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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

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

по дисциплине «материаловедение».

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа 2012

Содержание

         Введение.                                                                                                        3       

           ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ                                                            4

           1. Классификация материалов по применению                                                             4  

2  ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ                                                                          6             

2.1 Свойства проводниковых материалов                                                                       6            

2.1.1 Физическая природа  электропроводности металлов                                            6          

2.1.2. Температурная зависимость  удельного сопротивления                                      7        

2.1.3. Влияние примесей  и дефектов структуры на удельное

сопротивление металлов                                                                                                              8      

2.1.5. Электросопротивление тонких  металлических пленок                                       9    

2.2. Материалы высокой проводимости                                                                          9  

2.3 Материалы высокого  удельного сопротивления                                                    10      

3 ДИЭЛЕКТРИКИ                                                                                                           10     

3.1. Основные электрические  свойства диэлектриков                                                 11                     

3.1.1 Поляризация диэлектриков                                                                                    12            

           3.1.2 Влияние напряженности электрического поля на поляризацию диэлектриков14            

3.1.3 Электропроводность диэлектриков                                                                       14           

3.1.4 Пробой диэлектриков                                                                                             15           

3.2 Газообразные диэлектрики                                                                                       16             

3.3 Жидкие диэлектрики                                                                                                 16                

3.3.1. Нефтяные масла                                                                                                     17                    

3.3.2 Синтетические жидкие  диэлектрики                                                                   17                      

3.4. Неорганические твердые  диэлектрики                                                                   18                                  

3.4.1. Слюда                                                                                                                      18                      

3.4.2. Стекла                                                                                                                     18                  

3.4.3. Ситаллы                                                                                                                 19                          

3.4.4. Керамика                                                                                                                19                           

3.5.5. Электроизоляционные  компаунды. Лаки                                                           20                                

4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ                                                             20                       

4.1. Собственная проводимость  полупроводников                                                     20                       

4.2 Примесная проводимость  полупроводников                                                         22                      

4.3. Элементарные полупроводники                                                                            23                          

4.3.2. Кремний                                                                                                                24                   

 

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

сложные задачи по созданию материалов с заранее заданными свойствами.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ

1. Классификация материалов  по применению

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

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

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

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

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

Удельная электропроводность зависит только от свойств мате-

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

Для основных групп электротехнических материалов значение ρ

составляет:

– проводники - ρ < 10-5 Ом·м;

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

– полупроводники - ρ = 10-5…108 Ом·м.

Что касается магнитных материалов, по величине удельной

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

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

 

2 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1 Свойства проводниковых материалов

Проводниковые свойства проявляют  металлы, металлические

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

2.1.1 Физическая природа электропроводности металлов

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

Свободные электроны  хаотически перемещаются по кристаллу

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

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

лах с гранецентрированной  кубической кристаллической решеткой

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

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

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

 

2.1.2. Температурная зависимость  удельного сопротивления

металлов

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

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

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

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

 

2.1.3. Влияние примесей  и дефектов структуры на удельное

сопротивление металлов

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

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