зоны. Электроны с энергией соответствующей одной из энергии зоны проводимости, называют свободными, так как они могут перемещаться внутри кристалла под действием электрического поля. Электроны, перешедшие в зону проводимости, составляют в валентной зоне незаполненные энергетические уровни - дырки. Эти уровни могут заполняться другими электронами валентной зоны, что равносильно движению дырок. Дырки имеют положительный заряд. Равный процесс перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости называется генерацией электронно – дырочной пары. Возврат электронов из зоны проводимости на незаполненный уровень в валентной зоне приводит к (исчезновению) рекомбинации электрона и дырки.

Концентрация свободных электронов в собственном полупроводнике возникающих в результате термогенерации определяется следующим выражением:

(4.1)

где - ширина запрещенной зоны

N_C – эффективная плотность состояний в зоне проводимости

(N_C=5∙10¹⁹ см^-3 для германия, N_C=2∙10²⁰ см^-3 для кремния).

Число дырок равно числу свободных электронов:

(4.2)

Индекс i у концентрации электронов и дырок означает, что это собственные носители зарядов (от слова intrinsic - собственный).

Электропроводность численно характеризуется величиной удельной электропроводностью . Для собственных полупроводников

(4.3)

здесь - подвижность электронов и дырок соответственно.

Генерация электронно – дырочных пар может происходить и при освещении полупроводника, светом. Если энергия фотонов света превышает ширину запрещенной зоны полупроводника, то фотон может возбудить валентный электрон, переводя его из валентной зоны в зону проводимости. Это явления называется внутренним фотоэффектом. Поглощенный фотон генерирует электронно – дырочную пару. В результате при освещении полупроводника концентрация носителей и удельная электропроводимость его возрастают:

(4.4)

где n_i=p_i – собственная концентрация при заданной температуре.

Таким образом, световые сигналы преобразуются в электрические. Простейшим полупроводникового прибора этого типа является фоторезистор.

В качестве материалов для фоторезистора широко используется сульфиды, селениды и теллурии различных элементов, а также PbS, PbSe, PbTe, InSb, CdS.

Примесные полупроводники. Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Примеси должны создавать свободные носители заряда. Примесями в простых полупроводниках служат чужеродные атомы. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях – примесями внедрения.

Результаты замещения зависят от валентности примесные атомов. При этом используются такие примеси, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в пределах запрещенной зоны полупроводника. Если их уровень располагается внутри дна зоны проводимости основного полупроводника, то даже при небольшой температуре электроны будут переходить на уровни этой зоны, получая возможность свободно перемещаться по кристаллу.

Примесные атомы, лишившиеся электронов, становятся локализованными положительно зараженными ионами. Следовательно, не участвуют в электропроводности. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n- типа (n-negative). Примеси называют донорными. К ним относятся пятивалентные атомы фосфора, мышьяка и сурьмы.

Другие примеси могут иметь незаполненные уровни, располагающиеся в запрещенной зоне основного полупроводника вблизи потолка валентной зоны. Тепловое возбуждение приведет к перебросу валентного электрона на этот уровень. Примесный атом становится неподвижным отрицательно заряженным ионом. Кроме того, образуется дырка, способная перемещаться по кристаллу.

Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что проводимость становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называются дырочными или р- типа (р-positive). Примеси, обусловливающие дырочную проводимость, называют акцепторными. К ним относятся трехвалентные атомы бора, алюминия, галлия, индия.

Электронно – дырочный переход.

Большинство полупроводниковых приборов представляют неоднородные структуры. Два важнейших варианта таких структур – так называемые р-n переход (контакт полупроводников n и р - типа) и контакт металла с полупроводником.

Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости обладает односторонней электропроводностью: она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом.

Если полупроводник в одной своей части обладает электронной, а в другой - дырочной электропроводностью, то границу между этими областями называют электронно – дырочным, или р-n переход. Такой полупроводник называется неоднородным, а его электропроводность резко зависит от способа подключения его к источнику напряжения. Если положительный полюс источника напряжения присоединен к р- области, а отрицательный к n- области, то сила тока велика и быстро увеличивается с напряжением. При обратном напряжении (минус источника питания подключен к р- области) сила тока весьма и не зависит от напряжения. Таким образом, р-n переход обладает односторонней проводимостью.

В середине прошлого века был изобретен транзистор – полупроводниковый прибор, способный выполнять все функции электронной лампы. Для этого неоднородный полупроводник должен содержать два р-n перехода. Оказалось, что р-n переход имеет ширину один и менее микрометра. Следовательно, транзистор может иметь очень малые габариты. Современные сложные электронные устройства, например персональный компьютер, содержит миллионы диодов и транзисторов. Они одновременно изготавливаются в одном полупроводниковом кристалле. Путем электрического соединения транзисторов, образуется интегральная микросхема (ИМС). Наибольшее применение при изготовлении ИМС получил кремний. В ряде случаев применяется арсенид и фосфид галлия и другие полупроводниковые соединения.

Кремний в природе встречается только в соединениях в виде окисла. Технический кремний, получаемый восстановлением двуокиси кремния (SiO₂) в электрической дуге, содержит около 1 % примесей и как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для получения кремния полупроводниковой чистоты, примесей в котором должно быть менее 1∙10^-11 %. Процент выхода годных полупроводниковых приборов главным образом зависит от степени очистки полупроводника от посторонних примесей. При изготовлении большинства полупроводниковых приборов (транзисторов, диодов) применяют особо чистые монокристаллические материалы. В фото- и терморезисторах используются полукристаллические аморфные вещества.

Для очистки от примесей NiCa, Cu, Mn и других технический кремний (германий) в виде слитка помещают в лодочку из кварцевого стекла (графита) и при помощи высокочастотного генератора получают узкую расплавленную зону.

Примеси обладают большей растворимостью в жидкой фазе, чем в твердой. Поэтому если расплавленную зону медленно перемещать вдоль очищаемого образца, то примеси перенесутся в один конец слитка. Загрязненный конец слитка отрезается. Этот метод очистки называют зонной плавкой.

Для получения монокристалла применяют метод вытягивания из расплава (метод Чохральского). Тщательно очищенный от примесей полупроводник расплавляют в тигеле. Затем расплав вводится монокристаллическая затравка из того же материала и вращая, начинают её медленно поднимать. За затравкой тянется жидкий столбик расплава, удерживаемый поверхностным натяжением. Столбик, попадая в область более низких температур, затвердевает, образуя монокристалл. Диаметр вытягиваемого монокристалла зависит от температуры расплава и составляет от 20 до 80 мм длиной не менее 40 мм.

ГЛАВА V

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

════════════════════════════════════════════

5.1. Физические процессы в магнитных

материалах

Магнитным называют материал, применяемый в технике с учетом его магнитных свойств.

Различные вещества в магнитном поле намагничиваются, т.е. сами становятся источниками магнитного поля. Результирующее поле в среде является суммой внешнего поля и поля, создаваемого веществом. Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками.

Во всех веществах существуют мельчайшие электрические токи, создаваемые как собственным, так и орбитальным вращением электронов в атомах. Они называются молекулярными токами. Молекулярные токи создают вокруг себя магнитное поле. Если магнетик не намагничен, то он не создает магнитного поля. Это означает, что молекулярные токи расположены в нем беспорядочно, так что суммарное их действие равно нулю. Во внешнем магнитном поле расположение молекулярных токов становится частично или полностью упорядоченным, и магнетик намагничивается, создавая магнитное поле. Результирующее магнитное поле в веществе характеризуется вектором магнитной индукции В. Магнитная индукция В связана с напряженностью внешнего магнитного поля Н и намагниченностью вещества I следующим образом:

Магнитная индукция может быть также определена через соотношения:

,

где - магнитная проницаемость. В любой среде 1 и показывает во сколько раз магнитная индукция в рассматриваемой точке изотронной однородной среды, заполняющей все поле, больше (или меньше), чем в вакууме.

Классификация магнетиков. Магнетики подразделяются по своим магнитным свойствам на слабоманитные и сильномагнитные. К слабомагнитным веществам относятся парамагнетики и диамагнетики. Основную группу сильномагнитных веществ составляют ферромагнетики. Для слабомагнитных веществ незначительно отличается от единицы: для парамагнетиков 1, для диамагнетиков 1. Кроме того, для слабомагнитных веществ не зависит от индукции В₀ того магнитного поля, в котором намагничиваются вещества. Для сильномагнитных веществ 1 и зависит от В₀.

Диамагнетиками называются вещества, у которых атомы или молекулы в отсутствии внешнего магнитного поля не имеют магнитных моментов. Диамагнетиками являются инертные газы (гелий, аргон и др.), многие металлы (золото, цинк, медь, ртуть, серебро), вода, стекло, мрамор, многие органические соединения. При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле в каждом его атоме (или молекуле) индуцируется дополнительный индукционный ток с магнитным моментом . Вектор магнитной индукции внутреннего поля направлен противоположно вектору индукции внешнего поля, поэтому <1. В этом и заключается намагничивание диамагнитного вещества. Диамагнетизм присущ всем веществам, но являются очень слабым эффектом.

Парамагнетиками называются вещества, атомы (или молекулы) которых обладают некоторым магнитным моментом. К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, алюминий, платина, редкоземельные элементы, щелочные и щелочноземельные металлы и другие вещества.

В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов (молекул) направлены хаотично и вещество не намагничивается - в нем возникает собственное (внутреннее) магнитное поле. При влиянии парамагнетика во внешнее однородное магнитное поле в нем создаётся результирующее магнитное поле всех атомных (молекулярных) токов, и вещество намагничивается – в нем возникает собственное (внутреннее) магнитное поле, вектор индукции которого одинаково направлен с вектором индукции внешнего намагничивающего поля. Поэтому в парамагнетиках больше 1.

Диамагнетики и парамагнетики имеют близкую к единице и по магнитным свойствам не применяются в технике.

Ферромагнетики. В качестве магнитных материалов техническое применение имеют ферромагнитные вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). К ним относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома, марганца, гадолиний.

Согласно современным представлениям ферромагнетик разбивается на большое число областей, или доменов размерами порядка 0,001-10 мм³. Каждая из этих областей при температурах ниже температуры Кюри сильно намагничена, но направления намагничивания в отдельных доменах различны, так что полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля сводится к повороту магнитных доменов в направлении внешнего поля. Когда магнитные моменты доменов окажутся ориентированными в направлении поля наступает магнитное насыщение. Зависимость I от величины Н называется техническое кривой намагниченности (рис. 5.1).

Относительная магнитная проницаемость имеет большие значения и зависимость от Н внешнего поля. Например, для пермоллоя (78 % Ni и 22 % Fe) максимальная проницаемость _ьакс=100 000 (рис. 5.2).

Рис. 5.1. Кривая намагниченности ферромагнетиков

Рис. 5.2. Зависимость магнитной проницаемости

напряженности поля для железа «армко»

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры, как показано на рис. 5.3, переходя через максимум при температурах близких к температуре (точке) Кюри. Для чистого железа точка Кюри составляет 768 ⁰С, для никеля 358 ⁰С, для кобальта 1131 ⁰С.

Рис. 5.3. Типичная зависимость ферромагнитных

материалов от температуры

В ферромагнетиках всегда наблюдается отставание изменения их величины намагниченности от изменения внешнего магнитного поля, в котором находится вещество. Это означает, что магнитные свойства ферромагнетика (, I) зависит не только от состояния вещества в данный момент, но и от значений величин и I в предыдущие моменты времени. Это явление называется магнитным гистерезисом.

Рис. 5.4. Магнитный гистерезис

Петлей гистерезиса называется кривая зависимости изменения индукции ферромагнитного тела, помещенного во внешнее магнитное поле, от изменения индукции этого поля от +Н до –Н и обратно (рис. 5.4). Из рисунка видно, что если первоначально процесс намагничивания до насыщения происходит по кривой ОА, то при уменьшении Н величина намагниченности изменяется с отставанием по кривой АВ_R. При Н=0 у ферромагнетика остается некоторая величина остаточной индукции В_R. Это означает, что у ферромагнетика существует собственное магнитное поле при отсутствии внешнего поля. Для того чтобы уменьшить индукцию от значения В_R до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Н_С, называемую коэрцитивной (задерживающей) силой. При увеличении поля противоположного направления ферромагнетик может быть размагничен, перемагничен и при новой перемене направления магнитного поля индукция снова может вернуться в исходную точку. Образуется замкнутая, симметричная относительно точки О кривая - петля гистерезиса.

Материалы с малым значением Н_С и большой магнитной проницаемостью называются магнито - мягкими материалами. Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительно малой проницаемостью носят название магнито – твердых материалов.

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла. Они обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери вызываются вихревыми токами. Потери на вихревые токи пропорциональны электрическому сопротивлению ферромагнетика.

5.2. Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы низких частот используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в ряде других случаев, где необходимо при наименьшей затрате энергии достигнуть наибольшей индукции.

Частотный диапазон применения различных групп магнитомягких материалов в значительной степени определяется величиной их удельного электрического сопротивления . Чем оно больше, тем на более высших частотах можно использовать материал.

Технически чистое железо. Технически чистое железо содержит 0,05% углерода при минимальном количестве других примесей. Технически чистое железо является дешевым и технологичным материалом; оно хорошо штампуется и обрабатывается на металлорежущих станках. Железо обладает высокими магнитными свойствами в постоянных полях. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовлении изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях. На магнитные свойства железа сильно влияют примеси, которые трудно удалить. Удаляют примеси многократной переплавкой технически чистого железа в вакууме. Самыми вредными примесями являются углерод, кислород, сера.

Кроме химического состава большое влияние на магнитные свойства железа оказывают величина зерна. Чем меньше зерен приходится на единицу объема, тем выше магнитные свойства. Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению технически чистое железо используют довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо изготавливается рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание примесей до 0,08-0,1 %. За рубежом такой материал известен под названием «армко-железо».

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь – это одна из разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной от 0,2 до 4 мм, содержит не свыше 0,04 % углерода и не свыше 0,6 % других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для различных марок – не менее 3500-4500, коэрцитивная сила - собственно не более 100-65 А/м.

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, катодом – пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах, после чего производят вакуумный отжиг или переплавку в вакууме. Получаем особо чистое железо с малым количеством примесей (менее 0,05 %). Такое железо характеризуется следующими магнитными свойствами: Н_С=30 А/м; =15000. В виду высокой стоимости электролитическое железо применяют редко.

Карбонильное железо является также особо чистым железом и получают его термическим разложением пентакарбонила железа согласно уравнению

Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую воздействием окиси углерода на железо при температуре около 200 ⁰С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид для изготовления прессованных высокочастотных магнитных сердечников. Карбонильное железо характеризуется следующими магнитными свойствами: Н_С=6,4 А/м; =21000.

Иногда вместо технически чистого железа в промышленности применяют углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,1-0,4 %. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа, но их можно улучшить отжигом изготовленных деталей.

Электротехнические кремнистые стали являются основным магнитомягким материалом массового потребления. Получают введением в листовую электротехническую сталь кремния. При этом повышается удельное сопротивление, что дает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, присутствие в стали кремния дает увеличение , уменьшение Н_С и снижение потерь на гистерезис. Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свойства железа, увеличивая его хрупкость и затрудняя прокатку в листы и штамповку. При содержании кремния до 4 % сталь обладает еще достаточно хорошими механическими свойствами, но при содержании кремния выше 5 % она становится очень хрупкой.

Марку стали обозначают буквой «Э» и следующими за ней цифрами. Первая цифра означает среднюю степень легирования стали кремнием в процентах (1-слаболегированная,2-среднелегированная, 3-повышенно-легированная, 4-высоколегированная). Вторая цифра (1-8) означает гарантированные электромагнитные свойства стали при ее работе в определенных условиях эксплуатации. По этому признаку различают три группы сталей:

1) стали, предназначенные для работы в средних и сильных магнитных полях при частоте перемагничивания 50 Гц (1-нормальные, 2-пониженные и 3-низкие удельные потери);

2) стали, предназначенные для работы в средних полях при частоте перемагничивания 400 Гц (4-нормальные, 5-пониженные, 6-низкие удельные потери);

3) стали, предназначенные для работы в малых или средних полях (5-с нормальной и 6- с повышенной магнитной проницаемостью в слабых полях); для работ в средних полях, цифры: 7- с нормальной и 8- с повышенной магнитной проницаемостью.

После второй цифры может стоять нуль (текстурованная сталь) или два нуля (малотекстурованная сталь). Текстурованной называется сталь, у которой зерна в кристаллографическом отношении получили преимущественную ориентацию.

Например, листовая электротехническая сталь марки Э310 означает, что среднее содержание кремния составляет 3%, нормальная сталь, предназначенная для работы в средних и сильных магнитных полях при частоте перемагничивания 50 Гц, текстурованная.

Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, обычно легированные молибденом, хромом и другими элементами.

Основные преимущество пермаллоев – высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатками пермаллоев являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями и сравнительно высокая стоимость.

Пермаллои находят широкое применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их работе в слабых постоянных и переменных помех с частотой до нескольких десятков килогерц, а для микронного проката и до более высоких частот.

Характеристики пермаллоев. Изменение основных магнитных свойств и удельного сопротивления сплавов железо-никель в зависимости от процентного содержания никеля показана на рис. 5.5. Наибольшим значением максимальной магнитной проницаемости обладает сплав, содержащий 78,5 % Ni. Еще один, более низкий максимум наблюдается у сплавов с содержанием 40-50 % Ni. Такие пермаллои называют низконикелевым в отличие от высоконикелевых с содержанием 70-80 % Ni.

Магнитная проницаемость у высоконикелевых пермоллоев в несколько раз больше, чем у низконикелевых, и несколько десятков раз больше, чем у электротехнических сталей. Индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев приблизительно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей, и в 1,5 раза меньше, чем у низконикелевых.

Отсюда следует, что высоконикелевые пермаллои нецелесообразно применять в качестве материала для сердечников мощных силовых трансформаторов и других устройств, для которых важно создание большого магнитного поля.

Удельное электрическое сопротивление у высоконикелевых пермаллоев приблизительно в 2 раза меньше, чем у низконикелевых. Следовательно, в переменных магнитных полях, особенно при повышенных частотах, предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои.

Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительна к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко меняются от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения и т.д.).

Различают девять марок железо – никелевых сплавов, разделенных на четыре группы:

1) 45Н, 50Н - нелегированные низконикелевые пермаллои с содержанием 45 и 50 % Ni соответственно. Эти сплавы имеют =25000 и =35000 соответственно, и применяется для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле, работающих без перемагничивания;

Рис. 5.5. Зависимости магнитных свойств и удельного сопротивления сплавов железо-никель от содержания никеля

2) 50НП, 65НП, 34НКМП – сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса. Свойства и применения приведены в теме 5.4;

3) 50НХС – низконикелевый пермаллой с содержанием 50 % Ni, легированный хромом и кремнием. Он рекомендуется для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающих без перемагничивания или с небольшим подмагничиванием.

4) 79НМ, 80НХС, 76НХД - высоникелевые пермаллои (79%Ni; 80%Ni; и 76% Ni), легированные соответственно молибденом (3,8-4,1 %), хромом и кремнием, хромом и медью (4,8-5,2 %). Имеют высокую проницаемость в слабых полях =15000. Эта группа сплавов рекомендуется для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов; при толщине 0,02 мм – для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле.

Магнитомягкие материалы радиочастот. При высоких частотах (до десятков мегагерц) используются магнитомягкие материалы, которые способны намагничиваться до насыщения даже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание, т.е. имеют малую электрическую проводимость. Этому требованию отвечают ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты – химические соединения окиси железа Fe₂O₃ с оксидами металлов. Феррит, обладающие наиболее интересными магнитными свойствами и нашедшие техническое применение, представляют собой твердые растворы нескольких простейших соединений. Так, например, общая формула широко распространенных никель – цинковых ферритов имеет следующий вид:

,

где коэффициенты m, n, p определяют количественные соотношения между компонентами. Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала.

Технология изготовления ферритов сводится к следующим процессам. Компоненты отжигаются, измельчаются, перемешиваются, далее для улучшения прессуемости в порошок вводятся пластификаторы: водный раствор поливинилового спирта, воду, реже – парафин. Из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы. Изделия подвергают обжигу при температуре 1100-1400 ⁰С. При этом происходит стекание и образование твердых растворов ферритов.

К ферритам для радиочастот относятся в первую очередь никель – цинковые и марганец – цинковые ферриты MnO-ZnO-Fe₂O₃, а также литий – цинковые, свинцово – никелевые и некоторые другие типы ферритов. Эти группы ферритов используют для изготовления сердечников различных трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных микродвигателей, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры и др.

Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости , измеренной на высокой частоте, указывают относительный тангенс угла потерь , критическую частоту f_кр, максимальную проницаемость , точку Кюри Тк и некоторые другие параметры.

Частота, при которой начинается резкое возрастание угла потерь, называется критической частотой. Для определенности ввели понятия критической частоты f_кр, при которой =0,1. Чем выше начальная проницаемость, тем ниже граничная частота. В таблице 5.1. приведены параметры ферритов.

Таблица 5.1

Параметры ферритов общего применения

Марка материала		(при f, МГц)		fкр, МГц	Тк, ^0С
20000 НМ	15000	75 (0,01)	35000	0,01	110
10000 НМ	8000-15000	90 (0,02)	17000	0,3	110
6000 НМ	4800-8000	60 (0,02)	10000	0,01	130
4000 НМ	3500-4800	60 (0,01)	7000	0,1	130
3000 НМ	2500-3500	60 (0,01)	3500	0,2	140
2000 НМ	1700-2500	45 (0,01)	3500	0,45	200
1500 НМ	1200-1700	45 (0,01)	2500	0,6	200
1000 НМ	800-1200	45 (0,01)	1800	1,0	200
2000 НН	1800-2400	300 (0,01)	6000	0,02	70
1000 НН	800-1200	200 (0,01)	3000	0,4	110
600 НН	500-800	125 (0,01)	1500	1,2	110

Маркировка магнитомягких ферритов: первым стоит численное значение , ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот обозначается буквой Н (низкочастотные), далее следует буквы, обозначающие состав материала: М- марганец - цинковый, Н - никель-цинковый.

Детали из ферритов могут быть изготовлены любых форм. Широкое применение получили кольцевые, броневые, стержневые (с круглым и прямоугольным сечением), Ш- и П- образные сердечники.

Магнитодиэлектрики представляют собой одну из разновидностей магнитных материалов, предназначенных для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, и малым тангенсом угла магнитных потерь. Они имеют некоторые преимущества перед ферритами, прежде всего более высокую стабильность свойств.

Наиболее широко применяют магнитодиэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа.

Магнитодиэлектрики на основе альсифера. Альсифер представляет собой сплав алюминия, кремния и железа. Для магнитодиэлектриков применяют сплавы с содержанием 9-11 % Si и 6-8 % Al. Альсифер является дешевым материалом.

Магнитодиэлектрики получают путем прессовки порошокообразного ферромагнетика с изолирующей зерна друг от друга органической (бакелит, полистирол, шеллак) или неорганической связкой (жидкое стекло, стеклоэмали). Прессовка сердечников в пресс-формах из стали проводится при высоких давлениях.

Основные параметры колец из альсифера приведены в таблице 5.2. Буквы в марке кольца означают: ТЧ - тональная частота; ТЧК - тональная частота с компенсированным температурным коэффициентом магнитной проницаемости; ВЧ - высокая частота; ВЧК - высокая частота с компенсированным температурным коэффициентом магнитной проницаемости; Г и Р - назначение колец – для аппаратуры проводной связи или радиоаппаратуры. Цифры означают величину начальной магнитной проницаемости при 20 ⁰С. Например, ТЧ-90П – кольцо из альсифера для тональной частоты с =82-6-94 для использования в аппаратуре проводной связи.

Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа. Технологический процесс производства сердечников из порошка карбонильного железа марок Р-10, Р-20, Р-100 состоит в изолировании порошка, прессовании деталей и их низкотемпературной термической обработке для придания механической прочности и стабилизации свойств. Сердечники на основе карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным отрицательным температурным коэффициентом магнитной проницаемостью , определяемым из выражения

Основные параметры сердечников из карбонильного железа также приведены в таблице 5.2.

В связи с широким выпуском ферритов различных марок, обладающих рядом преимуществ по сравнению с магнитодиэлектриками, последние потерями свое техническое значение и применяется в ограниченных областях.

Таблица 5.2

Свойства магнитодиэлектриков

Вид материала		∙10^6 К^-1	м/А	Предельная частота, МГц
Магнитодиэлектрики на основе альсифера	20-65	От -200 до-400	15-65,5	0,1
Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа	5-16	От+50 до+100	1,25-6,25	50

5.3. Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы классифицируют по основному способу получения и подразделяются на:

1) литые сплавы на основе Fe-Ni-Fl и Fe-Ni-Fl-Co , легированные медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами;

2) порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты), получаемые прессованием порошков с последующей термообработкой;

3) прочие магнитотвердые материалы, к которым относятся мартенситные стали, сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ), материалы для магнитных лент и др.

Магнитотвердые материалы применяют:

1) для изготовления постоянных магнитов;

2) для записи информации (например, для звукозаписи).

Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем у магнитомягких материалов, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость.

Магнит в замкнутом состоянии (в виде тороида) не отдает энергию во внешнее пространство. Для отдачи магнитной энергии необходимо иметь воздушный зазор (рабочее пространство) между полюсами, т.е. разомкнутую магнитную цепь. На рис. 5.6 представлены кривая размагничивания (участок Вr-Не), а также кривая зависимости энергии Wе от индукции Bе (кривая Br-O). Энергия в воздушном зазоре зависит от длины зазора. Индукция Ве в промежутке меньше остаточной индукции Br вследствие размагничивающего действия полюсов магнита. Энергия заключения в единице объема воздушного зазора равна

где Не - напряженность поля, соответствующая индукции Ве.

При замкнутом магните Ве= Вr, причем энергия равна нулю, так как Не=0. Энергия также будет равна нулю, когда зазор между полюсами очень велик. При некоторых значениях В_L и H_L энергия достигает максимума, что видно из рис. 5.6.

Значение

Определяет наилучшее использование магнита и тем самым является наиболее важной характеристикой качества материалов для постоянных магнитов.

Рис. 5.6

Литые магнитотвердые сплавы на оcнове Fe-Ni-Al. Сплавы Fe-Ni-Al является важнейшими материалами для постоянных магнитов, т.к. обладают большой коэрцитивной силой. Для повышения магнитных свойств легируют медью и кобальтом.

Сплав Fe-Ni-Al-Со обладает еще лучшими магнитными свойствами по сравнению с Fe-Ni-Al сплавом.

В марках сплавов приняты следующие обозначения: Ю – алюминий, Н – никель, Д –медь, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий, А – кристаллическая текстура (материал магнито - анизотропен). Цифра (число) в маркировке означает процентное содержание того металла, буква которого стоит перед этой цифрой (числом). Например, сплав ЮНДК35Е5 состоит из алюминия, никеля, меди, кобальта с содержанием 65 % и титана с содержанием 5 %.

В таблице 5.3 приведены магнитные свойства некоторых сплавов для постоянных магнитов.

Таблица 5.3

Магнитные свойства сплавов для постоянных магнитов

Марка сплавов	Вr, Т	Нс, кА/м	Ве, Т	HL, кА/м	ВLHL, Т∙кА/м	Wмакс, кДж/м^3
ЮНД4	0,50	40	0,30	24	7,2	3,6
ЮНД8	0,60	44	0,37	28	10,4	5,2
ЮНДК15	0,90	55	0,57	34	19,4	9,7
ЮНДК35Т5	0,80	87	0,50	56	28,0	14,0
ЮНДК25БА	1,28	62	1,05	50	52,8	26,4

Магниты из порошков. Для производства мелких постоянных магнитов со строгими размерами применяют порошковую технологию. Магниты, получаемые методами порошковой металлургии подразделяются на металлокерамические, металлопластические и оксидные.

Металлокерамические магниты получают из металлических порошков путем прессования бессвязывающего материала и слепания при высокой температуре.

Металлопластические магниты изготовляют также из металлических порошков, но прессуют их вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысокой температуре, необходимой для полимеризации связывающего вещества. В качестве примера в таблице 5.4 приведены основные свойства металлокерамического магнитов. Имеется 11 марок металлокерамических магнитов, они маркируются от ММК до ММК11.

Среди оксидных магнитов наибольшее практическое значение имеют магниты на основе ферритов бария и кобальта. Промышленность выпускает две группы бариевых магнитов: изотропные (БИ) и анизотропные (БА). Основные магнитные свойства бариевых и кобальтовых магнитов приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.4

Основные свойства магнитов из порошков

Вид материала	Химический состав сплавов, % (остальное железо)	Вr, Т	Нс, кА/м	Wмакс, кДж/м^3
Металлокерамический	8Al, 15Ni, 24Co, 3Cu	1	50	11,7
металлопластический (на основе сплава ЮНД4)	15Al, 24Ni, 4Cu	0,3	38	1,62

Таблица 5.5

Основные свойства бариевых и кобальтовых магнитов

Марки	Вr, Т	Нс, кА/м	Wмакс, кДж/м^3
БИ	0,19-0,21	128-136	2,8-3,4
БА	0,245-0,38	128-240	4,0-12,4
КС37	0,77	0,54	55
КСП37	0,90	0,5	65

Примечание: К – кобальт, С – самарий, П – празеодим, цифра процентное содержание самария, или празеодима.

Удельное сопротивление бариевых магнитов в миллионы раз больше, чем металлических материалов. Поэтому их можно использовать в магнитных цепях, подвергающихся воздействию СВЧ полей.

5.4. Ферриты и магнитодиэлектрики

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. Материалы с почти прямоугольной формой петли гистерезиса (ППГ) находят широкое применение в устройствах автоматики вычислительной техники, аппаратуре телеграфной связи, многоканальных импульсных системах радиосвязи и т.д.

К материалам и изделиям этого типа используемые в запоминающих устройствах вычислительной техники, предъявляются ряд специфических требований, и для их характеристики используются дополнительные параметры. Основным из таких параметров является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса К_ПУ, представляющий собой отношение остаточной индукции Br к максимальной индукции Вмакс:

.

Для определения Вмакс измеряют при Нмакс=5Нс. Желательно, чтобы К_ПУ был возможно ближе к единице. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшой коэффициент переключения Sq. Коэффициент Sq численно равен количеству электричества, приходящемуся на единицу толщины сердечника, необходимому для перемагничивания его из состояния остаточной индукции в состояние максимальной индукции, противоположной по знаку. Кроме того, материалы с ППГ должны обеспечивать малое время перемагничивания, возможно большую температурную стабильность магнитных характеристик, а следовательно, иметь высокую точку Кюри.

Применяются две группы материалов с ППГ: ферриты и пермаллои микронного проката. Сердечники микронного проката выгодно отличаются от ферритовых своей температурной стабильностью и лучшими магнитными свойствами, однако для их производства применяется дорогое специальное оборудование.

Наибольшее применение из ферритов с ППГ имеют ферриты магниймарганцевой системы. Широко применяют также ферриты Li-Mg-Mn системы. Для ферритов цифры в обозначениях марок соответствуют номинальному значению Нс в эрстедах; буква ВТ («вычислительная техника») указывают на прямоугольности петли гистерезиса.

Свойства ферритовых сердечников приведены в таблице 5.6. Для сравнения в этой же таблице приведены магнитные свойства пермаллоев в тонких слоях.

При создании аппаратуры, работающей в широком температурном диапазоне, необходимо использовать сердечники с микронного проката. В переключающих устройствах, работающих на частотах в сотни килогерц, также целесообразно применять сердечники из сплавов 79НМ с толщиной ленты 3 мкм и менее, так как эти сердечники имеют наименьшее значение коэффициента переключения. При частотах перемагничивания в десятки килогерц лучше использовать сердечники из сплава 34НКМД с толщиной ленты 10 и 5 мкм, которые имеют высокий коэффициент прямоугольности (до 0,98).

В запоминающих устройствах целесообразно применение сердечников из ферритов марок 0,9ВТ; 1,3ВТ; 1,5ВТ; 1,7ВТ; 2,12 ВТ, а в логических схемах лучше использовать ферриты 0,12ВТ; 0,16ВТ и др.

Применение тонких магнитных плёнок целесообразно в малогабаритных быстродействующих запоминающих устройствах.

Таблица 5.6

Свойства сердечников и материалов с ППГ

Вид материала или сердечника	Нс, А/м	Br, Т	КПУ		Sq/мкКл, м	Точка Кюри, ^0С
Ферриты различных марок (свыше 25 марок)	8-300	0,1-0,25	0,7-0,98	14-340	26-53	120-310
Микронные сердечники из пермаллоев (толщина ленты от 2 до 10 мкм)	8-40	0,7-1,5	0,92-0,98	480-780	25-100	300-630
Сплавы 50НП, 65Н, 79НМ, 34 НКМП

Магнитные пленки. Тонкие магнитные пленки со специальной доменной структурой используются в качестве устройств энергонезависимых запоминающих устройств (ЗУ) в информационно – измерительных, вычислительных и автоматических устройствах. Такие устройства отвечают требованиям микроминиатюризации, быстродействия, малого потребления энергии, надежности.

К специфичным доменным структурам относят: полосовые, цилиндрические доменные структуры (ЦМД) и др. Образование таких структур происходит в тонких магнитных пленках из аморфного магнитного материала, например гадолиний – кобальта или гадолиний – железа, нанесенного на немагнитную подложку. В качестве подложки применяют чаще всего стекло или алюминий. В этих пленках появляются области, имеющие одинаковое направление намагничивания, которые похожи по форме на коромысло. Под действием внешнего магнитного поля эти области преобразуются в домены цилиндрической формы с диаметром от 1 до 5 мкм. Поле, которое требуется для получения доменов такого размера, обеспечивают постоянный магнит, который располагается на подложкой с магнитной пленкой. Для хранения информации внешнее электрическое напряжение питания для таких ЗУ не требуется, поэтому они называются энергонезависимыми. Домены могут смещаться под действием магнитного поля, которое направлено по вертикали к основному полю. Для этого на поверхность пленки напыляются тонкие магнитные слои из пермаллоя, которые имеют специфическую форму, называемую шевроном. При помощи вспомогательного магнитного поля можно перемешать домены вдоль шеврона. Пропуская домены под магниточувствительным датчиком, можно осуществить считывание данных в двоичной форме: наличие домена соответствует 1, отсутствие - 0.

Если толщина пленки находится в интервале 3∙10^-5-1∙10^{-3 см, то в ней возникает полосовая многодоменная конфигурация. Полосовая доменная структура состоит из длинных узких доменов с шириной от долей микрометра до нескольких микрон, причем соседние домены намагничены в противоположных направлениях. Под действием внешнего поля можно осуществлять поворот системы полос. Это свойство используется в информационных устройствах.}

Магнитострикционные материалы. Ферромагнитные вещества (железо, кобальт, никель и ряд сплавов) могут изменять форму и размеры при намагничивании (магнитострикция). Явление магнитострикции используется при создании генераторов электрических колебаний стабильной частоты фильтров переменного тока в звуковом и ультразвуковом диапазоне (взамен кварца) и др. В таблице 5.7. приведены значения магнитострикционной деформации ряда ферритов. Значения в этой таблице относятся к магнитному насыщению образцов. Для сравнения приведены данные для пермаллоя.

Таблица 5.7

Магнитострикционная деформация некоторых материалов

Материал	Состав	∙10^-6
Феррит железа	FeO∙Fe2O2	+40
Пермаллой	45Ni, 55Fe	+27
Марганцевый феррит	MnO∙Fe2O3	-2
Никель-цинковый феррит	Ni^2+Zn^3+Fe2^3+O4	-5
Литиевый феррит	Li^1+Fe^3+ Fe2^3+O4	-8
Кобальтовый феррит	Co^2+ Fe2^3+O4	-200

Знак «минус» означает уменьшение длины.

5.5. Ферриты сверхвысоких частот (СВЧ) для фазированных решеток, вентилей и фазовращателей

Диапазон частот от 3 до 30 ГГц называют сверхвысокими. Для передачи электромагнитной энергии такой частоты применяют волноводы – полые металлические трубы различной конфигурации, а также коаксиальные и полосовые линии передачи. Структуру поля и скорость распространения волн можно изменять, помещая внутрь волновода феррит, что и осуществляют при создании различного рода устройств СВЧ. Ферриты в таких устройствах используют при одновременном действии на них переменного магнитного поля h СВЧ – диапазона и постоянного магнитного поля . В этом случае магнитная проницаемость является тензорной величиной, т.е. появляются так называемые диагональные и недиагональные компоненты не равные друг другу. В общем случае эти компоненты зависят от напряженности поля , угловой частоты , напряженности переменного поля h, а также от свойств феррита. Кроме того, зависимость компонентов и от и имеют резонансный характер; при совпадении с частотой собственной процессии возникает гиромагнитный резонанс.

Ферритовый элемент, помещенный внутрь волновода, называют ферритовым вкладышем. Его размер и конфигурация определяются назначением устройства СВЧ (вентиль, фазовращатель, циркулятор и т.д.), диапазоном рабочих частот и температур, уровнем мощности.

Вентили служат для защиты входных генераторов сумматора от отраженных волн при возможных изменениях нагрузки на выходе.

Ферриты с переменными параметрами, изменяющихся под воздействием магнитного поля могут управлять фазой сигнала в тракте СВЧ. Также устройства называют фазовращателями и широко применяются в фазированных антенных решетках (ФАР) радиопередающих и радиоприемных устройствах СВЧ. В ФАР с большой точностью можно менять положение их диаграммы направленности в устройстве и ее форму.

Циркуляторы применяются в отражательных резонансных усилителях для подключения генератора сигнала, активного элемента, резонатора и нагрузки.

В резонансных вентилях, циркуляторах, фазовращателях и в ряде других устройств на прямоугольных волноводах используют главным образом прямоугольные пластины из ферритов. Длина, ширина и высота пластины зависят от типа устройства, расположения пластины в волноводе и рабочей частоты.

На СВЧ применяются никелевые ферриты, магниевые ферриты, магниевые ферроамоникаты, никелевые и магниевые феррохромиты, а также иттриевые ферриты – гранаты.

ГЛАВА VI

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

════════════════════════════════════════════

6.1. Металлические контактные материалы

В электрических цепях различают постоянные контактны и контакты, служащие для периодического замыкания и размыкания цепи. К последним относятся так называемые разрывные и скользящие контакты.

Материалы для разрывных контактов, применяемые для размыкания цепей при больших силах тока и высоких напряжениях, должны не допускать обгорания (эрозии) контактирующих поверхностей, а также приваривания их друг к другу под действием возникающей при разрыве контакта электрической дуги. С другой стороны, в замкнутом состоянии контакт должен иметь малое переходное электрическое сопротивление.

В качестве контактных материалов для разрывных контактов помимо чистых тугоплавких металлов (вольфрам, рений, тантал, молибден) применяют различные сплавы и металлокерамические композиции. Широко применяется материал системы Ag-CdO, в которой окись кадмия по массе составляет 12-20 %. Такой материал получается при нагреве в атмосфере кислороде сплава серебро – кадмий. В установках большой мощности для изготовления разрывных контактов применяют композиции Ag с Co, Ni, Cr, W, Mo и Ta; Cu с W и Mo; Au с W и Mo.

В качестве материалов для скользящих контактов, которые должны обладать высокой стойкостью к истиранию, используют твердую медь, бериллиевую бронзу, а также материалы системы Ag-CdO. Из бронзы изготовляют также проводящие пружины.

6.2. Неметаллические контактные материалы

Среди твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода. Их называют электроугольными изделиями. Из угля изготовляют щетку, служащие для создания скользящего контакта во вращающихся электрических машинах. Скользящие контакты подводят (или отводят) ток к коллектору. Кроме того, электроугольные изделия служат в качестве электродов для прожекторов, дуговых электрических цепей, анодов гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные резисторы и разрядники для телефонных сетей.

Угольные изделия имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления ТК_.

Щетки выпускают различных размеров (применяющая к коллектору контактная поверхность щётки может быть от 4х4 до 35х35 мм, высота щетки 12-70 мм).

В качестве сырья для производства угольных изделий используют сажу, графит или антрацит. Сажа образуется при неполном сгорании многих органических соединений. Графит – простое вещество из свободного углерода, месторождение которого оценивается миллионами тонн. Антрацит – продукт разложения древесины с содержанием углерода более 96 %.

Для получения электроугольных изделий измельченную массу размешивают каменноугольной смолой или жидким стеклом (водный раствор Na₂SiO₃) и обжигают в соответствующих пресс- формах. При высоких температурах обжига (до 2200 ⁰С) углерод искусственно переводится в форму графита, вследствие чего такой процесс называют графитированием.

Различают щетки угольно – графитные (Т и УГ); графитные (Г); электрографитированные, т.е. подвергнутые графитированию (ЭГ); медно – графитные с содержанием меди (М и МГ).

Различные марки щетки отличаются по значению удельного сопротивления, по допустимой плотности тока, коэффициенту трения, твердости щетки, линейной скорости на коллекторе.

6.3. Проводящие и резистивные пасты

При изготовлении электродов керамических конденсаторов, проводников и резисторов толстопленочных гибридных ИМС применяются специальные пасты. Пасты обычно наносятся методом вжигания в подложку ИМС, представляющей собой керамику, стекло или ситалл.

Наибольшее применение нашли пасты для серебрения керамики. Такая паста содержит углекислое серебро Ag₂CO₃ или окись серебра Ag₂O, которые при температурах выше 500 ⁰С разлагается. Продукты разложения – углекислый газ и кислород улетучивается, а на поверхности керамики остаётся чистое серебро. Температура вжигания пасты около 825 ⁰С, а толщина слоя серебра после 2-3 вжиганий составляет около 10 мкм.

Применяют также пасты на основе золота, платины, палладия и их сплавов. Серебряные покрытия более дешевы, но при отсутствии герметизации они подвержены коррозии и миграции (перемещению) в керамику.

6.4. Корпуса для ИМС

Корпуса интегральных микросхем должны удовлетворять ряду требований:

- достаточная механическая прочность, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие при сборке, соединении с другими корпусами и во время эксплуатации;

- возможно меньшие линейные размеры;

- конструкция корпуса должна позволять легко и надежно выполнять электрические соединения между микросхемой, расположенной внутри корпуса, и другими микросхемами;

- минимальное значение паразитных индуктивностей и емкостей;

- надежная изоляция элементов друг от друга;

- минимально возможная величина теплового сопротивления между микросхемой и окружающей средой;

- герметичность корпуса;

- надежная защита микросхемы от воздействия внешних излучений (света и т.п.), химического воздействия (кислорода, воды и т.п.).

Для полупроводниковых микросхем разработано большое число различных типов корпусов, но применяют в основном плоский металлостеклянный или керамический модифицированный вариант транзисторного корпуса типа ТО и пластмассовый.

Плоский корпус может быть прямоугольным или квадратным. Прямоугольный плоский металлостеклянный корпус имеет размеры 9,8х6,5 мм, высоту 2 мм и 14 выводов при шаге 0,625 мм. Сам корпус состоит из трех основных частей: керамического основания в виде плоской пластины, на которой располагается кристалл микросхемы; 14 выводов, выполненных из металла в виде фигурных тонких полосок; керамической крышки.

Корпуса типа ТО имеют круглую форму, диаметр 9,6 мм, высоту 4,6 мм, 8,10 или 12 выводов. Корпуса типа ТО обладают высокой надежностью и хорошей экранировкой микросхемы от внешних электромагнитных влияний. Основной колпачок с отверстиями (по числу выводов), расположенными равномерно по кругу.

Пластмассовый корпус широко применяется благодаря сравнительно невысокой стоимости. В отличие от корпусов других типов пластмассовый корпус не обладает способностью отводить тепло и не может работать при высоких температурах. Однако во многих случаях пластмассовый корпус вполне приемлем. Корпус имеет размеры 19,5х6,5 мм, высоту 5 мм и 14 выводов при шаге 2,5 мм.

Следует иметь в виду, что формы, размеры, число выводов корпусов микросхем, применяемых в цифровых вычислительных устройствах, серьезно отличаются от простейших корпусов, описанных выше.

6.5. Припои

Припои представляют собой специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайка применяется как для скрепления отдельных элементов конструкции, так и для электрического соединения проводников (монтажа).

При проектировании технологических процессов пайки необходимо правильно выбрать припои, флюсы и режимы, обеспечивающие получение требуемых эксплуатационных свойств соединений, герметичности, стойкости против коррозии и т.д.

В процессе пайки происходит взаимное растворение и диффузия припоя и основного металла, чем обеспечивается после затвердения припоя определенная механическая прочность паянного соединения. В отличие от сварки при пайке не происходит расплавления основного металла соединяемых деталей, так как температура плавления припоя всегда ниже температуры плавления основного металла. Спаиваемые детали нагревают паяльником, в печах, в пламени газовой горелки, токами высокой частоты.

В качестве припоев используют различные цветные металлы и сплавы. В соответствии с применяемыми припоями различают пайку твердыми и мягкими припоями.

Твердые припои (медные, медно – цинковые и серебряные) имеют высокую температуру плавления (700-900 ⁰С) и служат для пайки конструкций, несущих повышенные механические нагрузки. Соединения отличаются высокой механической прочностью. Предел прочности при растяжении до 500 МПа.

Мягкие припои имеют температуру плавления ниже 350 ⁰С и сравнительно невысокую механическую прочность.

Пайку монтажных соединений производят мягкими припоями с помощью электрических паяльников. В большинстве случаев детали перед пайкой мягкими припоями лудят, т.е. покрывают слоем расплавленного припоя. При лужении происходит сплавление припоя с основным металлом, что облегчает пайку.

При монтаже узлов и блоков вычислительных машин и другой радиоэлектронной аппаратуры применяют следующие мягкие припои: оловянно – свинцовые, безоловянистые, легкоплавкие.

Оловянно – свинцовые припои (ПОС) представляют собой сплавы олова и свинца с содержанием олова от 18 % (ПОС-18) до 90 % (ПОС-90) с присадкой 0,15-2,5 % сурьмы. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова. Удельная проводимость оловянно – свинцовых припоев зависит от содержания олова и составляет 8-14 % от удельной проводимости чистой меди, а ТКl = (26-27)∙10^-6 К^-1. электропроводимость швов понижается с увеличением их толщины. Теплопроводность припоев обратно пропорциональна содержанию олова. Коррозийная стойкость припоев в различных агрессивных средах зависит от содержания олова. С увеличением его содержания стойкость припоев против коррозии в кислотах повышается, а в щелочах – понижается.

Для пайки монтажных соединений наиболее широко применяют ПОС-30 и ПОС-40. для пайки тонких монтажных и обмоточных проводов, деталей и узлов, не допускающих нагрева свыше 200 ⁰С, ступенчатых паек близко расположенных деталей служит припой ПОС-61. Он предпочтителен для пайки монтажных соединений благодаря более низкой температуре плавления, небольшому температурному интервалу кристаллизации и более высокой коррозийной стойкости.

Назначение оловянно – свинцовых припоев, как наиболее распространенных, приведено в таблице 6.1.

Температурный режим паяльника регулируют подаваемым на него напряжением. Нормальным режимом считается такой, при котором припой быстро плавится, но не скатывается с рабочей части стержня паяльника: канифоль сгорает не мгновенно, а остается на стержне в виде кипящих капелек.

Трубчатые припои. Для пайки соединений при монтаже широко применяют трубчатый припой, представляющий собой изготовленную из оловянно – свинцового сплава пустотелую трубку небольшого размера, заполненную канифолевым флюсом (см. дальше).

Основное преимущество трубчатых припоев состоит в том, что наложение припоя и флюса на место пайки происходит за один приём. Применение таких припоев улучшает качество паек, резко увеличивает производительность труда, облегчает пайку в труднодоступных местах.

Диаметр трубчатого припоя определяются характером соединений. Применение трубок меньших диаметров во многих случаях способствует экономии припоя. Наружные диаметры трубчатых припоев в мм: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5. внутренние диаметры соответственно вдвое меньше.

Легкоплавкие припои. Для получения легкоплавких припоев в оловянно – свинцовые припои добавляют алюминий, серебро, висмут, кадмий. Они применяются в тех случаях, когда требуются пониженная температура пайки, но механическая прочность их незначительна. Сплав Вуда (50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn, 12,5 % Cd) имеет температуру плавления всего 60,5 ⁰С.

Таблица 6.1

Припой	Температура, ^0С		Назначение
	плавления	пайки
ПОС-18	277	340	Для пайки стали, оцинкованного железа, меди, латуни, свинца, для лужения перед пайкой
ПОС-30	256	320	Для пайки стали, меди, латуни, белой жести, медных проводов, деталей приборов и радиоаппаратуры, для предва-рительной пайки соединений перед повторной пайкой более легкоплавким припоем
ПОС-40	235	290	Для пайки ответственных элементов из стали, латуни, для соединений проводов с монтажными лепестками
ПОС-50	218	250	То же
ПОС-61	190	240	Для пайки элементов из стали, меди, латуни, бронзы, не допускающих высокого нагрева в зоне пайки. Для пайки монтажных и обмоточных проводов диаметром 0,05-0,08 мм, резисторов, конденсаторов, монтажных проводов с хлорвиниловой изоляцией. Для пайки герметичных швов изоляторов, а также для паек с повышенной электропровод-ностью и механической прочностью
ПОС-90	222	280	Для пайки элементов и узлов, подвергающихся в дальнейшей гальваническим покрытиям (серебрение, золочение)

6.6. Флюсы

Для успешного проведения процесса пайки и получения соединения высокого качества применяются флюсы, которые должны:

1) растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаиваемых металлов;

2) защищать в процессе пайки поверхность металла, а также расплавленный припой от окисления;

3) уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя;

4) улучшать растекаемость припоя и смачиваемость им соединяемых поверхностей.

Для этого флюсы должны удовлетворять следующим требованиям. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс должен быть жидким и достаточно подвижным при температуре пайки, легко и равномерно растекаться по основному металлу, хорошо проникать в зазоры; он не должен быть слишком тягучим и «уходить» от места пайки. Флюс не должен образовывать соединений с основным металлом и припоем и поглощаться ими, в противном случае понижается прочность и коррозийная стойкость соединения, нарушается его герметичность. Флюс должен равномерным слоем покрывать поверхность основного металла у места пайки, предохраняя его от и окисления. Флюс не должен давать остатка, способного вызвать коррозию спаиваемых деталей, а выделяемые при пайке дымы должны быть безвредны для окружающих деталей в случае осаждения копоти на их поверхность.

По действию, оказываемому на припаиваемый металл, флюсы подразделяют на несколько групп.

Активные или кислотные флюсы приготовляют на основе активных веществ – соляной кислоты, хлористых и фтористых соединений металлов и т.д. Эти флюсы интенсивно растворяют окисные пленки на поверхности металла, благодаря чему обеспечивается хорошая адгезия, а следовательно, и высокая механическая прочность спая. Но остаток флюса после пайки вызывает интенсивную коррозию спая и основного металла. Поэтому применяют такие флюсы только в том случае, когда возможна тщательная промывка и полное удаление остатков флюса.

При монтажной пайке радиоаппаратуры использование активных флюсов недопустимо.

Бескислотные флюсы - это канифоль и флюсы, приготовляемые на ее основе с добавлением неактивных веществ (спирта, глицерина). Канифоль – составная часть смолистых веществ хвойных деревьев. Канифоль начинает размягчаться при 60 ⁰С и становится жидкой при 120 ⁰С. Наиболее полно удовлетворяет выше приведенные в качестве флюса при пайке монтажных соединений.

Активированные флюсы – изготовляют на основе канифоли с добавлением активизаторов – небольших количеств солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина и т.п. Высокая активность некоторых активированных флюсов позволяет производить пайку без предварительного удаления окислов

Аттикоррозийные флюсы изготавливают на основе фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений и растворителей, а также на основе органических кислот. Остатки этих флюсов не вызывают коррозии. Наиболее известной антикоррозийный флюс именуется ВТС.

ГЛАВА VII

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

════════════════════════════════════════════

7.1. Определение удельного сопротивления

проводников

7.1.1. Свойства проводников

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости. В электротехнике в качестве проводников в основном применяются металлы и сплавы.

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома металла переходит один или два электрона.

Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под действием этого поля кроме теплового, хаотического движения свободных электронов возникает их упорядоченное движение в направлении, противоположном напряженности поля.

Основной характеристикой проводников является их удельное электрическое сопротивление

, (7.1)

где m – масса электрона, - средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле, q – заряд электрона, n₀- число свободных электронов в единице объема металла (концентрация), - средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки.

У всех металлов величину средней скорости можно считать постоянной. Концентрация электронов также мало зависит от природы металла, поэтому величина удельного сопротивления проводников зависит в основном от средней длины свободного пробега электронов. Чистые металлы имеют правильную кристаллическую решетку, поэтому они характеризуются большой величиной и малым значением . При нормальной температуре чистые металлы имеют не более 0,05 мкОм∙м.

Примеси в металле искажают кристаллическую решетку и вызывают большие изменения удельного сопротивления. Сплавы при нормальной температуре имеют не менее 0,3 мкОм∙м. С основным металлом примесь может образовать твердый раствор, механическую смесь или, вступая с ним в химические взаимодействие, интерметаллическое соединение.

Твердый раствор образуют смеси таких металлов, у которых ионы имеют примерно одинаковые геометрические размеры. В качестве примера на рис. 7.1. приведена зависимость удельного сопротивления твердого раствора от состава сплава Ni и Cu.

Рис. 7.1.

Если линейные размеры ионов компонентов слава сильно отличаются друг от друга, тогда получается механическая смесь. Пример зависимости удельного сопротивления механической смеси Fe и Cu приведен на рис. 7.2.

Рис. 7.2.

У интерметаллических соединений кривая зависимости удельного сопротивления имеет сложный ступенчатый вид, т.к. в зависимости от процентного содержания компонентов сплава образуются различные соединения. Например, при 50 % процентных содержаниях Zn и Mg образуется MgZn, а при 60 % Zn и 40 % Mg образуется MgZn₃ и т.д.

7.1.2. Экспериментальная часть

7.1.2.1. Определение удельного электрического сопротивления

различных проводников при комнатной температуре

Сопротивление проводников зависит от формы и размеров. Эта зависимость особенно проста, если проводники имеют форму цилиндров постоянного поперечного сечения (проволоки). Тогда

, (7.2)

где l - длина проводника, а S – его поперечное сечение.

С помощью линейки определяется длина проводников выданных преподавателем, а с помощью микрометра – диаметр проводников. Затем необходимо измерить сопротивления R этих проводников при помощи моста сопротивлений типа МКМВ.

Удельное сопротивление определяется по формуле

(Ом∙мм²/м) (7.3),

где R- сопротивление проводника в Омах;

S - площадь поперечного сечения проводника, мм²;

L – длина проводника, м.

Отчет о работе должен содержать:

1. Фамилию и инициалы учащегося, индекс учебной группы и дату выполнения работы.

2. Расчетные данные по определению удельного сопротивления каждого проводника.

7.2. Температурная зависимость сопротивления проводников

7.2.1. Температурный коэффициент удельного

сопротивления проводников

Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры остаётся практически неизменным.

С повышением температуры происходит усиление колебаний узлов кристаллической решетки, что создает все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под воздействием электрического поля. Это приводит к уменьшению средней длины свободного пробега электронов и, как следствие, к росту удельного сопротивления .

Величина удельного сопротивления проводников при данной температуре характеризуется следующей зависимостью

, (7.4)

где - удельное сопротивление проводника при начальной температуре; - температурные коэффициенты удельного сопротивления; t – величина диапазона температур.

Величина имеют ничтожно малые значения. Поэтому на практике пользуются упрощенной формулой

(Ом∙мм²/м), (7.5)

где - температурный коэффициент удельного сопротивления; t – величина диапазона температур.

Если интервал изменения у чистых металлов можно считать постоянным и равным

. (7.6)

На рис. 7.3 показана зависимость удельного сопротивления меди от температуры. Резкий перелом кривой соответствует точке плавления (1083 ⁰С).

Рис. 7.3.

7.2.2. Экспериментальная часть

7.2.2.1. Определение зависимости удельного сопротивления

проводников от температуры

Спирали из выданных преподавателем проводников поместить в тигельную печь и замерять их сопротивление через каждые 50 ⁰С при нагревании до 300 ⁰С.

По полученным данным построить график зависимости от t ⁰С и определить температурный коэффициент удельного сопротивления по формуле

, (7.7)

где - удельное сопротивление проводника при комнатной температуре t₁, - удельное сопротивление при t₂=300 ⁰С, t⁰=t₂-t₁ – температурный диапазон.

Отчет о работе должен содержать:

1. Фамилию и инициалы учащегося, индекс учебной группы и дату выполнения работы.

2. Расчетные данные, таблицы и графики.

7.3. Определение удельного сопротивления

твердых диэлектриков

7.3.1. Электропроводность твердых диэлектриков

Диэлектриками называют материалы, электрическое сопротивление которых не ниже 10⁹ Ом∙см, а у диэлектриков, используемых в современной технике связи, - не ниже чем 10¹² Ом∙см.

Электропроводность твердых диэлектриков обусловливается передвижением ионов, но с увеличением напряженности электрического поля у них возрастает электронная проводимость. Последняя наиболее заметна при сильных электрических полях. Электрический ток, проходящий через диэлектрик, называется объемным током. Сравнимым с ним по величине оказывается ток по поверхности диэлектрика, который называется поверхностным током. Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги или других загрязнений на поверхности диэлектрика.

Поэтому для оценки электроизолирующих свойств твердых диэлектриков пользуются их удельным объемным и удельным поверхностным сопротивлениями. Если плоский образец находится в однородном электрическом поле, его удельное объемное сопротивление определяется формулой

, (7.8)

где R_V – объемное сопротивление, Ом; S – площадь измерительного электрода, см²; h – толщина образца, см.

Удельное поверхностное сопротивление материала равно сопротивлению квадрата любых размеров по поверхности при протекании тока между противоположными сторонами

, (7.9)

где R_S – поверхностное сопротивление, Ом; d – длина электродов, см; l – расстояние между электродами, см.

Поверхностная электропроводность диэлектриков зависит от влажности окружающей среды и чистоты поверхности материала.

Особенностью электропроводности диэлектрика также является постоянное спадание тока со временем. В момент включения напряжения через диэлектрик протекает сравнительно большой ток, состоящий из суммы двух токов – тока абсорбции – I_абс, обусловленного поляризацией, и тока сквозной проводимости – I_ск, который представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц. И характеризует собственно электропроводность материала.

Поэтому при измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить. Для этого испытуемый образец надо выдержать под напряжением в течение несколько минут, а затем проводить измерения.

7.3.2. Экспериментальная часть

7.3.2.1. Определение динамической постоянной гальванометра.

Принципиальная схема для определения сопротивления диэлектрика на постоянном напряжении показана на рис. 7.4.

Для измерения силы токов очень малой величины порядка 10^-12 А в схеме применяется гальванометр.

Динамической постоянной гальванометра называют величину тока, вызывающего отклонение светового луча гальванометра на 1 мм шкалы, находящейся на расстоянии 1 м от зеркальца гальванометра. Определение динамической постоянной гальванометра проводится в следующем порядке (рис. 7.4):

Рис. 7.4: 1- регулятор напряжения, П – переключатель полярности, R – защитное сопротивление, 2 – шунт, Г- гальванометр зеркальный, V – вольтметр.

1. Закоротить электроды а и б.

2. Включить источник высокого напряжения и после двухминутного прогрева прибора установить регулятором напряжения 1 напряжение 100 В.

3. Включить ключ К2 и поставить шунт в положение n = 10⁴.

4. Включить ключ К3, поставить шунт в положение n = 10² и провести отсчет по шкале гальванометра Г.

5. Переключателем П изменить полярность и снова произвести отсчет по шкале гальванометра Г.

6. Выключить все ключи, шунт поставить в положение , снизить напряжение при помощи регулятора до минимума.

Динамическая постоянная гальванометра находится из уравнения

(7.7)

где U – напряжение, В; R₀ – сопротивление схемы, Ом; n – коэффициент шунта; - показание гальванометра (среднее из двух отклонений при изменении полярности), мм.

7.3.2.2. Определение зависимости удельного объемного сопротивления диэлектрика от величины напряжения

Порядок выполнения измерений:

1. Образец диэлектрика с наклеенными электродами подключить согласно схеме на рис. 7.5 а. Все измерения начинать с максимального значения шунта ().

2. Повторить операции, указанные в разделе 7.3.2.1.

3. Если световой луч гальванометра не отклоняется или отклоняется слишком мало, уменьшить коэффициент шунта. Отсчет произвести через одну минуту после включения ключа К3.

а) б)

Рис. 7.5. Схема подключения электродов для измерения удельного

объемного (а) и удельного поверхностного (б) сопротивлений: а, б, в – электроды;

1- испытуемый диэлектрик; 2- кольцевой электрод;

3 – центральный электрод

4. Изменить полярность переключателем и снова произвести отсчет.

Удельное объемное сопротивление вычислить из уравнения

, (7.8)

где S – площадь центрального электрода (см²), h – толщина образца, см.

5. Не отключая образец, повышать напряжение ступенями 200, 300, 400, 500 и 600 В и производить отсчет показания гальванометра. Вычислить значения объемного сопротивления для каждого из указанных напряжений.

7.3.2.3. Определение удельного поверхностного сопротивления диэлектрика

Порядок выполнения измерений:

1. Образец диэлектрика с наклеенными электродами подключить согласно схеме на рис. 7.5 б.

2. Повторить операции раздела 7.3.2.1 пунктов 2,3,4,5,6.

Удельное поверхностное сопротивление вычисляется из уравнения

, (7.9)

где Д₁ – внутренний диаметр кольцевого электрода наклеенного на образец, см; Д₂ – диаметр центрального электрода, наклеенного на образец, см (рис. 7.5).

Отчет о работе должен содержать:

1. Фамилию и инициалы учащегося, индекс учебной группы и дату выполнения работы.

2. Принципиальную схему установки, на которой произведена работа.

3. Описание исследованных диэлектриков.

4. Результаты наблюдений и вычислений свести в таблицу

№ п/п

Наименование материала

U, В

n

, мм

Д1, см

Д2, см

S, см^2

h, см

, Ом∙см

, Ом

5. Построит график .

7.4. Зависимость сопротивления

полупроводников от температуры

7.4.1. Электропроводность полупроводников

К классу полупроводников относят такие твердые кристаллические вещества, электропроводность которых равна нулю при температуре абсолютного нуля и возрастает при повышении температуры. Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток, а удельная электрическая проводимость есть величина, количественно характеризующая электропроводность вещества. Удельным сопротивлением называется величина, обратная удельной проводимости.

Сопротивление стержня произвольных размеров из данного материала определяется по формуле

, (7.10)

где l – длина стержня, м; S – сечение стержня, м².

Величина зависит от концентрации свободных носителей и их подвижности.

, (7.11)

где n – концентрация носителей; q – заряд носителя; - его подвижность.

Подвижностью носителя называется скорость его движения в электрическом поле, напряженность которого равно 1.

, (7.12)

где v – скорость носителя в электрическом поле напряженностью Е.

Если полупроводник содержит примеси в количестве не больше 10^-9 %, то он называется собственным полупроводником. Концентрация носителей в собственном полупроводнике определяется температурой и шириной его запрещенной зоны, подчиняется экспоненциальному закону

, (7.13)

где А – коэффициент пропорциональности, - ширина запрещенной зоны данного полупроводника, К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура.

Подвижность носителей растет обратно пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры

, (7.14)

где В – коэффициент пропорциональности.

Обычно концентрация носителей растет быстрее, чем уменьшается их подвижность. Поэтому полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). ТКА – это относительное увеличение сопротивления на 1 ⁰С.

Из выражений (7.13) и (7.16) видно, что сопротивление собственных полупроводников сильно зависит от температуры. На этом основан принцип действия полупроводниковых приборов, называемых термисторами. Термистор (терморезистор) – это нелинейный резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры.

На рис. 7.6 показана типичная зависимость сопротивления терморезистора от температуры и его условное обозначение. Терморезисторы изготавливают из окислов и карбидов.

У многих полупроводников под действием квантов света происходит переброс валентных электронов через запрещенную зону и образуется пара электрон – дырка. На этом явлении основано действие фотосопротивлений (фоторезистор).

Рис. 7.6.

Если облучения нет, то фоторезистор имеет большое темновое сопротивление R_Т=10⁴-10⁷ Ом. В качестве фоторезисторов используют различные карбиды.

7.4.2. Экспериментальная часть.

7.4.2.1. Измерение зависимости сопротивления

терморезистора от температуры

При помощи лампового вольтметра замерить сопротивление терморезистора при комнатной температуре. Затем поместить терморезистор в печь и замерить сопротивление через каждые пять градусов вплоть до 60 ⁰С. После последнего замера печь выключить и открыть её дверцу.

7.4.2.2. Измерение зависимости сопротивления

фоторезистора от освещенности

Собрать схему, приведенную на рис. 8.7 и замерить сопротивление фоторезистора в темноте (движок автотрансформатора (ЛАТР) в нулевом положении). Затем, подавая напряжения на лампу (Л), замерять сопротивление фоторезистора (ФР) и ток накала лампы. Напряжение подавать ступенями по 20 В в пределах от 0 до 220 В.

Рис. 7.7

Отчет о работе должен содержать:

1. Фамилию и инициалы учащегося, индекс учебной группы и дату выполнения работы.

2. Схемы установок и краткое описание метода работы.

3. Таблицы и графики опытных и расчетных данных: а) график зависимости сопротивления терморезистора от температуры. На оси абсцисс откладывать обратное значение абсолютной температуры, а на оси ординат логарифм сопротивления; б) считая, что освещенность, создаваемая лампой накаливания, пропорциональна току накала, построить график зависимости сопротивления фоторезистора от величины тока накала.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Б.М. Тареев, Н.В. Короткова, В.М, Петров, А,А, Преображенский. Электрорадиоматериалы- М.: Высшая школа, 1978.

2. Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, В.М. Тареев. Электро – технические материалы- М.: «Энергоатомиздат», 1985.

3. Майофис И.М. Химия диэлектриков- М.: «Химия», 1981.

4. Рене В.Т. Электротехнические материалы. – Л., 1984.

5. Справочник по электротехническим материалам. –М.:, «Энергоатомиздат», в 3 т., 1986-1988.

6. А.Т. Белевцев. Ремонт и обслуживание вычислительных машин- М.: Высшая школа, 1990.

7. И.Е. Ефимов, Ю.И. Горбунов, И.Я. Козырь. Микроэлектроника, М.: Высшая школа, 1977.

8. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. Учебное пособие, Спб.: Питер, 2006.

9. Демаков Ю.П. Радиоматериалы и радиокомпоненты, Учебное пособие, 1999.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................................................................	3
ГЛАВА I ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОМАТЕРИАЛОВ
1.1. Электрические характеристики радиоматериалов.......................	5
1.2. Тепловые характеристики радиоматериалов................................	8
1.3. Механические и физико-химические характеристики радиоматериалов....................................................................................	14
ГЛАВА II ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1. Проводниковые материалы с высокой проводимостью.............	18
2.2. Проводниковые материалы с высоким сопротивлением............	24
ГЛАВА III ДИЭЛЕКТРИКИ
3.1. Электрические свойства диэлектриков .......................................	32
3.2. Твердые органические диэлектрики.............................................	38
3.3. Пластмассы, изоляционные лаки, эмали, компаунды………….	39
3.4. Неорганические диэлектрики. Радиокерамические материалы	45
3.5. Пьезоэлектрические материалы...................................................	54
3.6. Электреты и жидкие кристаллы…................................................	60
3.7. Газообразные и жидкие диэлектрики ….......................................	65
ГЛАВА IV ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
4.1. Классификация полупроводниковых материалов……………...	70
ГЛАВА V МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
5.1. Магнитные свойства материалов…………..................................	76
5.2. Магнитомягкие материалы …………….......................................	80
5.3. Магнитотвердые материалы …………….....................................	88
5.4. Ферриты и магнитодиэлектрики………......................................	91
ГЛАВА VI ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИЛЫ
6.1. Металлические контактные материалы…………………………	96
6.2. Неметаллические контактные материалы………………………	96
6.3. Проводящие резистивные пасты………………………………...	97
6.4. Корпуса для ИМС………………………………………………...	98
6.5. Припои…………………………………………………………….	99
6.6. Флюсы…………………………………………………………….	102
ГЛАВА VII ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
7.1. Определение удельного сопротивление проводников...............	104
7.2. Температурная зависимость сопротивления у проводников.....	106
7.3.Определение удельного сопротивление твердых диэлектриков……………………………………………….................	108
7.4. Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры……………………………………………………………	112
Использованная литература ……… ....................................................	116