Справочник от Автор24
Радиофизика

Конспект лекции
«Материалы электронных средств»

Справочник / Лекторий Справочник / Лекционные и методические материалы по радиофизике / Материалы электронных средств

Выбери формат для чтения

doc

Конспект лекции по дисциплине «Материалы электронных средств», doc

Файл загружается

Файл загружается

Благодарим за ожидание, осталось немного.

Конспект лекции по дисциплине «Материалы электронных средств». doc

txt

Конспект лекции по дисциплине «Материалы электронных средств», текстовый формат

Фадеева Н.Е. Материалы электронных средств Конспект лекций для студентов заочной, заочной ускоренной и заочной дистанционной форм обучения Новосибирск 2018 СОДЕРЖАНИЕ 1. Кристаллография 1.1. Атомы, ионы, молекулы 1.1.1. Гомеополярная (ковалентная) связь 1.1.2. Гетерополярная (ионная) связь 1.1.3. Металлическая связь 1.1.4. Молекулярная связь 1.2. Особенности строения твёрдых тел 1.2.1. Кристаллы 1.2.2. Индексы Миллера 1.2.3. Дефекты в строении кристаллических тел 1.2.4. Полиморфизм 1.2.5. Стёкла и другие аморфные тела 1.3. Гетерогенное равновесие в системах, содержащих жидкую и твердую фазу 1.3.1. Фазовое равновесие 1.3.2. Правило фаз 1.3.3. Физико-химический анализ 1.3.4. Диаграммы плавкости 1.3.5 Количественный структурно-фазовый анализ сплава 2. Основы зонной теории 3. Диэлектрические материалы 3.1. Поляризация диэлектриков 3.1.1. Электронная поляризация 3.1.2. Ионная поляризация 3.1.3. Дипольная поляризация 3.1.4. Миграционная поляризация 3.2. Электропроводность диэлектриков 3.2. 3.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков 3.2.2. Электропроводность жидкостей 3.2.3. Электропроводность газов 3.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков 3.3. Потери в диэлектриках 1. 2. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1. Релаксационные диэлектрические потери 3.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью 3.3.3. Ионизационные диэлектрические потери 3.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры 3.3.5. Диэлектрические потери в газах 3.3.6. Диэлектрические потери в жидкостях 3.3.7. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках 3.4. Пробой диэлектриков 3.4. 3.4.1. Общая характеристика пробоя 3.4.2. Пробой газов 3.4.3. Пробой жидких диэлектриков 3.4.4. Пробой твердых диэлектриков 3.5. Химические свойства диэлектриков 3.6. Классификация диэлектрических материалов 3.5. 3.6. 3.6.1. Органические полимеры 3.6.2. Смолы 3.6.3. Битумы 3.6.4. Гибкие пленки 3.6.5. Волокнистые материалы Пластические массы 3.6.6. Эластомеры 3.6.7. Стекла 3.6.8. Керамические диэлектрические материалы 3.7. Активные диэлектрики 3.7. 3.7.1. Классификация активных диэлектриков 3.7.2. Сегнетоэлектрики 3.7.3. Пьезоэлектрики. 3.7.4. Пироэлектрики 3.7.5. Электреты 3.7.6. Жидкие кристаллы 3.7.7. Материалы для твердотельных лазеров 4. Полупроводниковые материалы 4. 4.1. Общие сведения 4.2. Собственные (чистые) полупроводники 4. 4.1. 4.2. 4.2.1. Концентрация собственных носителей заряда 4.3. Примесные полупроводники 4.3. 4.3.1. Донорные примеси 4.3.2. Акцепторные примеси 4.3.3. Основные и неосновные носители зарядов 4.4. Электропроводность полупроводников 4.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников 4.4. 4.5. 4.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников 4.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводников 4.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводников 4.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников 4.6. Токи в полупроводниках 4.6. 4.6.1. Диффузионный ток 4.6.2. Дрейфовый ток 4.7. Германий 4.8. Кремний 4.9. Полупроводниковые соединения типа АIIIВV 4.7. 4.8. 4.9. 4.9.1. Твердые растворы на основе соединений АIIIВV 4.10. Полупроводниковые соединения типа АIIВIV 4.11. Полупроводниковые соединения типа АIVВVI 4.12. Методы легирования полупроводников и создания p-n переходов 4.12.1 Подготовительные операции 4.12.2 Эпитаксия 4.12.3 Термическое окисление 4.12.4 Легирование 4.12.5 Ионная имплантация. 4.12.6 Нанесение тонких пленок 4.12.7 Термическое (вакуумное) напыление. 4.12.8 Катодное напыление. 4.12.9 Ионно-плазменное напыление. 5. Проводниковые материалы 5. 5.1. Общие сведения о проводниках 5.2. Электропроводность металлов 5.3. Свойства проводников 5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников 5.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов 5.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении 5.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях 5.3.5. Удельное сопротивление сплавов 5.3.6. Теплопроводность металлов 5.3.7. Термоэлектродвижущая сила 5.3.8. Механические свойства проводников 5.4. Материалы высокой проводимости 5.4. 5.4.1. Медь 5.4.2. Алюминий 5.4.3. Железо 5.4.4. Натрий 5.5. Сверхпроводники и криопроводники 5.6. Сплавы высокого сопротивления 5.5. 5.6. 5.6.1. Манганин 5.6.2. Константан 5.6.3. Сплавы на основе железа 5.7. Тугоплавкие металлы 5.7. 5.7.1. Вольфрам 5.7.2. Молибден 5.7.3. Тантал 5.7.4. Титан 5.7.5. Рений 5.8. Благородные металлы 5.9. Неметаллические проводники 6. Магнитные материалы 6. 6.1. Классификация веществ по магнитным свойствам 6.2. Магнитные характеристики материалов 6. 6.1. 6.2. 6.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость 6.2.2. 6.2.3. 6.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости 6.2.3. Индукция насыщения 6.2.4. Остаточная магнитная индукция 6.2.5. Удельные потери на гистерезис 6.2.6. Динамическая петля гистерезиса 6.2.7. Потери энергии на вихревые токи 6.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса 6.2.9. Удельная объемная энергия 6.3. Классификация магнитных материалов 6.4. Металлические магнитно-мягкие материалы 6. 6.2. 6.3. 6.4. 6.4.1. Карбонильное железо 6.4.2. Пермаллои 6.4.3. Альсиферы 6.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали 6.5. Металлические магнитно-твердые материалы 6.5. 6.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит 6.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы 6.5.3. Магниты из порошков 6.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты 6.6. Ферриты 6.7. Магнитодиэлектрики Список рекомендованной литературы ВВЕДЕНИЕ. ▲ Радиотехническими (далее радиоматериалами) называют такие материалы, которые имеют специфическое назначение в электрорадиоаппаратуре при воздействии электромагнитного поля, отличаются хорошими электрическими и магнитными свойствами. Применяемые в радиотехнике и электронике материалы, подразделяются на: • электроизоляционные (диэлектрические) • проводниковые • полупроводниковые • магнитные. Значение материалов в промышленности возрастает по мере развития радиотехники и электроники. Вопросы уменьшения габаритов и веса радиоаппаратуры (микроминиатюризация), повышение дальности и избирательности связи, повышение надежности, особенно в экстремальных условиях наземного и космического применения, внедрение квантовой электроники в большой мере зависят от радиоматериалов. Все радиоматериалы должны удовлетворять следующим общим требованиям: • обладать высокими электрическими (магнитными свойствами); • нормально работать при повышенных, а часто и при низких температурах; • иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки, в том числе обладать устойчивостью к тряске, вибрациям и ударам; • Нормально работать при значительном перепаде температуры воздуха и повышенной влажности; • Обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью и стойкостью к различным облучениям и плесени; • Иметь стабильные эксплуатационные характеристики во времени при комплексном воздействии рабочего напряжения, температуры и влажности; • Не иметь заметно выраженного старения; • Удовлетворять технологичности, т.е. должны сравнительно легко и просто обрабатываться, допускать массовое изготовление; • Быть недорогими, недефицитными. В электронной и радиотехнике применяют разнообразные материалы, количество наименований которых превышает несколько тысяч. Для правильной ориентации в них необходимо изучить классификацию материалов, предлагаемую в курсе. Курс состоит из четырех тем: 1. диэлектрики 2. полупроводниковые материалы 3. проводниковые материалы 4. магнитные материалы, в каждой из которых описаны свойства, характеристики, способы получения и области применения соответствующих материалов. Различия между проводниками, полупроводниками и диэлектриками можно показать с помощью диаграмм (где Wg – ширина запрещенной зоны): Рисунок 1 Магнитные материалы делятся на сильномагнитные (ферромагнетики, ферримагнетики) и слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики, антиферромагнетики) материалы. Данный курс является базовым для курсов «Физические основы электроники», «Электроника», «Физические основы оптоэлектроники» и «Электронные твердотельные приборы СВЧ и оптического диапазона». 1. КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. ▲ 1.1. Атомы, ионы, молекулы. ▲ Газы, жидкие и твердые тела могут состоять из атомов, молекул или ио­нов. Размеры атомов порядка одного или нескольких ангстрем (1 А = 10-10 м), размеры положительных ионов — атомов, лишен­ных части электронов (меньше, чем атомов), и размеры отрицатель­ных ионов, присоединивших дополнительные электроны (больше, чем размеры соответствующих атомов), нескольких элементов пока­заны на рис. 1.1. Рисунок 1.1. - Размеры атомов, положительных и отрицательных ионов некоторых элементов в ангстремах. При сближении атомов до расстояния порядка нескольких анг­стрем между ними проявляются силы взаимодействия. В зависимости от характера движения электронов в соседних атомах эти силы могут быть силами отталкивания или притяжения. В последнем случае атомы могут соединяться с выделением энергии, образуя устойчивые химичес­кие соединения. Электроны внутренних полностью заполненных обо­лочек прочно связаны с ядром и не участвуют в образовании химичес­ких связей. Химические свойства атомов определяются строением внешней, не полностью заполненной электронами оболочки. Электроны, находящиеся во внешней оболочке, называют валентными. Различают несколько видов химической связи. 1.1.1. Гомеополярная (ковалентная) связь. ▲ При этой связи у веществ объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов. Плотность отрицательно заряжен­ного электронного облака между положительно заряженными ядра­ми получается наибольшей. Следует отметить, что перекрытие электронных облаков, приводящее к обобществлению электронов, не сводится к простому наложению друг на друга двух электронных орбит, а сопровождается существенным пе­рераспределением электронной плотности и изменением энергии сис­темы. При обобществлении электронов происходит втягивание элект­ронных облаков в пространство между ядрами. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межъядерном прост­ранстве и приводит к возникновению сил притяжения. В основе гомеополярной связи лежит обменное взаимодействие или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и име­ющий чисто квантовую природу. Силы такого взаимодействия называ­ют обменными силами, а их энергия — обменной энергией. Важнейшей особенностью обменных сил является их сильная зависимость от на­правления спинов электронов, осуществляющих связь между взаимо­действующими атомами. Связь будет сильной только в том случае, если спины антипараллельны. Гомеополярные связи определенным об­разом ориентированы в пространстве не образуются только между бли­жайшими соседними атомами. Молекулы с гомеополярной связью бывают неполярными или по­лярным (дипольными) в соответствии с симметричным или асиммет­ричным строением. Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными. Если же в молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называют полярными или дипольными. Примеры неполярной и поляр­ной молекул показаны на рис. 1.2. Рисунок 1.2 - Примеры неполярной (симметричной) и полярной (несимметричной) молекул. Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов: p=ql. Заряд q ≈2*10-19 Кл, расстояние l=(1 — 3)*10-10 м. Поэтому обычно дипольные моменты молекул р = 5*10-29— 10-30 единиц СИ. Гомеополярная связь типична для ор­ганических молекул. Вместе с тем она может наблюдаться и у твердых веществ неорганического происхождения, если их кристаллические решетки состоят из атомов. Примерами подобных веществ являются алмаз, кремний, герма­ний, карбид кремния (SiС) и др. Ковалентная связь характери­зуется высокой прочностью. Под­тверждением этому является высо­кая твердость и высокая темпера­тура плавления таких веществ как алмаз, карбид кремния. 1.1.2. Гетерополярная (ионная) связь. ▲ Гетерополярная (ионная) связь возникает вследствие перехода валентных электронов от металлического атома к металлоидному и электростатического притяжения разноименно заряженных ионов друг к другу. Этот вид химической связи реализуется в ионных кристаллах. Типичным примером ионных кристаллов являются галоидные соли щелочных металлов. На рис. 1.3. показаны структуры кристаллов хлористого натрия и хлористого цезия. Ионные решетки характеризу­ются высоким координационный числом, показывающим количество ближайших ионов противоположного знака. Например, для кристал­лов NaCl координационное число равно 6, а для кристаллов СаСl—8. Рисунок 1.3. Структура и плотная упаковка хлористого натрия (а) и структура и неплотная упаковка ионов хлористого цезия (б). В ионном кристалле комбинации противоположно заряженных ионов нельзя отождествлять с индивидуальными молекулами вследствие регу­лярного чередования в узлах решетки ионов различного сорта. Пра­вильнее считать весь монокристалл ионного соединения одной ги­гантской молекулой, в которой каждый ной испытывает сильное воз­действие со стороны всех соседних частиц. Способность атомов захватывать электрон при образования хими­ческой связи характеризуется его электроотрицательностью. За при­ближенную меру электроотрицательность атома х приникают полусум­му энергии ионизации Wи, и сродства к электрону Wс, т. е. x = 0,5 * (Wи - Wс). Наименьшей электроотрицательностыо обладают атомы щелочных металлов, которые легко отдают электрон и отличаются малой энергией сродства. Наоборот, наиболь­шую электроотрицательность име­ют атомы галогенов, которые охот­но принимают электрон для завер­шения внешней электронной обо­лочки. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, участвующих в образовании химической связи, тем больше степень ионности соединения. 1.1.3. Металлическая связь. ▲ Металлическая связь существует в системах, построенных положительных атомных остовов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов (рис. 1.4, а). Притяжение между положительными атомными остова­ми и электронами обусловливает целостность металла. Рисунок 1.4. Схема строения металлического проводника (а) и образования межмолекулярной связи Ван-дер-Ваальса (б). Металлическую связь можно рассматривать до некоторой степени как ковалентную связь, поскольку в их основе лежит обобществление внешних валентных электронов. Специфика металлической связи состоит в том, что в обобществлении электронов участвуют все атомы кристал­ла, и обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя «электронный газ». Не имея локализованных связей, металлические кристаллы (в отличие от ионных) не разрушаются при изменении поло­жений атомов, т. е. им свойственна пластичность (ковкость) при дефор­мациях. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью. 1.1.4. Молекулярная связь▲ Молекулярная связь, или связь Ван-дер-Ваальса, наблюдается у ряда веществ между молекулами с ковалентным характером внутри­молекулярного взаимодействия. Наличие межмолекулярного притяже­ния в этом случае возможно при согласованном движении валентных электронов в соседних молекулах (рис. 1.4,б). В любой момент времени электроны должны быть максимально удалены друг от друга и макси­мально приближены к положительным зарядам (ядрам). Тогда сила притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказы­ваются сильнее сил взаимного отталкивания электронов оболочек эти молекул. Подобное притяжение между флуктуирующими электрическими диполями получило название дисперсионного взаимодействия. Связь Ван-дер-Ваальса является наиболее универсальной, она возни­кает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной свя­зей. Поскольку дисперсионное взаимодействие оказывается очень слабым, молекулярные связи четко проявляются лишь в тех случаях, когда они возникают между атомами или молекулами. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением. Поэтому молекулярные кристаллы обладают низкими температурами плавления (например, у парафина Тпл = 50 ~ 52°С). 1.2 Особенности строения твердых тел. ▲ Большинство электротехнических материалов представляют собой твердые тела. Поэтому далее особое внимание уделяется строению вещества в этом состоянии. 1.2.1. Кристаллы. ▲ Представлению о порядке в мире атомов отвечает кристаллическая решетка, обусловливающая периодическое электро­статическое поле. Периодичность структуры является наиболее ха­рактерным свойством кристаллов. В периодической решетке всегда можно выделить элементарную ячейку, транслируя которую в прост­ранстве легко получить представление о структуре всего кристалла Образование каким-либо элементом или соединением определенной пространственной решетки в основной зависит от размеров атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек. Русский ученый Е. С. Федо­ров почти за 40 лет до того, как были найдены методы рентгеноструктурного анализа, рас­считал возможные расположе­ния частиц в кристаллических решетках различных веществ. Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных решеток, являющихся основой шести кристаллических систем. Геометрическая классифика­ция кристаллов недостаточна для разделения структур, кажу­щихся тождественными. Они могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо- и пироэлектрическим свойствам и т. п. Это обусловлено различны­ми видами симметрии, которые насчитывают 32 класса, а всего существует 230 возможных групп. Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных крис­таллов — монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких кристалликов (зерен). В случае поликристалла в пределах каждого зерна атомы расположены периодически, по при перехо­де от одною зерна к другому на границах раздела регулярное расположение частиц нарушается. Монокристаллы характеризуются анизотро­пией свойств. В поликристаллических телах анизотропия в большинст­ве случаев не наблюдается, однако с помощью специальной обработки могут быть получены текстурированные материалы с ориентированным расположением кристаллов. Промежуточным является блочное строе­ние твердого тела. Так как монокристаллы анизотропны, то при определении электрических, механических и других свойств необходимо указывать расположение кристаллографических плоскостей и направ­ления в кристаллах. Для этого используют индексы Миллера. 1.2.2. Индексы Миллера. ▲ Допустим необходимо фиксировать в кристал­ле плоскость, которая пересекает три оси X, У, Z в точках А, В, С. Обозначим расстояния ОА, ОВ и ОС (измеренные в единицах периода решетки) через H, K, L, а обратные им величины — через Н', К' и L'. Наименьшие целые числа с теми же отношениями, что и между Н', К', L', обозначают символами h, k, l и называют индексами Миллера. Поскольку период решетки принят за единицу, все атомные плоскости представляются целыми числами или нулями. Пусть, например, зна­чения H, K, L равны соответственно 1, 4 и 2, тогда числа Н', К', L' суть I, 1/4 и 1/2, и индексы Миллера данной плоскости будут (412). В кубических кристаллах индексы (100) относятся к плоскости, параллельной осям У и Z; индексы (010) — к плоскости, параллельной осям X и Z, в (001) — к плоскости, параллельной осям X и Y, В кристаллах с ортогональными осями эти плоскости вместе с тем перпендику­лярны соответствию осям X, Y и Z. Для обозначения направлений в кристалле применяют индексы в виде наименьших целых чисел, относящихся между собой как компо­ненты вектора, параллельного данному направлению. В отличие от обозначения плоскостей их пишут в квадратных скобках. В кубических кристаллах эти направления перпендикулярны плоскости с теми же индексами. Положительное направление оси X обозначают [100], положительное направление оси Y — [010], отрица­тельное направление оси Z — [001], диагональ куба — [111] и т.д. Обозначения кристаллографических плоскостей и направлений при­ведены на рис. 1.5. Рисунок 1.5. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кубических кристаллах с помощью индексов Миллера. 1.2.3. Дефекты в строении кристаллических тел. ▲ Кристаллов с идеально правильным строением в природе не существует. В реальных усло­виях всегда наблюдаются те или иные отклонения от регулярного расположения частиц. Такие отклонения принято называть дефектами структуры. Их условно подразделяют на динамические (временные) и статические (постоянные). Динамические дефекты возникают при ме­ханических, тепловых или электромагнитных воздействиях на крис­талл, при прохождении через него потока частиц высокой энергии и т. п. Наиболее распространенным видом динамических дефектов явля­ются фононы — временные искажения регулярности решетки, выз­ванные тепловым движением атомов. Среди статических дефектов различают атомные (точечные) и про­тяженные несовершенства структуры. Атомные дефекты могут прояв­ляться в виде незанятых узлов решетки — вакансий, в виде смешений атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. К протяженным дефектам относятся дислокации, поры, трещины, границы зерен, микровключения другой фазы. Слово «дислокация» в переводе на русский язык означает «смещение». Прос­тейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дисло­кация. Некоторые разновидности дефектов показаны на рис. 1.6. Рисунок 1.6. Дефекты кристаллической решетки: а – посторонний атом в узле решетки; б – пустой узел (вакансия) и собственный атом в междоузлии. Хотя относительная концентрация атомных дефектов может быть небольшой, но изменения физических свойств кристалла, вызываемые ими, могут быть огромными. Например, тысячные доли атомного процента некоторых примесей могут изменять электрическое сопротив­ление чистых полупроводниковых кристаллов в 105 — 106 раз. Протя­женные дефекты структуры оказывают сильное влияние на механичес­кие свойства кристаллов. 1.2.4. Полиморфизм. ▲ Некоторые твердые вещества обладают способ­ностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структу­ры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свой­ство материалов называют полиморфизмом, а отвечающие им кристал­лические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества. Модификацию, устойчивую при нор­мальной и более низкой температуре, принято обозначать буквой α; модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозна­чают соответственно буквами β, γ и т. д. Полиморфизм широко распространен среди технических материа­лов и имеет важное значение для их обработки и эксплуатации. Клас­сическим примером полиморфизма является низкотемпературное пре­вращение белого олова (β-Sn) в серое (α-Sn), известное в технике как «оловянная чума». Практический интерес представляет полиморфизм углерода — существование его в виде алмаза или графита- В обычных условиях графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз. Однако при повышении давления устойчивость алмаза растет, а графита па­дает, и при достаточно высоких давлениях алмаз становится более ус­тойчивым. Если при этом повысить температуру, чтобы увеличить под­вижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. На этом принци­пе основано получение искусственных алмазов. В Советском Союзе их промышленное производство началось в 1961 г. Синтез проводят под давлением порядка 10м Па при температуре на уровне 2000°С. Получае­мые таким образом искусственные алмазы имеют более высокую проч­ность и твердость, нежели природные кристаллы. 1.2.5. Стекла и другие аморфные тела. ▲ Не все твердые тела имеют крис­таллическую структуру, хотя кристаллическое состояние большинства твердых тел является естественным, потому что анергия при упорядоченном расположении атомов меньше, чем в случае их нерегулярного расположения, а любая система стремится перейти в состояние с мини­мальной свободной энергией. Однако атомы не всегда имеют благоприятную возможность располагаться упорядочение в процессе затверде­вания. Препятствием этому может быть резкое уменьшение скорости диффузии атомов при охлаждении среды. Твердые тела, которые ха­рактеризуются случайным хаотичным расположением частиц, назы­вают аморфными. В отличие от кристаллов аморфные тела изотропны по свойствам, не имеют определенной температуры плавления и харак­теризуются достаточно широким температурным интервалом размягче­ния. Наглядным примером аморфных веществ могут служить стекла и многие пластики. В стеклах при отсутствии периодичности в строении можно наблюдать определенный ближний порядок, т. е. закономерное расположение ближайших соседей относительно каждого атома. Стек­лообразное состояние можно рассматривать как состояние сильно пере­охлажденной жидкости, т. е. жидкости с очень высокой вязкостью. Именно высокая вязкость ограничивает диффузионную активность ато­мов и препятствует образованию кристаллической фазы. Однако та­кое состояние термодинамически неустойчиво. Поэтому при отжиге может происходить «расстекловывание» материала, т. е. переход в более устойчивое кристаллическое состояние. 1.3 Гетерогенное равновесие в системах, содержащих жидкую и твердую фазу. ▲ Чистые металлы находят применение в тех случаях, когда используются именно их специфические свойства (например, серебро – для электрических контактов). Гораздо чаще металлы используются в виде сплавов – веществ, получающихся при смешивании двух и более металлов. В расплавленном состоянии металлы обычно смешиваются друг с другом с образованием однородной жидкой фазы, при охлаждении которой и последующем затвердевании образуются сплавы различного фазового состава в зависимости от характера взаимодействия исходных компонентов. Сплавы могут стать гомогенными твёрдыми растворами внедрения или замещения, образовать несколько фаз или интерметаллические соединения. 1.3.1 Фазовое равновесие ▲ Фазой называется однородная обособленная часть системы, имеющая в каждой точке одинаковые состав, кристаллическое строение и свойства. Она отделена от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачком. Число фаз системы зависит от её состава и внешних факторов. Например, насыщенный раствор хлорида калия при наличии любого числа кристаллов в осадке и пара над раствором состоит из трёх фаз: кристаллической, жидкой и газообразной. Равновесие перехода вещества из одной фазы в другую без изменения химического состава называется фазовым равновесием. Примером фазового равновесия может быть следующий процесс: плавление твёрдое вещество жидкость кристаллизация Фазовое равновесие является динамическим равновесием, то есть скорость прямого процесса равна скорости обратного процесса. Как и для химического равновесия, условием фазового равновесия является равенство энергии Гиббса процесса нулю: G = 0. Для фазового равновесия соблюдается принцип Ле Шателье: внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, вызывает процесс, ведущий к уменьшению результата этого воздействия. Соответственно при повышении температуры равновесие сдвигается в сторону эндотермического процесса, например, плавления. С увеличением давления равновесие смещается в сторону процессов, при которых газ или пар преходят в жидкое или твёрдое состояние. 1.3.2 Правило фаз ▲ К наиболее общим законам гетерогенного равновесия (химического и фазового) относится правило фаз, сформулированное Дж. Гиббсом в конце XIX века и позволяющее определить условия, при которых удается сохранить данное фазовое состояние. Согласно правилу фаз, число степеней свободы С, число фаз Ф, чисто независимых компонентов К и внешних условий n, влияющих на равновесие, взаимосвязаны соотношением: С = К – Ф + n (1.1) На фазовое равновесие обычно влияют температура и давление, в этом случае n = 2 и правило фаз можно переписать в виде: С = К – Ф + 2 (1.2) Компонент — это однородная по химическим свойствам часть термодинамической системы, которая может быть выделена из неё. В случае фазового равновесия число независимых компонентов равно общему числу компонентов. При протекании химических реакций число независимых компонентов равно общему числу компонентов за вычетом числа реакций, связывающих эти компоненты. Числом степеней свободы С называется число внешних факторов (температура, давление, концентрация), варьирование которых в определенных пределах не меняет числа и вида фаз. При С=0 (нонвариантная (инвариантная) система) сплав из данного числа фаз может существовать только в совершенно определённых неизменяемых условиях. Например, если С=1 (моновариантная система), то один из параметров состояния системы можно изменять в определённых пределах без изменения числа и вида фаз, а другие параметры состояния полностью зависят от первого. При С=2 (бивариантная (дивариантная) система) два из параметров состояния системы можно изменять в определённых пределах без изменения числа и вида фаз, а другие параметры состояния полностью зависят от них и так далее. 1.3.3 Физико-химический анализ ▲ Основной «инструмент» изучения фазового равновесия в термодинамических системах – так называемая фазовая диаграмма. В принципе – это обычная диаграмма состояния (графическое изображение соотношений между параметрами состояния), но построенная в координатах, позволяющих определить условия устойчивости фаз и фазового равновесия. Диаграммы состояния используются в технологии микроэлектроники, в материаловедении, химической технологии и так далее. Метод физико-химического анализа основан на изучении зависимости физических свойств химической системы (тепловых, электрических, магнитных, оптических и других) от факторов, определяющих её равновесие (температуры, давления и состава). В этом методе применяют геометрический анализ диаграмм, построенных в координатах физическое свойство – фактор равновесия. Эти зависимости обычно получают в виде диаграммы состав – свойство (диаграмма состояния) и состав – температура плавления или кристаллизации (диаграмма плавкости). Анализ таких диаграмм позволяет установить протекающие в системе качественные изменения, области существования и составы равновесных фаз, характер взаимодействия между компонентами, образование интерметаллических соединений и их состав. Для выполнения поставленных задач используются два основных принципа физико-химического анализа: Принцип непрерывности: при непрерывном изменении параметров состояния системы свойства её фаз изменяются непрерывно. Принцип соответствия: каждой фазе или совокупности фаз соответствует определённый геометрический образ на фазовой диаграмме (например, фазе соответствует часть плоскости, фазовому равновесию – отрезок линии, равновесию трёх фаз – точка). 1.3.4 Диаграммы плавкости ▲ На рисунке 1 показано построение диаграмм плавкости (рисунок 1.б) на основании так называемых кривых охлаждения (рисунок 1.а) для систем, при охлаждении расплава которых образуется механическая смесь кристаллов исходных компонентов. Для получения кривых охлаждения берут два чистых вещества и готовят из них смеси различного состава. Каждую смесь расплавляют и затем медленно охлаждают, отмечая через определенные промежутки времени температуру остывающего сплава. Пока в системе не происходит фазовых превращений, график зависимости температуры системы от времени представляет собой прямую, угол наклона которой к оси абсцисс зависит лишь от скорости теплообмена с окружающей средой. Точка перегиба прямой – точка начала кристаллизации системы. Переход индивидуального вещества из жидкого состояния в твёрдое (кривые A, B) сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, поэтому пока вся жидкость не закристаллизуется, температура остаётся постоянной (горизонтальный участок на кривой охлаждения). Образовавшийся слиток охлаждается равномерно, если изучаемое вещество не имеет никаких превращений ниже температуры кристаллизации. Рисунок 1.7 – Построение по кривым охлаждения (а) диаграммы плавкости (б) двухкомпонентной системы Кривые охлаждения смесей имеют более сложный характер и соответствуют кривым 1, 2, 3, 4 на рисунке 1.а. Так как в соответствии с законом Рауля температура кристаллизации раствора ниже, чем чистого растворителя, то выделение первых кристаллов твёрдой фазы: кристаллов растворителя (компонента смеси, находящегося в избытке) – начинается выше температуры кристаллизации раствора. При выделении кристаллов одного из веществ состав жидкого расплава изменяется (становится все более концентрированным относительно второго компонента) и температура его затвердевания непрерывно понижается по мере кристаллизации. Выделяющаяся при кристаллизации теплота несколько замедляет ход охлаждения и поэтому крутизна линии кривой охлаждения уменьшается. Однако в точке Е обогащение расплава заканчивается. При температуре ТE раствор оказывается насыщенным по отношению к компоненту А и компоненту В одновременно, и они оба будут одновременно кристаллизоваться из расплава. Это отвечает появлению на кривой охлаждения горизонтального участка. Когда кристаллизация заканчивается, наблюдается дальнейшее падение температуры сплава. Таким образом, кристаллизация жидкой смеси в отличие от чистого вещества растягивается на некоторый температурный интервал, который тем значительнее, чем ближе состав расплава к чистому веществу (кривая 1). Если взять смесь, содержащую второй компонент в несколько большем количестве, то момент начала выпадения первого компонента наступает при более низкой температуре (кривая 2). Состав, имеющий наиболее низкую температуру плавления, называется эвтектическим (от греческого eutektos – легко плавящийся), или эвтектикой. Этот состав насыщен относительно обоих компонентов и при его охлаждении начинают кристаллизоваться оба вещества сразу при постоянной температуре. Поэтому кривая охлаждения эвтектической смеси (кривая Е) аналогична кривым А и В для чистых веществ. Температура эвтектики − это температура, при которой заканчивается кристаллизация расплава любого состава при охлаждении. Эвтектический сплав состоит из очень мелких кристаллов индивидуальных веществ (рисунок 2.б). Рисунок 1.8 – Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического Минимальная температура, при которой заканчивается кристаллизация при охлаждении расплава любого состава (или начинается плавление при нагревании твёрдой бинарной системы), называется эвтектической. Этой температуре на рисунке 1.б отвечает прямая линия FEG, называемая линией солидуса (от латинского solid – твёрдый), ниже линии FEG жидкая фаза существовать не может. Другой характерной линией на рисунке 1.б является линия AEB, называемая линией ликвидуса (от латинского liquid – жидкий). Эту линию образует совокупность точек, при температурах которых начинается кристаллизация при охлаждении расплава заданного состава (или заканчивается плавление при нагревании твёрдой бинарной системы), выше линии AEB твёрдая фаза существовать не может. Точка пересечения ликвидуса и солидуса Е называется эвтектической, а соответствующий расплав – эвтектическим. Он находится в равновесии одновременно с кристаллами обоих компонентов. Эта смесь мелких кристаллов чистых компонентов называется твёрдой эвтектикой. Кристаллизация эвтектики происходит при постоянной температуре, в эвтектической точке Е система условно инвариантна: Сусл = 2 – 3 + 1 = 0. Это значит, что трёхфазное равновесие в конденсированной двухкомпонентной системе возможно только при одном единственном значении состава и температуры, то есть в точке. В этом состоит сходство эвтектики с чистыми компонентами. Главное же различие между ними заключается в том, что при изменении давления, как следует из правила фаз, меняется и температура плавления, и состав эвтектики, тогда как у чистых компонентов изменяется только температура плавления. На основании кривых охлаждения смесей разного состава строят диаграмму состояния, перенося с них точки, отвечающие температурным остановкам или резкому изменению скорости охлаждения, на диаграмму состав – температура кристаллизации (диаграмму плавкости) рисунок 1.б. Каждый тип сплава имеет свою, характерную для него диаграмму плавкости. Диаграммы плавкости с простой эвтектикой, состоящей из чистых компонентов, встречаются довольно часто среди металлических и солевых систем с различной формой кристаллических решёток. Так, например, олово и свинец – металлы главной подгруппы IV группы периодической системы элементов, но олово (α − форма) кристаллизуется в объёмноцентрированной кубической (ОЦК) структуре, а свинец − в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре. В расплаве атомы обоих металлов смешиваются неограниченно и распределены статистически беспорядочно. При кристаллизации такого раствора металлы выделяются в свободном состоянии в соответствии с общими законами и не образуют твёрдых растворов. Кроме рассмотренного выше, возможны и другие случаи. Например, типичные интерметаллические соединения (интерметаллиды) образуются между парами металлов, сильно отличающихся по электроотрицательности и химическим свойствам (например, Cu – Be, Cu – Al, Cu − Zn, Ag – Al, Mg − Sn), то есть расположенными в различных группах периодической системы химических элементов. В соединения с металлами могут вступать и неметаллы с относительно низкой электроотрицательностью, такие, как углерод, кремний, бор, азот, фосфор, сера и даже кислород. Интерметаллиды имеют свою собственную кристаллическую структуру и свойства, существенно отличающиеся от свойств исходных металлов. Так, кристаллы интерметаллических соединений почти всегда хрупки, характеризуются низкими значениями электрической проводимости и теплопроводности, отличаются высокими теплотами образования и химической стойкостью. Некоторые интерметаллиды являются полупроводниками. Интерметаллиды могут рассматриваться как новые компоненты сплавов. Данные сплавы неоднородны, состоят из кристаллов отдельных металлов, смешанных с кристаллами химических соединений металлов. На диаграмме появляются как максимумы, которые отвечают образованию химических соединений, так и минимумы, обусловленные образованием эвтектик. 1.3.5 Количественный структурно-фазовый анализ сплава▲ Графические количественные расчёты различных процессов с помощью физико-химических диаграмм состояния основаны на следующих правилах. Первое правило. При термодинамически обратимом охлаждении расплава между его твёрдой и жидкой фазами соблюдается термодинамическое равновесие. Фигуративная точка системы и фигуративные точки двух любых составных частей, образующих систему, лежат на одной прямой. Второе правило. Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область, и называют её коннодой (нодой). Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. Правило рычага. Ноды используют для предварительного определения массы кристаллов, образующихся при охлаждении расплавов. Расчёт ведут при помощи так называемого правила рычага – отношение масс равно отношению противолежащих плеч рычага. Если состав бинарной системы выражен в мольных процентах, вместо отношения масс рассчитывают отношение количеств веществ. Название «правило рычага» связано с формальным сходством математического выражения правила рычага в физико-химическом анализе с уравнением для рычага в механике. 2.ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ▲ Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки. В изолированном атоме электроны способны занимать лишь дискретные энергетические уровни, определяемые силами притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. В твердом теле атомы расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают новые силы взаимодействия – это силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Под действием этих сил энергетические состояния в атомах изменяются: энергия одних электронов увеличивается, других – уменьшается. В результате вместо дискретных уровней изолированного атома образуются энергетические зоны, состоящие из очень близко расположенных энергетических уровней, плотность которых возрастает по мере удаления от краев зоны по параболическому закону, достигая максимума в середине зоны. Механизм образования энергетических зон схематически показан на рисунке 2.1. Рисунок 2.1.Оразование энергетических зон По мере сближения атомов (уменьшения расстояний) сначала расщепляются самые высокие энергетические уровни, затем, при дальнейшем сближении – более низкие. Число уровней в энергетической зоне определяется числом взаимодействующих атомов, т.е., атомов, составляющих твердое тело. А это значит, что в кристалле конечных размеров расстояние между уровнями обратно пропорционально числу атомов. В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем с противоположным направлением спинового момента. Поэтому число электронных состояний в зоне оказывается конечным и равным числу соответствующих атомных состояний. При сближении атомов на расстояние а0 образуется устойчивая кристаллическая структура, которой соответствует энергетическая диаграмма, показанная в левой части рисунка. Разрешенные зоны отделены друг от друга запрещенными зонами, в которых отсутствуют разрешенные уровни. Ширина разрешенных зон по мере перемещения вверх по энергетической шкале возрастает, а ширина запрещенных зон соответственно уменьшается. Во многих случаях может иметь место перекрытие разрешенных энергетических зон. Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах, энергетические зоны могут быть полностью заполненными электронами, частично заполненными и свободными. Все зависит от структуры электронных оболочек изолированных атомов и межатомных расстояний в кристалле. Внутренние оболочки изолированных атомов полностью заполнены электронами, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными. Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а ближайшую к ней незаполненную – зоной проводимости или свободной зоной. Взаимное положение этих зон зависит от структуры оболочек изолированных атомов и определяет большинство процессов в твердом теле. Рисунок 2.2. Переходы электронов при образовании свободных носителей заряда Из всего вышеизложенного следует, что с точки зрения зонной теории все твердые тела можно разделить на две основные группы: материалы, у которых валентная зона перекрывается зоной проводимости и материалы, у которых валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. В первом случае незначительное внешнее энергетическое воздействие переводит электроны на более высокие энергетические уровни, что обусловливает хорошую электропроводность материалов. Во втором случае переходы на более высокие энергетические уровни связаны с необходимостью внешнего энергетического воздействия, превышающего ширину запрещенной зоны. Материалы, в энергетической диаграмме которых отсутствует запрещенная зона, относятся к категории проводников, материалы с узкой запрещенной зоной (менее 3 эВ) – к категории полупроводников и материалы с широкой запрещенной зоной (более 3 эВ) – к категории диэлектриков. а б в Рисунок 2.3. Зонные диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в). 3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ▲ Диэлектрики - материалы, обладающие незначительной электропроводностью. Основным электрическим свойством диэлектриков является их способность к поляризации. 3.1. Поляризация диэлектриков▲ При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров. В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении. В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp. Поляризация – процесс упорядочения его связанных электрических зарядов под действием электрического поля. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю: . (3.1) Поляризованность - векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Клм], а объем -в [м3], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м2]. Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная. 3.1.1. Электронная поляризация. ▲ Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Рисунок 3.1. Электронная поляризация диэлектриков. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10-14 - 10-16 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических. При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки, но и возрастает заряд ядра. 3.1.2. Ионная поляризация. ▲ Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями под действием сил внешнего электрического поля. При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент рu = qx. Рисунок 3.2. Ионная поляризация диэлектриков. Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) - 10-13 с. Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными. 3.1.3. Дипольная поляризация. ▲ Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков, молекулы которых представляют собой твердые диполи, электрические моменты которых ориентированы произвольно. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент. Рисунок 3.3. Дипольная поляризация диэлектриков. Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей). В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждого вещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать. В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом рП=ql, где q — суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l — расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ рП = 10-30 - 10-29 [Клм]. Электрический момент молекулы - величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому рП = 0. Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы, имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и рП = 0. Несимметричные молекулы полярны. Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура. Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и вязких аморфных веществах. Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону: (3.2) Постоянную времени этого процесса τ называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше τ, то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10-6 - 10-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 106 - 1010 Гц. При понижении температуры τ сильно возрастает. 3.1.4. Миграционная поляризация. ▲ Миграционная поляризация - перемещение (миграция) зарядов в полупроводящих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела. Наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в процессе установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах. 3.2. Электропроводность диэлектриков. ▲ Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала , тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей. Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции - объемный сквозной ток IV - очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности - сквозной поверхностный ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным: . (3.3) Следовательно, проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U: . (3.4) Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции - объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений: . (3.5) Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления S. Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм = D / t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этого часто в течение минут и даже часов. Ток абсорбции [Iабс] - медленно меняющаяся составляющая тока, обусловленная перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов: (3.6) Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика - дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным. 3.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков. ▲ Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках Wg >> kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов: , (3.7) где q – заряд иона, е – заряд электрона. Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше. Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков (см/м), как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону: . (3.8) где µ - подвижность, м²/(В*с), n – число носителей в единице объема (концентрация), q – заряд носителя, W – энергия активации. В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости γ от обратной величины абсолютной температуры Т должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абцисс. При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами – это область высокотемпературной, или собственной электропроводности. Ниже излома, в области низких температур, зависимость более пологая. Рисунок 3.4 - Зависимость удельной электрической проводимости от температуры. Однако зависимость  (Т) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, как в полупроводниках, а ростом подвижности. Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной и примесной. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда  мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ. Некоторые диэлектрики обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов. В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления. Вдоль оптической оси оно ниже, чем поперек этой оси. 3.2.2. Электропроводность жидкостей. ▲ Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону: , (3.9) где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость: . (3.10) Здесь + и – – подвижности положительных и отрицательных ионов; q - заряд иона; n и А – константы. Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того, что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт)  = 103 - 105 Ом*м, для слабо полярных (касторовое масло)  = 108 - 1010 Ом*м, для неполярных (бензол, трансформаторное масло)  > 1010 - 1013 Омм. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ. В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой. Наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии и суспензии. Стабильность эмульсий и суспензий объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза. 3.2.3 Электропроводность газов. ▲ Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц в 1 м3 воздуха не превышает нескольких десятков миллионов. Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникающей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепловым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион. Заряженные ионы, так же как и окружающие их, не имеющие электрического заряда, молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация. В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие, при котором число положительных ионов в газе равно числу отрицательных ионов N+ = N–, а число рекомбинирующих ионов постоянно Nр =  N+ N–, где  - коэффициент рекомбинации ионов газа [м3/с]. При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями + = +E и – = –E, где + и – - подвижности положительного и отрицательного ионов. Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока (3.11) Принимая во внимание, что J = Е, получаем выражение для удельной проводимости газа: (3.12) При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда Nр, , + и – можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается закон Ома. Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае все ионы будут уходить на электроды не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничена и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Этот ток называют током насыщения. Значение плотности тока насыщения в газах не превышает 10-16 — 10-14 А/м2. При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Епр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации. В предпробивных полях создаются условия для возникновения «лавин», и ток очень резко возрастает, пока при Ј = Епр не наступает пробой газа. 3.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков. ▲ Поверхностная электропроводность диэлектриков создается благода­ря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления ρs: , (3.13) где h - расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b -длина электродов. У проводниковых материалов поверхностные токи малы по сравнению с объемными, поэтому у этих материалов поверхностное сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопротивление и у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков так как в этом случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных. Характер зависимости S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения . Однако при изменениях влажности окружающей среды значения S изменяются быстрее, чем значения . Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых - влаги. Кроме того, S падает при загрязнении поверхности диэлектрика. Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков. К первым в основном относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, ко вторым – полярные и ионные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости имеет место у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости. Высокой поверхностной проводимостью обладают и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует также и образование ее пленки на поверхности диэлектрика. С целью уменьшения поверхностной проводимости применяют различные приемы очистки поверхности – промывку спиртом, водой с последующей просушкой и т. п. Наиболее эффективной очисткой поверхности достаточно нагревостойкого изделия, не впитывающего воду, является продолжительное кипячение в дистиллированной воде. Покрытие керамики и стекол пленками кремнийорганических лаков способствует сохранению низкой поверхностной проводимости изделий во влажной среде. 3.3. Потери в диэлектриках. ▲ Диэлектрическими потерями - энергия, рассеиваемая в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике. Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также tg этого угла. Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90 угол сдвига фаз  между I и U в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика I в такой цепи будет опережать вектор U на 90, при этом угол  будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз  и тем больше угол диэлектрических потерь  и его функция tg . Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потери могут обуславливаться сквозным током или активными составляющими поляризационных токов. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно изобразить это явление в виде кривых, представляющих зависимость электрического заряда на обкладках конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения. При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения и такой диэлектрик называется линейным (рис.3.5,а). Если в линейном диэлектрике имеет место замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис.3.5,б). Рисунок 3.5 - Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б). Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения U. В случае нелинейного диэлектрика - сегнетоэлектрика, кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли такого же характера, как петля гистерезиса из магнитных материалов. В этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период. В технических электроизоляционных материалах, помимо потерь сквозной электропроводимости и потерь от замедленной поляризации, возникают электрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, окислов железа и т.д. и значительны даже при малом содержании таких примесей в электроизоляционном материале. В случае высоких напряжений U, потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектриков, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах. Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, находящемуся в цепи переменного напряжения U. Последовательная и параллельная схема представлены на рис.3.6, там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений. Рисунок 3.6 - Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями: а – параллельная; б –последовательная. Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений z1 = z2 = z равны их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения  равны и значения активной мощности одинаковы. Для последовательной схемы (рис. 3.6а): (3.14) (3.15) Для параллельной схемы (рис. 3.6 б): (3.16) , (3.17) . Находим соотношения между Cp и Cs и между r и R: , (3.18 а) . (3.18 б) Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2 по сравнению с единицей в формуле и рассчитав Cp  Cs  C Выражение для Р, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем: , (3.19) где Ра измеряется в (Вт), U - в (В),  - в (с-1), С - в фарадах (Ф). R в параллельной схеме, как следует из выражения , во много раз больше r. Выражение для удельных диэлектрических потерь, т.е. Р, рассматриваемой в единице объема диэлектрика, имеет вид: , (3.20) где p - удельные потери ( Вт/м3);  - 2f - угловая частота ( с-1); Е - напряженность электрического поля(В/м). Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет С1 = 0, реактивная составляющая удельной проводимости: ; (3.21) а активная составляющая . (3.22) Следует отметить, что емкость диэлектрика с большими потерями становится совершенно условной величиной, зависящей от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном напряжении также условно. Угол диэлектрических потерь от выбора схемы не зависит. Рассматривая формулы и можно видеть, что диэлектрические потери приобретают серьезное значение для материалов, используемых в установках высокого U, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку величина диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику U и частоте поля. Материалы, предназначаемые для применения в указанных условиях, должны отличаться малым значением угла потерь и диэлектрической проницаемостью, т.к. в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может стать недопустимо большой. Следует отметить, что диэлектрические потери в любых материалах зависят от температуры, частоты, влажности, напряженности поля. Частотная зависимость потерь является характеристикой материала и определяется для каждого диэлектрического материала не только свойствами молекул материала, но и наличием и составом примесей. Как правило, потери имеют максимум при одной или нескольких частотах, в зависимости от типа молекул. Положение максимумов характеризуется собственными частотами установления поляризации. Они могут быть связаны с поворотом полярных молекул в жидком диэлектрике или с поворотом домена в сегнетоэлектрике. Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры, хотя у некоторых дипольных диэлектриков наблюдаются локальные максимумы, имеющие ту же природу, что и максимумы в частотной зависимости. С ростом влажности потери также растут, зачастую весьма значительно. Это связано, как с увеличением сквозной проводимости, так и с поляризацией растворенной и эмульгированной воды. Увеличение напряженности поля сопровождается ростом tgδ, что объясняется ростом электропроводности. Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида: 1.диэлектрические потери, обусловленные поляризацией; 2.диэлектрические потери сквозной электропроводности; 3.ионизационные диэлектрические потери; 4.диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Рассмотрим каждый вид диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов. 3.3.1. Релаксационные диэлектрические потери. ▲ Релаксационные диэлектрические потери вызываются нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля. Это нарушение приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. В температурной зависимости tg угла релаксационных диэлектрических потерь наблюдается max при некоторой t, характерной для данного вещества. При этой t время релаксации частиц диэлектрика примерно совпадает с периодом изменения приложенного переменного I. Если t такова, что время релаксации частиц значительно больше полупериода изменения приложенного переменного U, то тепловое движение частиц будет менее интенсивным, и потери уменьшатся; если t такова, что время релаксации частиц значительно меньше полупериода изменения U, то интенсивность теплового движения будет больше, связь между частицами уменьшится, в результате чего потери также снизятся. Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнетоэлектриках значительны при t ниже точки Кюри, когда имеет место спонтанная поляризация. При t выше точки Кюри потери уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь. К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, следует отнести так называемые резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго определенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энергии электрического поля. Так же эти потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае t на положение max не влияет. 3.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью. ▲ Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае может быть вычислен по формуле: , (3.23) где f - в Гц и  - в Омм. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Рисунок 3.7 - Зависимость tg от частоты f и температуры Т. Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с t по экспоненциальному закону: , где A,b - постоянные материала, или в соответствии с приближенным выражением: , где Pt - потери при температуре t С, Р0 - потери при температуре 0С, d - постоянная материала, tg в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Р, т.к. температурным изменением емкости можно пренебречь. 3.3.3. Ионизационные диэлектрические потери. ▲ Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Механизм этого вида потерь приведен далее при рассмотрении диэлектрических потерь в связи с агрегатным состоянием вещества. 3.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. ▲ Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры наблюдаются в слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды - миканитах, микалексе и т.д. Ввиду разнообразия структуры однообразных неоднородных диэлектриков и особенностей, содержащихся в них компонентов, не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь в этом случае. Для наглядности основные сведения об особенностях различных видов диэлектрических потерь сведены в таблице 3.1 Таблица 3.1 - Классификация потерь в диэлектриках. Диэлектрические потери Главные особенности Виды диэлектриков 1. Обусловленные Поляризацией: релаксационные (дипольные и ионные) Наличие max tg угла потерь, зависящие от температуры и частоты. Дипольные жидкие и твердые диэлектрики, ионные с неплотной упаковкой. резонансные Наличие резко Выраженного max при Некоторой частоте (выше 1015 Гц), положение которого не зависит от температуры. Все виды диэлектриков. спонтанной поляризации Велики: выше точки Кюри наблюдается резкое уменьшение. Сегнетоэлектрики. 2. Обусловленные электропроводностью ект Независимость потерь от частоты (tg угла потерь с частотой снижается по гиперболе) и заметное возрастание с t. Жидкие и твердые диэлектрики с большой электропроводностью. 3. Ионизационные. Наблюдаются при U выше ионизации. Газообразные и твердые диэлектрики с газообразными включениями. 4.Обусловленные неоднородностью структуры. Сложная зависимость потерь от компонентов, входящих в состав диэлектрика и случайных примесей. Неоднородные диэлектрики. 3.3.5. Диэлектрические потери в газах. ▲ Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимо для развития ударной ионизации молекул газа, очень мала. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, т.к. ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Как известно, все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет мал, особенно при высоких частотах. Удельное объемное сопротивление газов - порядка 1016 Омм,   1 и tg при f = 50 Гц (в отсутствие ионизации) менее 410-8. При высоких U и в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторые критические значения, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. Ионизационные потери могут быть вычислены по формуле: , (3. 24) где А1 - постоянный коэффициент, f - частота поля, U - приложенное напряжение, Uи - напряжение, соответствующее началу ионизации. Формула справедлива при U > Uи и линейной зависимости tg от Е. Ионизационное Uи зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда. С увеличением давления газа величина Uи возрастает. При Uи начинается ионизация газа в порах и tg заметно возрастает. При U1, когда газ во включениях уже ионизирован и энергия на процесс ионизации не затрачивается, tg уменьшается. Кривую tg = f (U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что явление может повести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает Uи. Рисунок 3.7 - Изменение tg в зависимости от напряжения для твердой изоляции с газовыми включениями. Возникновение ионизации газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоляции, нередко приводит к такому же разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения. На линиях электропередачи высокого U потери на изоляцию воздуха у поверхности проводов (явление короны) снижают КПД линии. 3.3.6 Диэлектрические потери в жидкостях. ▲ В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных частот жидкостей чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tg которого очень мал и может быть рассчитан по формуле: , (3.25) где f - в Гц и  - в Омм. Полярные жидкости в зависимости от условий (температура, частота) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью. Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды) или являются полярными жидкостями (совол). У жидких диэлектриков с полярными молекулами заметно проявляется зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре 10-10–10-11 Смм-1. Диэлектрические потери, наблюдаемые в полярных вязких жидкостях при переменном напряжении, значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери и называют дипольно-релаксационными. Объяснение природы потерь в полярных вязких жидкостях можно дать, основываясь на представлениях о механизме дипольно-релаксационной поляризации. Потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tg падает, то потери Ра становятся постоянными в соответствии с формулой: , где Ра - Вт, U - в В,  - в с-1, С - фарадах. Таким образом, характер зависимости диэлектрических потерь Ра от частоты не соответствует характеру частотной зависимости tg. Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. Ниже для сравнения приведены значения  и tg для неполярной и полярной жидкостей при частоте 50 Гц. Трансформаторное масло  = 2,3; tg = 0,001; Совол  = 5; tg = 0,02; Как видно, tg диэлектрических потерь неполярной жидкости - трансформаторного масла значительно меньше, чем полярной жидкости - совола. 3.3.7 Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. ▲ Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды диэлектрических потерь. Их можно подразделить на четыре группы: 1. диэлектрики молекулярной структуры; 2. диэлектрики ионной структуры; 3. диэлектрики сегнетоэлектрики; 4. диэлектрики неоднородной структуры. Рассмотрим диэлектрики первой группы, т.е. молекулярной структуры. Эти потери зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул, в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы. К таким диэлектрикам относится сера, парафин; неполярные примеси - полиэтен, политетрафторэтилен, полистирол и другие. Указанные вещества, в связи с их весьма малыми потерями, находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой, главным образом, органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды (картон и др.) и полиуританы, каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.) - и ряд других материалов. Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры; при некоторых температурах обнаруживаются max или min потерь; возрастание потерь после min объясняется увеличением потерь сквозной электропроводности. Такую зависимость можно отобразить в виде графика, в частном случае для бумаги. Диэлектрики ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамике, например, корунд (Al2O3), входящий в состав ультрафарфора. Примером такого соединения является каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко (на 2 -3 порядка) увеличивают диэлектрические потери. Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры - неорганических стеклах - связаны с явлением поляризации и наличием электропроводности. Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, следует различать: а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте (tg не зависит от частоты); б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависящие от частоты (tg уменьшается с возрастанием частоты). Потери первого вида обуславливаются релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Чисто кварцевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества окислов вызывает заметное возрастание диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры стекла. Термическая обработка - отжиг или закалка - заметно влияют на угол диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры. Таблица 3.2 - Влияние термической обработки на tg потерь стекол при 20С и f = 1 МГц. Способ обработки tg Нормальный отжиг 0,0073 0,0012 Длительный отжиг при низкой t с последующим быстрым охлаждением 0,0081 0,0015 Кратковременный отжиг с быстрым охлаждением 0,010 0,0015 Закалка 0,125 0,0020 В таблице 3.2 показана зависимость tg потерь некоторых стекол от способа их термической обработки. Потери второго вида вызываются передвижениями слабосвязанных ионов и должны рассматриваться как потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери проявляются обычно при t выше 50-100С. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Особенностью сегнетодиэлектриков является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с t в области самопроизвольной поляризации и редко падают при t выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает. Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной структуры, к ним относятся неоднородные диэлектрики, т.е. керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В его составе различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах). Диэлектрические потери в керамике зависят от характера кристаллической и стекловидной фазы и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при U поля вследствие развития ионизации. В современной электроизоляционной технике применяется большое количество неоднородных диэлектриков. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других - удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих - использованием ценных отходов (слюдяные материалы). 3.4 Пробой диэлектриков. ▲ 3.4.1. Общая характеристика пробоя. ▲ Пробой диэлектрика – это явление, когда диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Епр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр) и измеряют чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя Епр = Uпр/h, где h – толщина диэлектрика. Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления. Существует несколько разновидностей пробоя: Электрический пробой возникает тогда, когда некоторое количество носителей зарядов, ускоренных электрическим полем, приобретает энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. Это приводит к появлению новых носителей заряда, которые также ускоряются полем, и в итоге возникает лавинообразный процесс увеличения тока, который развивается в течение 10-7 — 10-5 с. Этот процесс обычно локализован в узкой области диэлектрика, поэтому следствием его является появление разрядного канала, внутри которого повышается давление, что приводит к появлению трещин или к полному разрушению диэлектрика. Тепловой пробой возникает тогда, когда количество теплоты, выделяемой в диэлектрике, будет больше количества теплоты, отводимой от него в окружающую среду. В результате происходит нагрев диэлектрика, приводящий к его расплавлению или обугливанию. Электрохимический пробой наступает при длительном действии напряжения и может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля . Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы. 3.4.2. Пробой газов. ▲ Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков. Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию W = q·Uλ, где q – заряд, Uλ – падение напряжения на длине свободного пробега λ. Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является W ≥ Wи. При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и λ постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью. Процесс быстрого распространения ионизации называется явлением стримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован. В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов. Внешне процесс ионизации проявляется свечением газа. Напряжение, при котором наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение. Различные газы имеют различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при возрастании давления увеличивается число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении. При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении. При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.3.8. Рисунок 3.8 - Зависимость электрической прочности газа от давления. В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения. 3.4.3. Пробой жидких диэлектриков. ▲ Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек, показано на рис. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность. 3.4.4. Пробой твердых диэлектриков. ▲ Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков: 1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков; 2. электрический пробой неоднородных диэлектриков; 3. тепловой (электротепловой) пробой; 4. электрохимический пробой. Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10-7 – 10-8 с, и не обусловлен тепловой энергией. Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга. С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля. Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика. Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком. Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала. Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора: U2ωCtgδ(Т) = σS(Tраб – T0), (3.26) где U – напряжение, В; U2ωC– реактивная мощность, В·А; ω – угловая частота, с-1; С – емкость изолятора, Ф; tgδ – тангенс угла потерь при рабочей температуре; σ – коэффициент теплоотдачи , Вт/м2·К; S – площадь поверхности изолятора, м2; Tраб и T0 – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К. Данное выражение с достаточной степенью точности позволяет рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия. Для более точных расчетов В.А.Фоком и Н.Н.Семеновым получено строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя: (3.27) где λ– коэффициент теплопроводности диэлектрика ( Вт/м·К); f – частота ( Гц); tgδн – тангенс угла потерь диэлектрика при начальной температуре (до приложенного напряжения); εн – диэлектрическая проницаемость; φ(k,λ,λэ,h) – коэффициент, зависящий от толщины слоя h, коэффициента теплоотдачи k от электродов в окружающую среду, λ и λэ – коэффициент теплопроводности электродов. Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции. Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Это явление имеет место в органических (пропитанная бумага, резина и т.д.) и некоторых неорганических диэлектриках (титановая керамика). Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, т.к. он связан с явлением электропроводности, приводящем к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария. Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту. 3.5. Химические свойства диэлектриков. ▲ При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами , водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна. Материалы в производстве деталей могут обрабатываться 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. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные – в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и др. смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой – весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается. 3.6. Классификация диэлектрических материалов. ▲ По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах. Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов. По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты и др.). Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды). В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п. Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков. 3.6.1. Органические полимеры. ▲ Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы. По своей природе они являются полимерами , т.е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул, сравнительно весьма простых по своему составу веществ, так называемых мономеров. Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса, естественно, увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела; уменьшается растворимость и т.д. Простой пример: стирол – жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав С8Н8 и строение молекулы Н Н | | – C = C – | | Н С6Н5 Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола полимер стирола – так называемый полистирол – является уже твердым веществом; его молекула имеет строение Н Н Н Н Н Н | | | | | | – С – С – С – С – С – С – | | | | | | Н С6Н5 Н С6Н Н С6Н5 и может быть представлена как цепочка, состоящая из одинаковых повторяющихся звеньев, каждое из которых представляет собой одну молекулу мономера – стирола, но с измененным характером связей между атомами С (простая связь С – С, а не двойная С = С): где n – степень полимеризации, т.е. число молекул мономера, объединившихся в одну молекулу полимера. Для полистирола n может доходить до 6000; т.о., тогда как молекулярная масса стирола 12·8 + 1·8 = 104, молекулярная масса полистирола составляет уже 624000. Температура плавления стирола минус 33°С, а температура размягчения полистирола составляет плюс 70 – 85°C. Процесс полимеризации протекает при различных условиях с различной скоростью. Например, стирол сохраняется на холоде и в темноте продолжительное время, однако повышение температуры, освещение, добавление катализаторов способны резко ускорить переход жидкого стирола в твердый полистирол. Т.о., скорость полимеризации можно регулировать, изменяя условия, в которых протекает процесс полимеризации. При определенных условиях (сравнительно высокая температура, механическая обработка и др.) полимер может разлагаться на вещества с меньшей степенью полимеризации. Такой процесс, противоположный процессу полимеризации, называется деполимеризацией. Могут существовать и более сложные случаи полимеризации. Такова, например, совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества. Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (конечно, не прямых, а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы к ее поперечным размерам может быть порядка тысячи. Молекулы пространственных полимеров развиты в пространстве более равномерно, так что они имеют более компактную форму, приближаясь к форме шара. В практике распространено разделение полимеров на термопластичные и термореактивные. Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими и легко деформируются; они могут растворяться в соответствующих растворителях Характерной особенностью таких материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств. В противоположность материалам этой группы термореактивные материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются, т.е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости. 3.6.2. Смолы. ▲ При достаточно низких температурах смолы – аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем и жидкими. Смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях. Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические. Природные представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (щелак) или растений–смолоносов (канифоль). Сюда же относятся ископаемые смолы – копалы. Наибольшее значение имеют синтетические смолы – полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или др. низкомолекулярных веществ, ухудшающих свойства смолы. Типичные представители синтетических смол: поливинилхлорид, фторопласт-4 (зарубежные аналоги известны под названием тефлон, дайфлон), полиуретаны, бакелит, новолак, полиэтилентерефталат, эпоксидные смолы, силиконы. 3.6.3. Битумы. ▲ Битумы – аморфные материалы, представляющие собой смеси углеводородов и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах – легче ароматичных (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны, плотность их близка к 1 Мг/м3. Различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, т.к. в природных условиях асфальты также образовались из нефти. 3.6.4. Гибкие пленки. ▲ Особый вид изделий из органических полимеров – тонкие прозрачные гибкие пленки, выпускаемые в рулонах. Эти пленки, обладающие высокой электрической и механической прочностью, находят широкое применение в изоляции электрических машин, кабелей и обмоточных проводов и т.п. Гибкие пленки могут быть изготовлены из линейных полимеров с достаточно высокой молекулярной массой, т.е. с большой длиной молекул. Пленки из эфиров целлюлозы весьма распространены в технике и в быту; к ним относят фото- и кинопленки и упаковочные материалы (целлофан – пластифицированная глицерином пленка из материала, аналогичного по составу искусственному вискозному шелку). Из полярных синтетических пленок большое значение имеют полиэтилентерефталатные пленки (майлар, мелинекс, хостафан и др.) толщиной от 0,04 до 0,35 мм. Они имеют хорошие механические и электроизоляционные свойства, химически стойки и нагревостойки; по короностойкости они превосходят как триацетатные, так и полиэтиленовые и полистирольные пленки. Среди неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола (стирофлекса), политетрафторэтилена. 3.6.5. Волокнистые материалы. ▲ Это материалы, которые состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон, промежутки между которыми заполнены воздухом или какими – либо смолами. В текстильных материалах волокнистое строение совершенно очевидно. В дереве, бумаге, картоне волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении. Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность ( из-за наличия промежутка между волокнами, заполненного воздухом). Гигроскопичность более высокая, чем у массивного материала того же химического состава. Свойства волокнистых материалов могут быть значительно улучшены путем пропитки, поэтому такие материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии. Большая часть волокнистых материалов – органические вещества. Это материалы растительного (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров. 3.6.6. Пластические массы. ▲ Пластмассы характеризуются способностью под влиянием внешнего давления приобретать определенную форму, соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для прессования изделий. В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных компонентов: связующего и наполнителя. Связующее – обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. Иногда применяется и неорганическое связующее, например, стекло в микалексе, цемент в асбоцементе. Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим веществом, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым; наполнитель существенно удешевляет пластмассу и в то же время может улучшать ее механические характеристики. Гигроскопичность и электроизоляционные свойства из-за введения наполнителя могут иногда ухудшаться. Примеры пластиков: гетинакс (прессованная бумага, пропитанная бакелитом), текстолит (ткань, пропитанная бакелитом или эпоксидной смолой), текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными – с обеих сторон – слоями хлопчатобумажной ткани). 3.6.7. Эластомеры. ▲ Эластомеры – материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ. Натуральный каучук получается из особых растений – каучуконосов. По химическому составу каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С5Н8)n и строение, характеризуемое наличием двойных связей: …- СН2 – С = СН - СН2 – СН2 – С = СН - СН2 –… | | СН3 СН3 Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы –S – с образованием пространственной структуры. При этом получаются резины – мягкая – с содержанием 1-3% серы, обладающая весьма высокой растяжимостью и упругостью и твердая (эбонит) при содержании серы 30-35% - твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам. 3.6.8. Стекла. ▲ Стекла – неорганические аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных оксидов. Кроме стеклообразующих оксидов, т.е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2O3)б в состав стекол входят и другие окислы: щелочные Na2O, K2O, щелочно-земельные CaO, BaO, а также PbO, Al2O3 и др. Основу большинства стекол составляет диоксид кремния; такие стекла называют силикатными. Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и тепловой обработки. При кристаллизации стекол специального состава получаются ситаллы. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой, почему иногда называются стеклокерамикой. В отличие от стекол ситаллы непрозрачны, но многие из них в тонком слое заметно пропускают свет. Кроме хороших электроизоляционных свойств ситаллы обладают высокой механической прочностью, пониженной хрупкостью, широким диапазоном температурного коэффициента линейного расширения , высокой точностью размеров изделий. Особую область применения имеют фотоситаллы: после воздействия на заготовки из светочувствительного стекла (возможно – по определенному рисунку, сквозь отверстия в трафарете) ультрафиолетового облучения и кристаллизации засвеченной заготовки последняя может подвергаться травлению в кислоте, причем менее кислотостойкая закристаллизовавшаяся часть изделия растворяется; таким образом получается изделие сложной формы, которое вновь подвергается всестороннему облучению и дополнительно кристаллизуется уже при более высокой температуре. 3.6.9. Керамические диэлектрические материалы. ▲ Керамикой называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре; в результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Сейчас появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит в очень малом количестве или же совсем не входит. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций. 3.7. Активные диэлектрики. ▲ 3.7.1. Классификация активных диэлектриков. ▲ Активные диэлектрики - диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники. Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы, электро-, магнито- и акустооптические материалы, диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др. Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твердые, но также жидкие и даже газообразные вещества (активная среда газовых лазеров). По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По строению и свойствам их можно подразделить на кристаллические и аморфные, полярные и неполярные диэлектрики. Резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента. В зависимости от технического назначения существенно различны и требования к материалам. Так, одно из главных требований, предъявляемых к пассивным диэлектрикам, заключается в сохранении стабильности свойств при внешних воздействиях. В то же время требования к активному материалу совершенно противоположные: чем сильнее изменяются его свойства при внешних возмущениях, тем лучше может выполнять активный элемент функции управления энергией или преобразования поступающей информации. 3.7.2. Сегнетоэлектрики. ▲ Сегнетоэлектриками - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие самопроизвольной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Направления электрических моментов у различных доменов различно. Поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю. Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч). Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их заряда от прикладываемого напряжения. Нелинейность поляризации по отношению к полю и наличие гистерезиса обуславливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетодиэлектрического конденсатора от режима работы. По типу химической связи и физическим свойствам их принято подразделять на две группы: ионные кристаллы и дипольные кристаллы. У первой группы характерным структурным элементом решетки является кислородный октаэдр, поэтому их называют кислородно-октаэдрического типа (титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3, ниобат калия KniO3, танталат лития LiTaO3, йодат калия KJO3, барий-натриевый ниобат Ba2NaNb5O15 БАНАН и др.). У кристаллов второй группы имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия (сегнетова соль, дигидрофосфат калия, нитрит натрия и др.). У значительной части сегнетоэлектриков этой группы точка Кюри лежит значительно ниже комнатной температуры. Ионные и дипольные сегнетоэлектрики существенно различаются по свойствам. Все соединения первого типа нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Дипольные же сегенетоэлектрики обладают высокой растворимостью в воде и малой механической прочностью. В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых следует считать: -изготовление малогабаритных НЧ конденсаторов с большой удельной емкостью; -использование в вычислительной технике в качестве ячеек памяти; -использование для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств; -использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения; -изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей. 3.7.3. Пьезоэлектрики. ▲ Это диэлектрики, обладающие сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений, т.е. возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика в зависимости от напряженности электрического поля. Различают также продольный и поперечный пьезоэффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены механические усилия. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электрического поля соответственно. Пьезоэффект наблюдается лишь в веществах с гетерополярной химической связью, т.е. пьезоэлектриками могут быть либо ионные, либо сильнополярные диэлектрики. Вторым необходимым условием существования пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика. Известно более 1000 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе – все сегнетоэлектрики. Важнейшее применение нашел монокристаллический кварц - одна из модификаций двуокиси кремния – в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов. Помимо кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония, а также ниобат и танталат лития. Последние составляют значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности в диапазоне ВЧ и СВЧ. Также находит широкое применение пьезокерамика – поляризованная сегнетокерамика, предназначенная для использования в пьезоэлектрических преобразователях. Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любой формы и любого размера. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы цирконата-титаната свинца PbZrO - PbTiO ЦТС. Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов, в химической промышленности и полупроводниковой технологии. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, слуховые аппараты, детонаторы. Двойное преобразование энергии положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов. Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей применяют керамические материалы на основе твердых растворов BaNb O –PbNb O и NaNbO – KNbO . Последние разработаны специально для ВЧ преобразователей (10-40МГц). 3.7.4. Пироэлектрики. ▲ Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом. Температурное изменение спонтанной поляризованности обусловлено двумя основными причинами: с одной стороны, повышение температуры нарушает упорядоченность в расположении элементарных дипольных моментов (первичный или истинный пироэффект), а с другой стороны, нагревание вызывает изменение линейных размеров диэлектрика и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную деформацией (вторичный пироэффект). Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (турмалин, сульфат лития) и все сегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики проявляют пироэлектрические свойства только в монодоменизированном состоянии, для которого характерна одинаковая ориентация спонтанной поляризованности всех доменов. Пироэлектрический эффект проявляется и в поляризованной сегнетокерамике, хотя ее пироэлектрические свойства хуже, чем у монокристаллов. Пиро- и пьезоэлектрические свойства обнаружены у некоторых полимеров, в частности, у поляризованных пленок пливинилденфторида и поливинилденхлорида. Интерес к ним вызван простотой технологии, невысокой стоимостью, возможностью изготовления образцов практически любой геометрии. К тому же они характеризуются малой инерционностью пироэффекта на ВЧ. 3.7.5. Электреты. ▲ Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем пространстве электрическое поле. Различают термо-, фото- и короноэлектреты. Первые получают из расплава полярных диэлектриков, охлаждая его в сильном электрическом поле, вторые – из материалов, обладающих фотопроводимостью при одновременном воздействии света и электрического поля, третьи – только при воздействии электрического поля, но настолько большого, что над поверхностью диэлектрика возникает газовый разряд. Образование электретного состояния в диэлектрике обусловлено накоплением электрических зарядов обоих знаков на поверхностях электрета под поляризующими электродами. Заряды, перешедшие из поляризующего электрода или из воздушного зазора на поверхностные ловушки твердого диэлектрика и имеющие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозарядами. Заряды с противоположным знаком полярности электродов, возникающие в электрете за счет различных релаксационных механизмов поляризации, называют гетерозарядами. Разность гомо- и гетерозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета. У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов и органических неполярных диэлектриков – гомозаряды. Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. В настоящее время наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок (полиэтилентерефталат, поликарбонат и др.). В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена. Электреты могут быть использованы для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций в качестве дозиметров радиации, измерителей атмосферного давления и во мн. др. случаях. 3.7.6. Жидкие кристаллы. ▲ Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой – для них характерна анизоторопия свойств и, прежде всего оптическая анизотропия. Малость межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.), которая открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств различного назначения. Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. Значительную часть жидких кристаллов составляют соединения ароматического ряда, т.е. содержащие бензольные кольца. В настоящее время известно более 3000 органических соединений, способных существовать в мезоморфном состоянии. Среди них есть и такие вещества, у которых температурный интервал существования мезофазы включает комнатную температуру. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические. Смектические характеризуются слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. Текучесть обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за этого они не получили широкого распространения в технике. В нематических кристаллах длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора. Холестерические кристаллы на молекулярном уровне похожи на нематические, но вся их структура дополнительно закручена вокруг оси, перпендикулярной молекулярным осям. Такая структура ведет себя по отношению к падающему излучению подобно интерференционному фильтру, т.е. световые лучи испытывают селективные отражения. Область применения жидких кристаллов пока в основном ограничивается индикаторными устройствами: дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты электронных часов и цифровых измерительных приборов. Основные преимущества таких индикаторов: 1) хороший контраст при ярком освещении; 2) низкая потребляемая мощность; 3) совместимость с интегральными схемами; 4) сравнительная простота в изготовлении и низкая стоимость. Отметим, что в жидких кристаллах для индикации используется окружающий свет, благодаря чему их потребляемая мощность значительно меньше, чем в других индикаторных устройствах (10-4 - 10–6Вт/см2). Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных электролюминофорах, а также в газоразрядных индикаторах. Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения. 3.7.7. Материалы для твердотельных лазеров. ▲ Лазер (light amplification by stimulated of radiation) представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. В основе принципа действия лазеров лежит открытое А.Эйнштейном явление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки. Оптической средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера. Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндрического стержня. Торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельность торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью мощных газоразрядных ламп. Несмотря на то, что матрица не участвует в процессах генерации колебаний, многие физические свойства активной среды определяются именно матрицей. Поэтому вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований: 1. Неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и для излучения активных ионов, вводимых в матрицу; 2. Вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах; 3. Матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность; 4. Материал основы должен обладать высокой нагревостойкостью и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации; 5. Матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки; 6. Материал должен быть технологичным, т.е. доступным для массового производства цилиндрических стержней необходимых размеров; 7. Структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации. Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения (окислы, гранаты, вольфраматы,молибдаты, ниобаты и др.), фториды различных металлов, а также оксидные и фторбериллатные стекла. Основу последних составляет BeF2. Одним из наиболее освоенных материалов лазерной техники является рубин. Рубинами называют кристаллы -корунда (Al2O3), в которых часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина. Розовые рубины, использующиеся в лазерной технике, имеют концентрацию ионов хрома 1.6 ·1025 в одном кубическом метре. Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет почти кубическую симметрию. Ценными качествами рубина являются высокие механическая прочность и теплопроводность. Наряду с рубином важнейшим материалом лазерной техники является иттрий-алюминиевый гранат, в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия замещена ионами неодима. Низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность дают возможность применять этот материал в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах. Лазеры находят применение в системах оптической локации, в телевидении, в голографии, информационно-измерительной технике, в медицине. С их помощью осуществляется дальняя космическая связь. Широкое распространение получила лазерная обработка оптически непрозрачных материалов: импульсная сварка, плавление, пайка, отжиг, сверление отверстий, резание и др. Примеры решения задач по теме «Диэлектрические материалы». Задача №1. Конденсаторная керамика при 0˚С имеет проводимость γ0=10-11 Сим/м. Какова температура окружающей среды при проводимости керамики γ2=3.77·10-24 Сим/см и температурном коэффициенте сопротивления α=0.8? Дано: Т1=0˚С γ1=10-11 Сим/м γ2=3.77·10-24 Сим/см α=0.8 Т2 - ? Решение: Для решения данной задачи воспользуемся зависимостью удельного сопротивления диэлектрика от температуры: ρ=ρ0е-αТ, где е – экспонента (е≈2.7). Так как ρ=1/ γ. Имеем: 1/ γ=(1/ γ0·еαТ). γ0=γ1 еαТ1 и γ0=γ2 еαТ2. Приравняв выражения по γ0, выведем формулу для искомой температуры: γ1/ γ2=[eαT2/ eαT1]; Ln[γ1/ γ2]=αT2- αT1; T2=T1+(Ln[γ1/ γ2])/α. Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 3.77·10-24 Сим/см = 3.77·10-22 Сим/м. T2=(Ln[10-11/ (3.77·10-22)])/0.8=30˚С. Задача №2. Определить толщину диэлектрического материала h в электрическом поле, если пробивное напряжение между электродами конденсатора Uпр=35.1 кВ на рабочей частоте f=10 кГц. Вычисления проводить при заданной температуре Т=70˚С, тангенсе диэлектрических потерь tgδ0=1·10-2, диэлектрической проницаемости ε=3, коэффициенте теплоотдачи материала σ=25 Вт/см2·град и при коэффициенте температурного сопротивления αtgδ=0.05 1/K. Дано: Uпр=35.1 кВ f=10 кГц Т=70˚С tgδ0=1·10-2 ε=3 σ=25 Вт/см2·град αtgδ=0.05 1/K T0=20˚C ε0=8.854·10-12Ф/м h - ? Решение: Исходя из формулы пробивного напряжения диэлектриков имеем: и c учётом формулы для ёмкости С=εε0S/h и , где е – основание экспоненты (е≈2.7), получаем Отсюда выражаем . Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 25 Вт/см2·град = 25·104 Вт/м2·град; 10 кГц = 10·103Гц; 35.1 кВ = 35.1·103 В. =0.2·10-3(м). Вопросы для самоконтроля: 1. В чем внешне проявляется поляризация диэлектриков? 2. Почему диэлектрики в электрическом поле нагреваются? 3. Почему в диэлектриках характер собственной электропроводности ионный, а не электронный? 4. Чем вызвана поверхностная электропроводность твердых диэлектриков? 5. Чем вызваны диэлектрические потери в диэлектрике? 6. От каких факторов зависят диэлектрические потери в диэлектриках? 7. Что такое пробой диэлектрика? Виды пробоя. 8. Может ли произойти пробой вакуума? Почему? 9. Когда в электроизоляционном материале имеет место электрохимический пробой? 10. Когда в электроизоляционных материалах наступает тепловой пробой? 11. Когда в электроизоляционном материале имеет место электрохимический пробой? 12. Что характеризует электрическая прочность диэлектрика? 13. Как электрическая прочность зависит от площади поверхности электродов? Почему? 14. Чем объясняется уменьшение электрической прочности при увеличении толщины диэлектрика? 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ▲ 4.1. Общие сведения. ▲ Все полупроводниковые материалы делятся на простые полупроводники (ПП) или элементы, полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы. В последнее время также изучаются стеклообразные и жидкие полупроводники. Простых ПП существует около десяти. В современной технике особое значение приобрели кремний (Si), германий (Ge) и, частично, селен (Se). Материалы Атомный № DW, эВ Подвижн. электронов, см2/В*с Подвижн. дырок, см2/В*с Ge 32 0.67 3900 1900 Si 14 1.12 1400 500 Se 34 1.79 - 0.2*10-4 Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам АIIВVI (CdS, ZnSe), АIIIВV(InSb, GaAs, GaP ), АIVВVI (PbS, PbSe, PbTe), также некоторые оксиды и вещества сложного состава. AIII BV Материалы DW, эВ Подвижн. электронов, см2/В*с Подвижн. дырок, см2/В*с GaSb 0.7 5000 800 InSb 0.18 80000 1000 GaAs 1.4 8500 400 InAs 0.35 30000 500 AII BVI Материалы DW, эВ Подвижн. электронов ,с см2/В*с Подвижн. дырок, см2/В*с ZnS 3.74 140 5 CdS 2.53 340 110 HgS 1.78 700 - ZnSe 2.73 260 15 AIVBVI Материалы DW, эВ Подвижн. электронов, см2/В*с Подвижн. дырок, См2/В*с PbS 0.39 600 700 CdS 0.27 1200 1000 HgS 0.32 1800 900 К полупроводниковым комплексам можно отнести вещества с полупроводящей или проводящей фазой и карбида кремния, графита, сцепленных керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются тирит, силит и др. c шириной запрещенной зоны 0.75 ч 1.35 эВ. 4.2. Собственные (чистые) полупроводники. ▲ На внешней оболочке атомов простых полупроводников имеется четыре валентных электрона. Когда атомы связываются в кристаллическую решетку, эти электроны становятся общими для ближайших четырех атомов, такая связь называется ковалентной. Рисунок 4.1. Кристаллическая решетка собственного полупроводника. В невозбужденном состоянии свободных электронов нет. Но при внешнем энергетическом воздействии какому-либо электрону сообщается дополнительная энергия, он отрывается от атома и начинает свободно перемещаться по кристаллу. Но при этом на его месте образуется электронная дырка. Т.о. процесс генерации носителей в собственном полупроводнике – образование электронно-дырочной пары. А процесс исчезновения этой пары, т.е., когда дырка встречается с электроном – рекомбинация. Дырки и электроны, образованные в процессе генерации, есть собственные носители зарядов ni , pi. 4.2.1. Концентрация собственных носителей заряда. ▲ Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно образуются два заряда, противоположных по знаку, то общее количество носителей будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т.е. ni=pi, ni+pi=2 ni (4.1) В результате процессов генерации и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация (cм-3) возбужденных носителей: (4.2) W – ширина запрещенной зоны полупроводника, Nc – эффективная плотность состояния (число энергетических уровней в единице объема ПП) в свободной зоне, NB – то же в валентной зоне. k – постоянная Больцмана. В случае собственной электропроводности ni=pi, но JnJp (4.3) т.к. подвижность электрона больше подвижности дырки. А подвижность µ есть средняя скорость перемещения носителя заряда при единичной напряженности электрического поля в ПП: = (4.4) Следовательно, в поле кристаллической решетки электроны и дырки обладают различной инерционностью, т.е. отличаются друг от друга эффективными массами. В большинстве случаев, следовательно, собственная электропроводность полупроводника имеет слабо преобладающий электронный характер. 4.3. Примесные полупроводники. ▲ Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда наблюдается при достаточно высокой температуре, т.е. с большой шириной запрещенной зоны. Поставщиками свободных носителей зарядов в рабочем интервале температур в таких ПП являются примеси. Примесями в простых полупроводниках являются чужеродные атомы. В химических же соединениях это не только чужеродные атомы, но и атомы тех самых элементов, избыточные по стехиометрическому составу. Кроме того, роль примесей играют дефекты кристаллической решетки. Рассмотрим роль примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. 4.3.1. Донорные примеси. ▲ Если в кристаллическую решетку IV валентного элемента ввести атом элемента с валентностью V, то четыре электрона на его внешней оболочке свяжутся с четырьмя атомами IV валентного элемента, а один электрон становится избыточным, слабосвязанным со своим атомом. Он под вличнием тепловой энергии начнет свободно блуждать по полупроводнику, а под воздействием электрического поля он станет направленно перемещаться (электропроводность типа n), а атом, отдавший электрон, будет неподвижно находиться в данном месте решетки полупроводника. Рисунок 4.2 Схематическое изображение кристаллической решетки Ge с донорной примесью мышьяка. С точки зрения энергетических диаграмм донорные примеси образуют заполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. При этом энергия активации примесных атомов меньше ширины запрещенной зоны, поэтому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки. Рисунол 4.3 - Энергетическая диаграмма донорного полупроводника. 4.3.2. Акцепторные примеси. ▲ Если в решетку IV валентного полупроводника ввести III элемент, например, бор, то он установит три ковалентные связи с атомами германия, для связи с четвертым атомом германия у атома бора нет электрона. Таким образом, у нескольких атомов германия будет по одному электрону без ковалентной связи. Достаточно теперь небольших внешних воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атомов германия. Освободившиеся электроны, захваченные атомами бора, не могут создать электрический ток. А дырки у атомов германия позволяют электронам с соседних атомов перейти на них, освобождая другие дырки. Т.о., положительно заряженная дырка будет перемещаться по кристаллу, а под действием поля возникает примесный дырочный ток. Рисунок 4.4 - Схематическое изображение кристаллической решетки Ge с акцепторной примесью In. С точки зрения зонной теории, акцепторная примесь образует незаполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Тепловое возбуждение будет в первую очередь перебрасывать электроны из валентной зоны на эти энергетические уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси, электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в образовании электрического тока. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую концентрации электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости. И его относят к полупроводнику p-типа. Рисунок 4.5 - Энергетическая диаграмма акцепторного полупроводника. 4.3.3. Основные и неосновные носители зарядов. ▲ Те носители, концентрация которых в данном полупроводнике больше, носят название основных, а те, которых меньше – неосновных. Так, в полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – неосновными (nn и pn соответственно). Концентрация свободных электронов в зоне проводимости может быть различной. В большинстве случаев используются слаболегированные полупроводники; электроны в этом случае заполняют незначительную часть уровней в зоне проводимости. Такое состояние называют невырожденным. В полупроводнике p-типа основные носители – дырки (pp), а неосновные – электроны (np). Примесная электропроводность для своего появления требует меньших энергетических воздействий (сотые или десятые доли электронвольта), чем собственная, поэтому она обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника. В примесном полупроводнике при данной температуре в состоянии термодинамического равновесия справедливо соотношение (закон действующих масс ): p·n = ni2 (4.5) При нормальной температуре можно считать, что все примеси ионизированы. Тогда, например, в электронном полупроводнике концентрация основных носителей: nn  Nд, а pn ni2/Nд а в дырочном: pp  Na, a np ni2/Na. 4.4. Электропроводность полупроводников. ▲ Полупроводник, не содержащий примесей, в нормальных условиях обладает так называемой собственной проводимостью или проводимостью типа i. Собственная проводимость обусловлена генерацией пар «электрон-дырка». Если концентрация электронов в зоне проводимости – ni, а дырок в валентной зоне – pi и ni = pi,то собственная проводимость полупроводника: γi = ni е (μn + μp) (4.6) В примесном полупроводнике n  p, поэтому электропроводность выражается следующей формулой: γ = е (μnn + μpp) (4.7) 4.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников. ▲ 4.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников. ▲ В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рис. 4.6. Рисунок 4.6 -Типичные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике от температуры при различной концентрации донорной примеси. В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону (участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей. Рисунок 4.7 - Температурная зависимость подвижности носителей заряда для невырожденного полупроводника при различных концентрациях примеси. Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (рис.4.7.). Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и характер изменения удельной проводимости при изменении температуры (рис.4.8). Рисунок 4.8 - Температурные зависимости удельной проводимости полупроводников от температуры при различных концентрациях примеси (NД1<NД2<NД3). В ПП с атомной и ионной кристаллической решеткой подвижность меняется при изменении температуры сравнительно слабо (по степенному закону), а концентрации – очень сильно (по экспоненциальному). Поэтому температурная зависимость удельной проводимости похожа на температурную зависимость концентрации. В области истощения (концентрация постоянна) изменение удельной проводимости обусловлено температурной зависимостью подвижности (рис.4.8). При Т=0К электроны не обладают подвижностью, поэтому ПП становятся диэлектриками. 4.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводника. ▲ Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения межатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей зарядов. Подвижность носителей изменяется из-за изменения амплитуды колебания узлов кристаллической решетки при их сближении или удалении. Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность: (4.8) которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной деформации в данном направлении. 4.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводника. ▲ Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности. Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения. Изменение электрических свойств полупроводника под действием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и, даже, часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия. Кроме того, по быстроте возрастания или затухания фотопроводимости соответственно после включения или выключения света, можно определить время жизни 0 неравновесных носителей заряд в ПП. Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних или внутренних воздействий, в результате которых равновесная концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть не только облучение светом, но и ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического воля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными или избыточными. В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей заряда через электронно-дырочный переход. После прекращения этого воздействия электроны и дырки рекомбинируют, и концентрация вновь становится равновесной. До внешнего воздействия на полупроводник он находился в электрически нейтральном состоянии, при этом скорость тепловой генерации G, была равна скорости рекомбинации R. В неравновесном состоянии это равенство нарушается. Появляются избыточные (неравновесные) носители, концентрация которых со временем уменьшается. Интервал времени, в течение которого концентрация избыточных носителей заряда уменьшается в е раз, называют временем жизни неравновесных носителей заряда. При генерации резко возрастает число неосновных носителей заряда (ННЗ). Количество основных (ОНЗ) также возрастает, но относительное изменение их концентрации при этом незначительно (ННЗ<<ННЗ). Поэтому, время жизни избыточных (неравновесных) носителей заряда определяется временем жизни неосновных носителей заряда. Время жизни зависит от вероятности рекомбинации. Прямая рекомбинация (рис.4.9,а), т.е. из зоны в зону, маловероятна, т.к. вероятность встречи двух движущихся хаотически электронов и дырок крайне мала. Максимальное время жизни при прямозонной рекомбинации бывает в собственном полупроводнике и оно не зависит от температуры. Такой механизм преобладает в GaAs. Практически рекомбинация электронов и дырок происходит с участием ловушек, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне полупроводника. В этом случае рекомбинация протекает в два этапа: сначала электрон переходит из зоны проводимости на свободный энергетический уровень ловушки, а затем на свободный энергетический уровень валентной зоны. Схематически этот процесс иллюстрирует рис. 4.9,б,в, или с заполненного уровня ловушки в валентную зону, а затем из свободной зоны на освободившийся уровень ловушки. Рисунок 4.9. Прямая рекомбинация и рекомбинация (а). Рисунок 4.9 - Косвенная рекомбинация через незаполненные уровни примеси (б) и заполненные (в). Второй механизм рекомбинации более вероятен, т.к. здесь движется только один носитель заряда, и вероятность сближения их на расстояние, при котором возможна рекомбинация (0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда перемещаются по кристаллу. При таком механизме максимальная скорость рекомбинации неравновесных носителей будет, если центры захвата находятся вблизи середины запрещенной зоны. Веществами, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника являются медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации. Чем больше дефектов в кристаллической структуре, тем меньше время жизни неосновных носителей заряда. Время жизни неравновесных носителей зависит от вероятности заполнения ловушек, которая определяется концентрацией примесей и температурой. При повышении концентрации примесей вероятность рекомбинации возрастает, и время жизни неравновесных носителей уменьшается. При увеличении температуры происходит дополнительная генерация электронно-дырочных пар, вследствие чего увеличивается время жизни τn в электронном полупроводнике и время жизни τp в дырочном полупроводнике. Расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного полей избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшится в 2.7 раза, т.е. среднее расстояние, на которое носители диффундировали за время жизни, называется диффузионной длиной. Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающее диффузионную длину с временем жизни: , (4.9) где D – коэффициент диффузии носителей заряда соответствующего типа. 4.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников. ▲ В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля: J = γE (4.10) где J – плотность тока, γ – удельная проводимость, Е – напряженность внешнего электрического поля. Рисунок 4.10 - Зависимость электропроводности от напряженности электрического поля. Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (рис. 4.10), называют критической Екр. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением: (4.11) где γ – удельная проводимость полупроводника при ЕЕкр, - коэффициент, характеризующий полупроводник.  Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т.к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника. 4.6. Токи в полупроводниках. ▲ 4.6.1. Дрейфовый ток. ▲ Электроны и дырки в кристалле находятся в состоянии хаотического теплового движения. При возникновении электрического поля на хаотическое движение накладывается компонента направленного движения, обусловленная действием этого поля. В результате электроны и дырки начинают перемещаться вдоль кристалла – возникает электрический ток, который называют дрейфовым. Рисунок 4.11 - Перемещение заряженных частиц под действием электрического поля в полупроводнике. Формулы для расчета плотности дрейфовых токов: Jp др = e p μp E, (4.12) Jn др = e n μn E. (4.13) е – заряд электрона, р и n – соответствующие концентрации дырок и электронов, μp и μn – подвижности дырок и электронов, Е – напряженность поля. 4.6.2. Диффузионный ток. ▲ Причиной, вызывающей ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда. Если тело электрически нейтрально и в любой его микрообласти суммарный положительный и отрицательный заряд равен нулю, то различие в концентрациях носителей заряда в соседних областях не приведет к появлению электрического тока и электрических сил расталкивания, выравнивающих концентрацию. Но в соответствии с общими законами теплового движения возникнет диффузия микрочастиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда: Jp диф = –е Dp dp/dx (4.14) где Dp – коэффициент диффузии дырок, dp/dx – градиент концентрации дырок, «–» – указывает, что диффузионный дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок. Jn диф = e Dn dn/dx (4.15) Отсутствие минуса говорит лишь о том, что направление электрического тока, принятого в электротехнике, противоположно направлению потока электронов, а этот поток также движется в сторону уменьшения концентрации. В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей заряда. Тогда электронный и дырочный токи в полупроводнике будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную составляющие: Jp = e p μp E – е Dp dp/dx, (4.16) Jn = e n μn E + e Dn dn/dx . (4.17) 4.7. Германий. ▲ Существование и основные свойства германия предсказал в 1870г Д.И.Менделеев, назвав его экосилицием. В 1886г немецкий химик Винклер обнаружил в минеральном сырье новый элемент, который назвал германием. Германий оказался тождественным экосилицию. Открытие германия явилось торжеством Периодического закона Д.И.Менделеева. Германий относится к числу сильно рассеянных элементов, т.е. часто встречающихся в природе, но присутствует в различных минералах в очень небольших количествах. Его содержание в земной коре составляет около 7·10-4 %, что примерно равно природным запасам таких распространенных металлов, как олово и свинец и существенно превышает количество серебра, кадмия, ртути, сурьмы и др. Тем не менее, получение германия в элементарном виде вызывает большие затруднения. В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются побочные продукты цинкового производства, коксования углей, а также германиевые концентраты, получаемые из медносвинцовоцинковых руд. Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью, подобно кремнию, он кристаллизуется в структуру алмаза. Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании его до 650°С он окисляется с образованием двуокиси GeO2. При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активные растворители – смесь азотной и плавиковой кислот. Германий обладает относительно невысокой температурой плавления - 936°С и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Ширина запрещенной зоны при изменении температуры изменяется по линейному закону. Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов. Выпрямительные плоскостные диоды рассчитаны на прямые токи от 0.3 А до 1000 А при падении напряжения не более 0.5 В. Недостатком германиевых диодов являются достаточно невысокие обратные напряжения. Германиевые транзисторы могут быть низко и высокочастотными (НЧ и ВЧ), мощными и маломощными. Германий используют также для создания лавинно-пролетных и туннельных диодов, варикапов, точечных ВЧ, импульсных и СВЧ-диодов. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда, германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз с большой светосилой, оптических фильтров, а также счетчиков ядерных частиц. Рабочий диапазон германиевых приборов от –60°С до +70°С. 4.8. Кремний. ▲ В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержится 29.5% по массе. По распространенности кремний занимает второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина также представляют собой соединения кремния. Исходным сырьем при получении кремния является кремнезем, из которого кремний восстанавливают углеродосодержащим материалом в электрических печах. Кремний кристаллизуется в структуру алмаза с несколько меньшим, чем у германия периодом идентичности кристаллической решетки. Меньшие, чем у германия расстояния между атомами в решетке обуславливают более сильную ковалентную связь и, как следствие этого, более широкую запрещенную зону. В химическом отношении кремний является относительно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами в любой концентрации. Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Кремний устойчив на воздухе при нагревании до 900°С. Выше этой Т° он начинает активно окисляться с образованием двуокиси кремния SiO2. Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью. Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия. Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска ПП изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из кремния изготавливают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, НЧ и ВЧ, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью. Рабочие частоты планарных транзисторов достигают 10 ГГц. Кремниевые плоскостные выпрямительные диоды могут выдерживать обратные напряжения до 1500 В, существенно превосходя по этим параметрам германиевые. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров. Кремниевые стабилитроны в зависимости от степени легирования материала имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В. Широкое применение в технике нашли кремниевые фоточувствительные приборы, особенно фотодиоды, отличающиеся высоким быстродействием. Для системы энергоснабжения космических аппаратов используются кремниевые солнечные батареи. Подобно германию, кремний используется для изготовления детекторов ядерных излучений, датчиков Холла и тензодатчиков. Благодаря более широкой запрещенной зоне, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел для них 180–200°С. 4.9. Полупроводниковые соединения типа АIIIВV. ▲ Соединения типа АIIIВV являются ближайшими электронными аналогами германия и кремния. Они образуются в результате соединения элементов III группы Периодической системы (бора, алюминия, галлия и индия) с элементами V группы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений рассматриваемого ряда. Соединения АIIIВV принято классифицировать по металлоидному признаку. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Многообразие свойств полупроводников типа АIIIВV обуславливает их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особый интерес к этой группе материалов был вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе ПП АIIIВV характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение. Большой набор значений ширины запрещенной зоны у этих полупроводников позволяет создавать на их основе различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спектра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы. Арсенид галлия (GaAs) потенциально является одним из лучших фоточувствительных материалов для применения в солнечных батареях. Антимонид индия (InSb) имеет важное техническое значение для изготовления приемников инфракрасного излучения. GaAs, InSb применяются для изготовления туннельных диодов. По сравнению с германиевыми диодами, приборы из арсенида галлия характеризуются более высокой рабочей температурой, а диоды из антимонида индия обладают лучшими частотными свойствами при низких температурах. Прогресс в технологии арсенида галлия, достигнутый за последние годы, открыл широкие перспективы применения этого материала для создания полевых транзисторов и быстродействующих интегральных схем. По сравнению с кремнием GaAs является более технологически сложным материалом. Однако совершенствование технологии различных процессов, разработка новых методов осаждения защитных слоев позволяют реализовать возможности GaAs в повышении степени интеграции и быстродействия ИМС. 4.9.1. Твердые растворы на основе соединений типа АIIIВV. ▲ Твердые растворы позволяют существенно расширить по сравнению с элементарными полупроводниками и ПП соединениями набор электрофизических параметров, определяющих возможности применения материалов в конкретных полупроводниковых приборах. Особый интерес к твердым растворам обусловлен возможностью плавного управления шириной запрещенной зоны полупроводников путем изменения их компонентного состава. Твердые растворы открывают широкие возможности создания гетеропереходов и приборов на их основе. Под гетеропереходом понимают контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Решающим критерием при выборе материала контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов их линейного расширения. 4.10. Полупроводниковые соединения типа АIIВVI. ▲ К соединениям этого типа относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. Но окислы этих металлов сюда не входят. С ростом атомной массы во всех этих рядах уменьшается ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность носителей заряда. Из всех соединений типа АIIВVI по масштабам применения выделяют сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, второй широко используется для изготовления фоторезисторов. Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов, чувствительных к видимому излучению, используют пленки и спеченные порошкообразные соли селенида кадмия CdSe. Узкозонные полупроводники типа АIIВVI представляют интерес для создания приемников ИК-излучения. Пленки из селенида и теллурида ртути применяют для изготовления высокочувствительных датчиков Холла. Монокристаллы этих соединений используют в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, возбуждаемых электрическим пучком. 4.11. Полупроводниковые соединения типа АIVВVI. ▲ Среди полупроводниковых соединений этого типа наиболее изученными являются халькогениды свинца (PbS, PbSe, PbTe). Как узкозонные полупроводники они применяются в качестве детекторов ИК-излучений. Большой научный и практический интерес представляют твердые растворы на основе теллуридов свинца и олова. Одна из главных причин повышенного интереса к этим материалам связана с использованием их для изготовления фотоприемников с высокой спектральной чувствительностью в диапазоне «атмосферного окна» 8 – 14 мкм, которое соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела при 300К. Перспективно использование твердых растворов для инжекционных лазеров в спектральном диапазоне до 30 мкм. 4.12. Методы получения полупроводников и создания p-n переходов 4.12.1 Подготовительные операции Монокристаллические слитки кремния, как и других полупро­водников, получают обычно путем кристаллизации из расплава - методом Чохральского. При этом методе стержень с затравкой (в виде монокристалла кремния) после соприкосновения с расплавом мед­ленно поднимают с одновременным вращением. При этом вслед за затравкой вытягивается нара­стающий и застывающий слиток. Кристаллографическая ориентация слит­ка (его поперечного сечения) определяется кристаллографической ориентацией затрав­ки. Чаще других используются слитки с поперечным сечением, лежащим в плоско­сти (111) или (100). Типовой диаметр слитков составляет в настоящее время 80 мм, а максимальный может достигать 300 мм и более. Длина слитков может достигать 1-1,5 м, но обычно она в несколько раз меньше. Слитки кремния разрезают на множе­ство тонких пластин (толщиной 0,4-1,0 мм), на которых затем изготавливают интегральные схемы. Поверхность пластин после резки весьма неровная: размеры ца­рапин, выступов и ямок намного превышают размеры будущих эле­ментов ИС. Поэтому перед началом основных технологических операций пластины многократно шлифу- ют, а затем полируют. Цель шлифовки, помимо удаления механических дефектов, состоит также в том, чтобы обеспечить необходимую толщину пластины (200-500 мкм), недостижимую при резке, и параллельность пло­скостей. По окончании шлифовки на поверхности все же остается механически нарушенный слой толщиной в несколько микрон, под которым расположен еще более тонкий, так называемый физически нарушенный слой. Последний характерен наличием «незримых» искажений кристаллической решетки и механических напряжений, возникающих в процессе шлифовки. Полировка состоит в удалении обоих нарушенных слоев и сни­жении неровностей поверхности до уровня, свойственного опти­ческим системам - сотые доли микрометра. Помимо механиче­ской, исполь­зуется химическая полировка (травление), т. е. по существу растворение поверхностного слоя полупроводника в тех или иных реактивах. Выступы и трещины на поверхности стравливаются быстрее, чем основной материал, и в целом поверхность выравни­вается. Важным процессом в полупроводниковой технологии является также очистка поверхности от загрязнений органическими вещест­вами, особенно жирами. Очистку и обезжиривание проводят в ор­ганических растворителях (толуол, ацетон, этиловый спирт и др.) при повышенной температуре. Травление, очистка и многие другие процессы сопровождаются отмывкой пластин в деионизованной воде. 4.12.2 Эпитаксия Эпитаксией называют процесс наращивания монокристалли­ческих слоев на подложку, при котором кристаллогра­фическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. В настоящее время эпитаксия обычно используется для полу­чения тонких рабочих слоев до 15 мкм однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке, играющей роль несущей конструк­ции. Типовой - хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем (рисунок 4.12). Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния SiCl4. При высокой температуре (около 1200° С) на поверхности пластин проис­ходит реакция SiCl4 + 2Н2 = Si + 4HC1. В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Хи­мическая реакция, благодаря подбору температуры, происходит только на поверхности пластины, а не в окружающем пространстве. Рисунок 4.12. Процесс, проходящий в потоке газа, называют газотранспорт­ной реакцией, а основной газ (в данном случае водород), перенося­щий примесь в зону реакции, - газом-носителем. Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соединений фосфора (РН3) или бора (В2Н6) , то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно электрон­ную или дырочную проводимость (рисунок 4.13а), поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться донорные атомы фосфора или акцепторные атомы бора. Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать на подложке монокрис- тал­лические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротив- ления, обладающие любым типом и ве­личиной проводимости, например, на рисунке 4.13а показан слой n, а можно сформировать слой n+ или р+. а) б) Рисунок 4.13. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не полу­чается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитаксии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятель­ство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослой­ных эпитаксиальных структур. Основную роль, в настоящее время, играет однослойная эпитаксия. Она существенно пополнила ар­сенал полупроводниковой технологии; получение таких тонких однородных слоев (1 - 10 мкм), какие обеспечивает эпитаксия, невозможно иными средствами. На рисунке 4.13а и последующих масштаб по вертикали не соблюдается. В установке, показанной на рисунке 4.12, предусмотрены некоторые дополнительные операции: продувка трубы азотом и неглубокое травление поверхности кремния в парах НСl (с целью очистки). Эти операции проводятся до начала основных. Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по хи­мическому составу. Способ получения таких пленок называют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Конечно, при гетероэпитаксии и материалы пленки и подложки долж­ны по-прежнему иметь одинаковую кристаллическую решетку. Haпример, можно выращивать кремниевую пленку на сапфировой подложке. В заключение заметим, что помимо описанной газовой эпитаксии, существует жидкостная эпитаксия, при которой наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жид­кой фазы, т. е. из раствора, содержащего необходимые компоненты. 4.12.3 Термическое окисление Окисление кремния - один из самых характерных процессов в технологии современных ППИМС. Получаемая при этом пленка дву­окиси кремния SiO2 (рисунок 4.13б) выполняет несколько важных функций, в том числе: - функцию защиты - пассивации поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков p-n переходов, выходящих на поверхность; - функцию маски, через окна в которой вводятся необходимые примеси методом диффузии (рисунок 4.13б); - функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзи­стора или конденсатора - диэлектрическое основание для соединения металлической пленкой элементов ПП ИМС. Поверхность кремния всегда покрыта «собственной» окисной пленкой, получающейся в результате «естественного» окисления при самых низких температурах. Однако эта пленка имеет слишком ма­лую толщину (около 5 нм), чтобы выполнять какую-либо из пере­численных функций. Поэтому при производстве полупроводниковых ИМС более толстые пленки SiO2 получа­ют искусственным путем. Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (1000-1200° С). Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окис­ление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды. Во всех случаях процесс проводится в окислительных печах. Основу таких печей составляет, как и при эпитаксии, кварцевая труба, в которой размещается «лодочка» с пластинами кремния, нагреваемая либо токами высокой частоты, либо иным путем. Че­рез трубу пропускается поток кислорода (сухого или увлажненного) или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотем­пературной зоне. Получаемая таким образом пленка SiO2 имеет аморфную структуру (рисунок 4.13б). Очевидно, что скорость роста окисла со временем должна убы­вать, так как новым атомам кислорода приходится диффундировать через все более толстый слой окисла. Полуэмпирическая формула, связывающая толщину окисной пленки со временем термического окисления, имеет вид: dk, где k — параметр, зависящий от температуры и влажности кисло­рода. Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. На­пример, для выращивания пленки SiO2 толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000° С требуется около 5 ч, а во влажном - всего 20 мин. Однако, качество пленок, полученных во влажном кислороде, ниже. С уменьшением температуры на каждые 100° С время окис­ления возрастает в 2-3 раза. В технологии ИМС различают «толстые» и «тонкие» окислы SiO2. Толстые окислы (d = 0,7-1,0 мкм) выполняют функции защиты и маскировки, а тонкие (d=0,1-0,2 мкм) - функции подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах и конденсаторах. Одной из важных проблем при выращивании пленки SiO2 яв­ляется обеспечение её однородности. В зависимости от качества поверхности пластины, от чистоты реагентов и режима выращи­вания в пленке возникают те или иные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро- и макропоры, вплоть до сквозных отверстий (особенно в тонком окисле). Качество окисной пленки повышается с уменьшением темпе­ратуры ее выращивания, а также при использовании сухого кис­лорода. Поэтому тонкий подзатворный окисел, от качества которого зависит стабильность параметров МОП-транзистора, получают су­хим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют су­хое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса. Другие методы получения пленки SiO2 рассмотрены в 5. 4.12.4 Легирование Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является ис­ходным и до сих пор основным способом легирования полупровод­ников с целью создания транзисторных структур и на их основе других элементов. Однако за последнее время широкое распространение получил и другой способ легирования - ионная имплантация. Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рисунок 4.14а), а во втором - на определенных участках пла­стины через окна в маске, например, в толстом слое SiO2 (рисунок 4.14б). Общая диффузия приводит к образованию в пластине тон­кого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривые N(x) на рисунках 3.6а и б). а) б) Рисунок 4.14 В случае локальной диффузии (рисунок 4.14б) примесь распространяется не только в глубь пластины, но и во всех перпендикулярных на­правлениях, т. е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузии участок р-n перехода, выходящий на по­верхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом. Соотношение между глубинами боковой и основной - «вертикальной» диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя. Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение 0,8L. Диффузию можно проводить однократно и многократно. На­пример, в исходную пластину n-типа можно во время 1-й диффузии внедрить акцеп- торную примесь и получить р-слой, а затем во время 2-й диффузии внедрить в полученный р-слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру. Соответственно различают двойную и тройную диффузию. При проведении многократной диффузии следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концен- трацию предыдущей, в противном случае тип проводи­мости не изменится, а значит, не образуется р-n переход. Между тем концентрация примеси в кремнии (или другом исходном мате­риале) не может быть сколь-угодно большой: она ограничена особым параметром - предельной растворимостью примеси NS. Предельная растворимость зависит от температуры. При некоторой темпера­туре она достигает максимального значения, а затем снова уменьшается. Максимальные предельные растворимости вместе с со­ответствующими температурами приведены в таблице 4.1. Таблица 4.1 Примесь As Р В Sb NS, см-3 201020 131020 51020 0,61020 Т0, С 1500 1500 1200 1300 Следовательно, если проводится многократная диффузия, то для последней диффузии нужно выбирать материал с максимальной предельной растворимостью. Поскольку ассортимент примесных материалов ограничен, не удается обеспечить более 3-х последо­вательных диффузий. Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источниками диффузантов являются их химические соединения. Это могут быть жидкости (ВВr3, РОСl), твердые тела (В2О3, P2O5) или газы (В2Н6, РН3). Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью газотран- спортных реакций - так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диф­фузионные печи. Двухзонные печи используются в случае твердых диффузантов. В таких печах (рисунок 4.15) имеются две высокотемпературные зоны, одна - для испарения источника диффузанта, вторая - собственно для диффузии. Рисунок 4.15 Пары источника диффузанта, полученные в 1-й зоне, примешиваются к по- току нейтрального газа-носителя (напри­мер, аргона) и вместе с ним доходят до 2-й зоны, где расположены пластины кремния. Температура во 2-й зоне выше, чем в 1-й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны. В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходи- мости в их высокотемпературном испарении. Поэтому ис­пользуются однозон- ные печи, как при эпитаксии, в которые источник диффузанта поступает уже в газообразном состоянии. При использовании жидких источников диффузанта диффузию проводят в окислительной среде, добавляя к газу-носителю кисло­род. Кислород окисляет поверхность кремния, образуя окисел SiO2, т. е. в сущности - стекло. В присут- ствии диффузанта (бора или фосфора) образуется боросиликатное или фосфорносиликатное стекло. При температуре выше 1000оС эти стекла находятся в жид­ком состоянии, покрывая поверхность кремния тонкой пленкой, так что диффузия примеси идет, строго говоря, из жидкой фазы. После застывания стекло защищает поверхность кремния в местах диффузии, т. е. в окнах окисной маски. При использовании твердых источников диффузанта - окислов - образование стекол происходит в процессе диффузии без специально вводимого кислорода. Различают два случая распределения примеси в диффузионном слое. 1 Случай неограниченного источника примеси. В этом случае диф-фузант непрерывно поступает к пластине, так что в её приповерхностном слое концентрация примеси поддерживается постоянной равной NS. С увеличением времени диффузии увеличивается глубина диффузионного слоя (рисунок 4.16а). 2 Случай ограниченного источника примеси. В этом случае сначала в тонкий приповерхностный слой пластины вводят некоторое количество атомов диффузанта (время t1), а затем источник диффузанта отключают и атомы примеси перераспределяются по глубине пластины при неизменном их общем количестве (рисунок 4.16б). При этом концентрация примеси на поверхности снижается, а глубина диффузионного слоя увеличивается (кривые t2 и t3). Первую стадию процесса называют загонкой, вторую - разгонкой примеси. а) б) в) Рисунок 4.16 4.12.5 Ионная имплантация. Ионной имплантацией называют метод легирования пластины (или эпитаксиального слоя) путем бомбардировки ионами примеси, ускоренными до энергии, доста­точной для их внедрения в глубь твердого тела. Ионизация атомов примеси, ускорение ионов и фокусировка ионного пучка осуществляются в специальных установках типа ускорителей частиц в ядерной физике. В качестве примесей ис­пользуются те же материалы, что и при диффузии. Глубина внедрения ионов зависит от их энергии и массы. Чем больше энергия, тем больше получается толщина имплантирован­ного слоя. Однако с ростом энергии возрастает и количество ра­диационных дефектов в кристалле, т. е. ухудшаются его электрофи­зические параметры. Поэтому энергию ионов ограничивают вели­чиной 100-150 кэВ. Нижний уровень составляет 5-10 кэВ. При таком диапазоне энергии глубина слоев лежит в пределах 0,1 - 0,4 мкм, т.е. она значительно меньше типичной глубины диффузионных слоев. Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном пучке и времени процесса или, как говорят, от времени экспо-зиции. В зависимости от плотности тока и жела­емой концентрации время экспозиции составляет от нескольких секунд до 3-5 мин и более (иногда до 1-2 ч). Разу­меется, чем больше время экспози­ции, тем опять же больше количест­во радиационных дефектов. Типичное распределение примеси при ионной имплантации показано на рисунке 4.16в сплошной кривой. Как видим, это распределение существенно отличается от диффузионного наличием максимума на определенной глубине. Поскольку площадь ионного пуч­ка (1-2 мм2) меньше площади пла­стины (а иногда и кристалла), при­ходится сканировать пучок, т. е. плавно или «шага- ми» перемещать его (с помощью специальных отклоняющих систем) пооче- редно по всем «строкам» пластины, на которых расположены отдельные ИМС. По завершении процесса легирования пластину обязательно под­вергают отжигу при температуре 800-1100° С для того, чтобы упо­рядочить кристал- лическую решетку кремния и устранить (хотя бы частично) неизбежные радиа-ционные дефекты. При температуре отжига процессы диффузии несколько меняют профиль распре­деления (см. штриховую кривую на рисунке 4.16в). Ионная имплантация проводится через ма­ски, в которых длина пробега ионов должна быть значительно мень­ше, чем в кремнии. Материалом для масок могут служить распро­страненные в ИМС двуокись кремния или алюминий. При этом важным достоинством ионной имплантации является то, что ионы, двигаясь по прямой линии, внедряются только в глубь пластины, а анало­гия боковой диффузии (под маску) практиче­ски отсутствует. В принципе ионную имплантацию, как и диффузию, можно проводить многократно, «встраивая» один слой в другой. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига необхо­димое для многократной имплантации, оказывается затруднитель­ным. Поэтому ионная имплантация получила главное распростра­нение при создании тонких одинарных слоев. 4.12.6 Нанесение тонких пленок Тонкие пленки не только являются основой тонкопленочных гибридных ИМС, но широко используются и в полупроводниковых интеграль­ных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относятся к общим вопросам технологии микроэлектроники. Существует три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) и ионо-плазменное напыление, которое имеет две разновидности: катодное напыление и собственно ионно-плазменное. 4.12.7 Термическое (вакуумное) напыление. Принцип этого метода напыления показан на рисунке 4.17а Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится проклад­ка 3, обеспечивающая поддержание ва­куума после откачки воздуха из подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испари­тель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Пово­ротная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напы­ление длится в течение времени, когда заслонка открыта. Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавко­го металла (вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в а) б) в) Рисунок 4.17 тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в по­следнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера. На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация происходит и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки пре­пятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура под­ложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400° С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов ( температура подложки, рас­стояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десятых долей до десятков нанометров в секунду. Прочность связи - сцепления пленки с подложкой или другой пленкой - называется адгезией. Некоторые распространенные ма­териалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными под­ложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сна­чала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адге­зией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан. Для того чтобы атомы напыляемого материала, летящие от испарителя к подложке, испытывали минимальное количество столкновений с атомами оста­точного газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном простран- стве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходи- мого вакуума может служить условие, чтобы средняя длина свободного пробега атомов в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подлож-кой. Однако этого условия часто недостаточно, так как любое количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10-6 мм рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до 10-11 мм рт. ст. Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и труд­ность (а иногда невозможность) воспроизведения на подложке хи­мического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические соединения диссо­циируют, а их составляющие конденсируются на подложке раз­дельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая ком­бинация атомов на подложке не будет соответствовать структуре исходной молекулы. 4.12.8 Катодное напыление. Схема этого метода показана на рисунке 4.17б. Здесь большинство компонентов те же, что и на рисунке 4.17а. Однако отсутствует испаритель; его место по расположению (и по функции) занимает катод 6, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода вы­полняет подложка вместе с держателем. Подколпачное пространство сначала откачивают до 10-5-10-6 мм рт. ст., а затем в него вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создает­ся давление 10-1 - 10-2 мм рт, ст. При подаче высокого отрицательного (2-3 кВ) напряжения на катод 6 (анод заземлен из соображений электробез­опасности) в пространстве анод - катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием электронно-ионной плазмы. Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электри­ческое поле, что положительные ионы газа, ускоряемые этим полем и бом­бардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходи­мые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода недопустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода являет­ся полезным процессом, аналогичным испарению. Важным преимуществом катодно­го напыления по сравнению с терми­чес- ким является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений (см. последний абзац преды­дущего раздела). Однако в данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассорти­мент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозмож­ным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и дру­гих химических соединений, распространенных в технологии полу­проводниковых приборов. Это ограничение в значительной мере устраняется при исполь­зовании так называемого реактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с рас­пыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кис­лород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись углерода, можно получить нитриды или кар­биды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое соединение), либо на подложке - аноде. Недостатками катодного напыления в целом являются неко­торая загрязненность пленок (из-за использования сравнительно низкого вакуума) меньшая по сравнению с термическим методом скорость напыления (по той же причине), а также сложность конт­роля процессов. 4.12.9 Ионно-плазменное напыление. Схема этого метода пока­зана на рисунке 4.17в. Главная его особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что в промежутке между электродом 8 - мишенью (с нанесенным на нее напыляе­мым материалом) и подложкой 4 дейст­вует независимый, «дежурный» газовый разряд. Разряд имеет место между электродами 6 и 7, причем тип разряда - несамостоятельный дуговой. Для этого типа разряда характерны: наличие специального ис­точника электронов в виде накаливае­мого катода 6, низкие рабочие напря­жения (десятки вольт) и большая плот­ность электронно-ионной плазмы. Подколпачное пространство, как и при катодном напылении, запол- нено ней­тральным газом, но при более низком давлении (10-3 - 10-4 мм рт. ст.). Процесс напыления состоит в следующем. На мишень относи­тельно плазмы (практически - относительно заземленного анода 7) подается отрицательный потенциал (2-3 кВ), достаточный для возникновения аномаль- ного тлеющего разряда и интенсивной бомбардировки мишени положитель- ными ионами плазмы. Выби­ваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом, принципиальных различий между процес- сами ка­тодного и ионно-плазменного напыления нет. Различаются лишь конс- трукции установок: их называют соответственно двух- и трех - электродными. Начало и конец процесса напыления определяются подачей и от­ключе- нием напряжения на мишени. Если предусмотреть механи­ческую заслонку (см. рис. 4.17а), то ее наличие позволяет реализо­вать важную дополнительную возможность: если до начала напы­ления закрыть заслонку и подать отрицательный потенциал на мишень, то будет иметь место ионная очистка мишени. Такая очистка полезна для повышения качества напыляемой пленки. Аналогичную очистку можно проводить на подложке, подавая на нее (до напыления пленки) также отрицательный потенциал. При напылении диэлектрических пленок возникает затруднение, связанное с накоплением на мишени положительного заряда, препятствующего дальнейшей ионной бомбардировке. Это затруднение преодолевается путем использования так называемого высокочастот­ного ионо-плазменного напыления. В этом случае на мишень на­ряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты (около 15 МГц) с амплитудой, несколько превышающей постоянное напря­жение. Тогда во время большей части периода результирующее на­пряжение отрицательно; при этом происходит обычный процесс распыления мишени и на ней накапливается положительный заряд. Однако во время небольшой части периода результирующее напря­жение положительно; при этом мишень бомбардируется элект­ронами из плазмы, т. е. распыления не происходит, но зато ком­пенсируется накопленный положительный заряд. Вариант реактивного (химического) ионно-плазменного напы­ления открывает те же возможности получения окислов, нитридов и других соединений, что и реактивное катодное напыление (см. пре­дыдущий раздел). Преимущества собственно ионно-плазменного метода по срав­нению с катодным состоят в большей скорости напыления и большей гибкости процесса (возможность ионной очистки, возможность от­ключения рабочей цепи без прерывания разряда и др.). Кроме того, на качестве пленок сказывается более высокий вакуум. Существуют другие методы нанесения пленок, например, анодирование и электрохимическое осаждение 4,5. Примеры решения задач по теме «Полупроводниковые материалы». Задача №1. Удельное сопротивление собственного германия ρ=0.43 Ом·м при Т=300 К. Подвижности электронов и дырок в германии равны соответственно 0.39 и 0.19 м2/(В·с). Определите собственную концентрацию электронов (n) и дырок (p). Дано: ρ=0.43 Ом·м Т=300 К μn=0.39 м2/(В·с) μp=0.19 м2/(В·с) n - ? p - ? Решение: Удельная проводимость полупроводника γ определяется из уравнения γ=e(pμp+nμn), где е – заряд электрона (е=1.602·10-19Кл). Для собственного полупроводника p=n=ni, где ni – концентрация электронов и дырок. Поэтому собственная удельная проводимость γi задаётся в виде γi=1/ ρi= nie(μp+μn), отсюда ni=1/[ρie(μp+μn)], где ρi= ρ. Так как все величины даны в одинаковых размерных единицах, то подставляем числовые значения: ni==2.5·1019(м-3). Задача №2. Образец германия, рассмотренный в предыдущей задаче, легирован примесью атомов сурьмы так, что один атом примеси приходится на 2·106 атомов германия. Определить: а) концентрацию электронов и дырок при Т=300К (предположить, что при этой температуре все атомы сурьмы ионизированы и концентрация атомов германия N=4.4·1028 м-3); б) удельное сопротивление этого легированного материала, в) коэффициенты диффузии электронов и дырок в германии при данной температуре. Дано: μn=0.39 м2/(В·с) μp=0.19 м2/(В·с) Т=300 К N=4.4·1028 м-3 NGe=2·106 pn - ? nn - ? ρn - ? Dn - ? Dp - ? Решение: Легирование сурьмой германия приводит к образованию полупроводника n-типа. а) Исходя из закона действующих масс: nn·pn=ni2 и принимая во внимание то, что при Т=300К все атомы сурьмы ионизированы и nn ≈ NД, находим концентрацию донорных примесей NД= N/ NGe. Собственная концентрация ni=2.5·1019м-3 (см. предыдущую задачу). pn = ni2/ NД, следовательно pn = [ni2·NGe]/ N. Так как все величины даны в одинаковых размерных единицах, то подставляем числовые значения: nn=4.4·1028/2·106=2.2·1022(м-3); pn=[(2.5·1019)2·2·106]/4.4·1028=2.84·1016(м-3). б) Удельное сопротивление легированного полупроводника n-типа: ρn=1/ [NД·e ·μn], где е – заряд электрона. Так как все величины даны в одинаковых размерных единицах, то подставляем числовые значения: ρn==7.3·10-4(Ом·м). в) Соотношение Эйнштейна между подвижностью μ и коэффициентом диффузии D имеет вид: D=[kTμ]/e, где k – постоянная Больцмана (k=1.38·10-23), а е – заряд электрона. Так как все величины даны в одинаковых размерных единицах, то подставляем числовые значения: для электронов Dn=[kTμn]/e Dn==10·10-3(м2/с); для дырок Dp=[kTμp]/e Dp==4.9·10-3(м2/с). Вопросы для самоконтроля: 1. В чем отличие полупроводниковых материалов от проводниковых? 2. В чем отличие полупроводниковых материалов от диэлектрических? 3. Как возникают в полупроводнике свободные носители зарядов? 4. Почему подвижность дырок меньше, чем подвижность электронов? 5. Какой тип электропроводности (дырочный или электронный) имеет собственный полупроводник? Почему? 6. Как влияет температура на подвижность электронов и дырок в полупроводнике? 7. Как связана ширина запрещенной зоны с электропроводностью полупроводниковых материалов? 8. Что такое рекомбинация свободных носителей заряда? Ее механизмы. 9. Соблюдается ли для полупроводников закон Ома в сильных электрических полях? Почему? 10. Какая разница между понятиями «загрязнения» и «примеси» в полупроводниках? 11. В каком случае электропроводность полупроводников является собственной, а в каком примесной? 12. Что происходит в полупроводнике при одновременном внесении донорной и акцепторной примеси? Как определить тип электропроводности такого полупроводника? 13. Какова температурная зависимость проводимости примесных полупроводников и чем она обусловлена? 14. Какие сложные полупроводники имеют наибольшее значение в полупроводниковой технике? Почему? 5. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ▲ 5.1. Общие сведения о полупроводниках. ▲ В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях (в состоянии ионизации) и газы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0.05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления с удельным сопротивлением не менее 0.3 мкОм·м. Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких температурах материалы сверхпроводники и криопроводники. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть, имеющая температуру плавления минус 39°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками только при повышенных температурах. Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы, в частности, водные, кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется , а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Пример – соляные закалочные ванны с электронагревом. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой. 5.2. Электропроводность металлов. ▲ Классическая электронная теория металлов представляет проводник в виде системы, состоящей из узлов ионной кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. Рассматривая тепловое и направленное под действием электрического поля движение электронов, получили выражение закона Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого процесса привело к выводу закона Джоуля-Ленца. Т.о., электронная теория металлов дала возможность теоретически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить связь между электро- и теплопроводностью металлов. Однако появились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении кривых температурной зависимости удельного сопротивления, в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным. Эти трудности удалось преодолеть, встав на позиции квантовой механики. В отличие от классической электронной теории квантовая механика полагает, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому теплота не затрачивается на нагрев электронного газа, что и обнаруживается при измерениях теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности. 5.3. Свойства проводников. ▲ К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: – удельная проводимость γ или обратная ей величина – удельное сопротивление ρ, – температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или αρ, – теплопроводность γт, – контактная разность потенциалов и термо-э.д.с., – работа выхода электронов из металла, – предел прочности при растяжении σρ и относительное удлинение при разрыве ∆l/l. 5.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников. ▲ Связь плотности тока J, А/м2, и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой: J=Eγ (5.1) Здесь γ, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома γ не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина ρ=1/γ, обратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле: ρ = R·S/l. (5.2) Единица СИ для удельного сопротивления - Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0.016 для серебра и до примерно 10 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн. 5.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. ▲ Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен. 5.3.3.Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении. ▲ При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления, как это видно из рис.5.1; однако у некоторых металлов при плавлении ρ уменьшается. Рис.5.1. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры. Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается. 5.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях. ▲ Изменение удельного сопротивления при растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой: ρ = ρ0 (1± σ ·s) (5.3) где ρ – удельное сопротивление металла (Ом*м) при механическом напряжении σ, ρ0 – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус – сжатию. Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем отжига удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения. 5.3.5. Удельное сопротивление сплавов. ▲ Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве. Так, Н.С.Курнаков открыл, что в тех случаях, когда при определенном соотношении между компонентами они образуют друг с другом явно выраженные химические соединения (интерметаллиды), на кривых ρ в функции состава наблюдаются изломы (рис.5.2). Рисунок 5.2 - Зависимость удельного сопротивления сплавов цинк – магний от состава. Точка 1 соответствует чистому Mg, 2 – соединению MgZn, 3 – Mg2Zn3, 4 – MgZn4, 5 – MgZn6, 6 – чистому Zn. Исследования А.Ф.Иоффе показали, что многие интерметаллиды являются не веществами с металлическим характером электропроводности, а электронными полупроводниками. Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию, и структура застывшего сплава представляет собой смесь кристаллов каждого из компонентов (т.е. искажение кристаллической решетки каждого компонента не имеет места), то удельная проводимость γ сплава меняется с изменением состава приблизительно линейно, т.е. определяется арифметическим правилом смешения (рис.5.3). Рисунок 5.3 - Зависимость удельной проводимости сплавов медь – вольфрам от состава (в процентах по массе). 5.3.6. Теплопроводность металлов. ▲ За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов, и количество которых в единице объема весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность γт металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отношение γт/γ должно возрастать. Чистота и характер механической обработки металла могут заметно сказываться на его теплопроводности, в особенности при низких температурах. 5.3.7. Термоэлектродвижущая сила. ▲ При соприкосновении двух металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина ее появления заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна: (5.4) где UА и UВ – потенциалы соприкасающихся металлов; nА и nВ – концентрации электронов в металлах А и В. Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей потенциалов равны нулю. Иначе обстоит дело, когда один металл имеет температуру Т1, а другой – Т2. Рисунок 5.4 - Схема термопары. В этом случае между «спаями» возникает термо-э.д.с., равная , (5.5) что можно записать в виде: (5.6) где с – постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур металлов. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур. 5.3.8. Механические свойства проводников. ▲ Они характеризуются пределом прочности при растяжении σр и относительным удлинением при разрыве Δl/l, а так же хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σр и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений. 5.4. Материалы высокой проводимости. ▲ К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий. 5.4.1. Медь. ▲ Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие: 1. малое удельное сопротивление; 2. достаточно высокая механическая прочность; 3. удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии; 4. хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра; 5. относительная легкость пайки и сварки. Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки. В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием. В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь. 5.4.2. Алюминий. ▲ Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного – 2.7 Мг/м3. Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь. Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn. Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии. Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву. 5.4.3. Железо. ▲ Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно. 5.4.4. Натрий. ▲ Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. Однако натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях. 5.5. Сверхпроводники и криопроводники. ▲ Как уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопротивление металлов падает. Представляет особый интерес вопрос об электропроводности металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной электрической проводимости материала, называется сверхпроводимостью, а температура, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводникового перехода Тс. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым: при повышении температуры до Тс сверхпроводимость разрушается и материал переходит в нормальное состояние, приобретая конечное значение удельной проводимости γ. В настоящее время известно 27 простых (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и химических соединений). В то же время некоторые вещества, в том числе такие наилучшие проводниковые материалы, как серебро и медь, при наиболее низких, достигнутых в настоящее время температурах (порядка тысячных долей Кельвина; согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль температуры принципиально недостижим) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Интересно отметить, что сверхпроводниками могут быть не только соединения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы элементов, не являющихся сверхпроводящими. Помимо сверхпроводящих электромагнитов можно отметить возможности использования сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому подобных устройств малой массы и габаритов, но с высокими к.п.д.; линий электропередачи весьма больших мощностей на дальние расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр. Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости , т.е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам. Материалы, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками. Весьма малое, но все же конечное значение удельного сопротивления криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах удельное сопротивление изменяется плавно, без скачков, не могут использоваться в ряде устройств, действие которых основано на триггерном эффекте появления и разрушения сверхпроводимости. Однако применение криопроводников в электрических машинах, аппаратах, кабелях и т.п. имеет и свои преимущества, притом весьма существенные. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более высококипящих и дешевых хладоагентов: жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства. Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электромагните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается большая энергия магнитного поля. Если из-за случайного повышения температуры или магнитной индукции хотя бы на малом участке сверхпроводящего контура сверхпроводимость будет разрушена, внезапно освободится большое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой цепи повышение температуры вызовет лишь постепенное возрастание сопротивления этой цепи без эффекта взрыва. Во всех случаях для получения криопроводниковых материалов требуется высокая чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа на ρ металлов при криогенных температурах сказывается намного сильнее, чем при нормальных. Криопроводники могут с успехом использоваться для обмоток электрических машин и трансформаторов, для токопроводящих жил кабелей и т.п. 5.6. Сплавы высокого сопротивления. ▲ Помимо высокого сопротивления от таких материалов требуются высокая стабильность ρ во времени, малый ТКρ и малый коэффициент термо-э.д.с. в паре данного сплава с медью. Желательно, чтобы такие сплавы были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов. 5.6.1. Манганин. ▲ Это наиболее типичный и широко применяемый для образцовых резисторов сплав. Примерный его состав: Cu- 85%, Mn- 12% и Ni- 3%; название происходит от наличия в нем марганца; желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. ρ манганина 0.42-0.48 мкОм∙м, коэффициент термо-э.д.с. в паре с медью всего 1-2 мкВ/К, αρ весьма мал. Предельная длительно допустимая рабочая температура не более 200°С. 5.6.2. Константан. ▲ Сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля; этот состав отвечает минимуму αρ в системе Cu-Ni при довольно высоком значении ρ. Название константан объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры. Нагревостойкость константана выше, чем манганина, а механические свойства близки. Существенным отличием последнего является высокая термо-э.д.с. в паре с медью и с железом. Широкому применению константана препятствует большое содержание дорогого и дефицитного никеля. 5.6.3. Сплавы на основе железа. ▲ Сплавы системы Fe – Ni – Cr называются нихромами или (при повышенном содержании железа) ферронихромами; сплавы системы Fe – Cr – Al называются фехралями и хромалями. Нихромы весьма технологичны: их можно легко протягивать в тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в костантане, в них велико содержание никеля. Нихромы применяются в качестве электронагревательных элементов. Хромо-алюминиевые сплавы намного дешевле нихромов, однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки. Они в основном используются для электронагревательных устройств большой мощности. 5.7. Тугоплавкие металлы. ▲ К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1700°С. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или в вакууме. В плотном виде чаще всего эти металлы получают методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием. В электронной технике начинают распространяться плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и т.д. Механическая обработка этих материалов трудна и часто требует подогрева. 5.7.1. Вольфрам. ▲ Чрезвычайно тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления (3380°С). Его извлекают из руд различного состава, наиболее известными среди которых являются вольфрамит (FeWO4 + MnWO4) и шеелит (CaWO4) путем сложной химической обработки. Для вольфрама характерна слабая механическая связанность кристаллов, поэтому при зернистом строении сравнительно толстые вольфрамовые изделия весьма хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. Из вольфрама изготавливают нити ламп накаливания, а также электроды, подогреватели, пружины и крючки в электронных лампах, рентгеновских трубках и т.п. Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности, вольфрам может работать при высоких температурах (более 2000°С), но лишь в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа, т.к. при нагревании до температуры в несколько сот градусов в присутствии кислорода он сильно окисляется. 5.7.2. Молибден. ▲ Этот металл по внешнему виду, а также по технологии обработки близкий к вольфраму. Важнейшей промышленной рудой молибдена является молибденит MoS2. Молибден применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам; накаливаемые детали из молибдена должны работать в вакууме или восстановительной атмосфере. 5.7.3. Тантал. ▲ Его получают из мало распространенной руды – танталита Fe(TaO3)2 методами порошковой металлургии, подобно вольфраму и молибдену. Основное отличие его заключается лишь в том, что процесс спекания его осуществляют в вакуумных печах, т.к. тантал склонен к поглощению газов, в результате чего он становится хрупким. Тантал характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Тантал относят к сверхпроводникам, применяют при изготовлении анодов и сеток генераторных ламп и др. 5.7.4. Титан. ▲ Относительно легкий металл, применяющийся в электровакуумной технике благодаря своим хорошим механическим свойствам. Основными минералами, содержащими титан, являются рутил и ильмений. Получают титан методами порошковой металлургии. Его используют не только в качестве конструкционного материала , но и для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых анодов и сеток генераторных ламп. Из него также получают резисторы интегральных микросхем. 5.7.5. Рений. ▲ Один из редких очень тяжелых металлов, с температурой плавления, близкой к вольфраму. Рений отличается редким сочетанием свойств, удовлетворяющих большинству требований электровакуумной техники. В атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. Ценной особенностью рения является его меньшая, по сравнению с вольфрамом, степень взаимодействия при высоких температурах с окисью алюминия, из которой изготовляют изоляционные трубки подогревных катодов прямого накала и сеток некоторых типов ламп. 5.8. Благородные металлы. ▲ К благородным металлам относят золото, серебро, платину и металлы платиновой группы (рутений Ru, родий Rh, палладий Pd, осмий Os и иридий Ir). Эти металлы названы благородными за их красивый внешний вид и высокую химическую стойкость. Они применяются в качестве проводников и контактов для коррозионно-устойчивых покрытий, электродов фотоэлементов. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов. 5.9. Неметаллические проводники. ▲ Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода. Из угля изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах, из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей. В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит и антрацит. Природный графит – одна из модификаций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией как электрических, так и механических свойств. Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод с примесями слоистых веществ. Лаки, в состав которых в качестве пигмента добавлена сажа, обладают малым удельным сопротивлением и могут быть использованы для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения. 5.10 Примеры решения задач по теме «Проводниковые материалы». Задача №1. Определить поперечное сечение (S) алюминиевого провода в линии электропередач длиной L=50 км, по которому течёт ток I=80 А. Падение напряжения на этом участке составляет 12.61 кВ при изменении температуры от 20˚С до 50˚С, с учётом температурного коэффициента сопротивления α=0.0042 1/К, и удельным сопротивлением проводника ρ0=0.028мкОм·м. Дано: L=50 км I=80 А U=12.61 кВ Т0=20˚С T=50˚С α=0.0042 1/К ρ0=0.028мкОм·м S - ? Решение: Выразим площадь поперечного сечения S через λ – геометрический параметр тела, называемый приведённой длиной: S=λ·L, который также можно выразить через сопротивление: λ=ρ/R. Сопротивление R находим из закона Ома в интегральной форме R=U/I, а удельное сопротивление имеет следующую зависимость от температуры: ρ= ρ0(1+α(T- Т0)). Подставив найденные зависимости в формулу для S, получим S=[I ·ρ0(1+α(T- Т0))·L]/U. Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 50км = 50·103м; 12.61кВ = 12.61·103В; 0.028мкОм·м = 0.028·10-6Ом·м. Так как в формуле имеет место разница температур (T- Т0), то её единицы измерения значения не имеют. S==10·10-6(м2); S=10мм2. Задача №2. Определить номинал проволочного резистора R, находящегося в электрическом поле с напряжённостью Е=14мВ/м, при плотности тока j=0.5 А/мм2, зная что площадь поперечного сечения S=1 мкм2, а длина L=3.57 мм. Дано: Е=14мВ/м j=0.5 А/мм2 S=1 мкм2 L=3.57 мм R - ? Решение: По закону Ома в дифференциальной форме имеем: ρ=Е/j. И, исходя из соотношения ρ/R=S/L, имеем ρ= Таким образом, R=. Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 0.5А/мм2 = 0.5·106А/м2; 1 мкм2=1·10-12м2; 3.57мм = 3.57·10-3м; 14мВ/м = 14·10-3В/м. R==100 Ом; R=100 Ом. 5.11 Вопросы для самоконтроля: 1. Какие требования предъявляют к проводниковым материалам? 2. Каковы основные параметры проводниковых материалов? 3. Чем характеризуются механические свойства проводников? 4. Что характеризует ТКr? 5. Как влияет температура на электропроводность проводниковых материалов? Почему? 6. Как изменяется удельное сопротивление у металлов при плавлении? 7. Почему металлы в газообразном состоянии являются электроизоляционными материалами? 8. В чем причина появления контактной разности потенциалов при контакте двух различных металлических проводников? 9. Какие преимущества и недостатки у алюминия перед медью? 10. Что такое биметаллический проводник? С какой целью его используют? 11. В чем сходство и в чем разница между манганином и константаном? 12. Какую роль в электротехнике играют контактные материалы? Какие требования к ним предъявляются? 13. Всегда ли сверхпроводники бывают сверхпроводящими? Почему? 14. Что такое криопроводимость? С какой целью ее можно использовать? 6. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ▲ Магнитные материалы в электро- и радиосвязи играют столь же важную роль, как проводниковые и диэлектрические материалы. В электрических машинах, трансформаторах, дросселях, электрорадиоаппаратуре и измерительных приборах всегда в том или ином виде используют магнитные материалы: в качестве магнитопровода, в виде постоянных магнитов или для экранирования магнитных полей. Любое вещество, будучи помещенным в магнитное поле, приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема называют намагниченностью Jм: Jм=M/V. (6.1) Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля: Jм=kмH, (6.2) где kм – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью. Первопричиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами. Такими токами являются орбитальные спины и орбитальное вращение электронов в атоме. Магнитные моменты протонов и нейтронов примерно в 1000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атома целиком определяются электронами, магнитным моментом ядра можно пренебречь. 6.1. Классификация веществ по магнитным свойствам. ▲ По реакции на внешнее магнитное поле и по характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно разделить на пять групп: – диамагнетики; – парамагнетики; – ферромагнетики; – антиферромагнетики; – ферримагнетики. Диамагнетики – магнитная проницаемость  меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электрона при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он маскируется более сильными магнитными эффектами. К диамагнетикам относят инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть и др.), большинство полупроводников и органических соединений. Диамагнетики – все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля. Парамагнетики – вещества с  больше единицы, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Парамагнетики, помещенные в магнитное поле, втягиваются в него. К числу парамагнетиков относятся: кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе во многом сходен с дипольно-релаксационной поляризацией диэлектриков. К ферромагнетикам относят вещества с большой магнитной проницаемостью (до106), сильно зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры Т° спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Ce,Nd,Sm,Tm и др.) К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Магнитная проницаемость у них высока и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом – различные оксидные соединения, а главный интерес представляют ферриты. Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы и представляют наибольший интерес. 6.2. Магнитные характеристики материалов. ▲ Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания: Рисунок 6.1 - Начальная кривая намагничивания. Показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н. Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Рассмотрим основные из них. 6.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость. ▲ Абсолютная магнитная проницаемость а материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в Гн/м: а=В/Н (6.3) Относительная магнитная проницаемость материала  есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной: =а/0 (6.4) μ0 – характеризует магнитное поле в вакууме (0=1.256637·10-6 Гн/м). Абсолютная магнитная проницаемость применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют , не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля: Рисунок 6.2 - Зависимость магнитной проницаемости µ от напряженности магнитного поля H. Различают начальную н и максимальную магнитную проницаемость мax. Начальную измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю. Большие значения н и мax показывают, что данный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях. 6.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости. ▲ Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТК позволяет оценить характер изменения  в зависимости ТКμ= ( μ2 - μ1)/ μ1(Т2 – Т1) [1/°] (6.5)  Типичная зависимость μ от Т° приведена на рис.6.3. Рисунок 6.3 - Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры. Т°, при которой μ падает почти до нуля называется температурой Кюри Тк. При Т > Тк процесс намагничивания расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, следовательно, материал перестает быть ферромагнитным. Так, для чистого железа – Тк = 768°C; для никеля – Тк = 358°C; для кобальта – Тк = 1131°C. 6.2.3. Индукция насыщения. ▲ Индукция Вs, характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения (см.рис.6.4). Чем больше Вs при заданной Н, тем лучше магнитный материал. Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания 1: Рисунок 6.4 - Петля гистерезиса магнитного материала. Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Вs. При уменьшении Н индукция тоже будет уменьшаться, но начиная с величины Вm значения В не будут совпадать с начальной кривой намагничивания. 6.2.4. Остаточная магнитная индукция. ▲ Остаточная магнитная индукция Вr наблюдается в ферромагнитном материале, когда Н=0. Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на противоположное – Н. Напряженность поля, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой Нс. Чем больше Нс, тем в меньшей степени материал способен размагничиваться. Если после размагничивания материала намагничивать его в противоположном направлении, образуется замкнутая петля, которую называют предельной петлей гистерезиса – петля, снятая при плавном изменении напряженности магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Вs. 6.2.5. Удельные потери на гистерезис. ▲ Это потери Pг, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл [Вт/кг]. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции. Они определяются (за один цикл) площадью петли гистерезиса. 6.2.6. Динамическая петля гистерезиса. ▲ Она образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, т.к. при действии переменного магнитного поля кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие (отставание по времени параметров от Н), которое определяется магнитной вязкостью материала. 6.2.7. Потери энергии на вихревые токи. ▲ Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического сопротивления материала ρ. Чем больше ρ, тем меньше потери. Рв также зависят от плотности материала и его толщины. Они пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции Вm и частоты f переменного поля. 6.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса. ▲ Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса: Кп = Вr /Вm (6.6) Чем больше Кп, тем прямоугольнее петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и ЗУ ЭВМ, Кп = 0.7-0.9. 6.2.9. Удельная объемная энергия. ▲ Это характеристика , применяемая доля оценки свойств магнитно-твердых материалов, выражается формулой: Wм = 1/2(Bd·Hd), (6.7) где Bd и Hd соответственно индукция и напряженность магнитного поля, соответствующие максимальному значению удельной объемной энергии (рис.6.5). Рисунок 6.5 - Кривые размагничивания и магнитной энергии Чем больше объемная энергия, тем лучше магнитный материал и постоянный магнит, из него изготовленный. 6.3. Классификация магнитных материалов. ▲ Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитно-мягкие (МММ) и магнитно-твердые (МТМ). МММ характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малыми значениями коэрцитивной силы (меньше 4000 А/м). Они легко намагничиваются и размагничиваются, отличаются малыми потерями на гистерезис. Чем чище МММ, тем лучше его магнитные характеристики.  МТМ обладают большой коэрцитивной силой (больше 4000А/м) и остаточной индукцией (больше 0.1 Тл). Они с большим трудом намагничиваются, но зато могут долго сохранять магнитную энергию, т.е. служить источниками постоянного магнитного поля. По составу все магнитные материалы делятся на 1.металлические 2.неметаллические 3.магнитодиэлектрики. Металлические магнитные материалы это чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов. Неметаллические магнитные материалы – ферриты, получаемые из порошкообразной смеси окислов железа и окислов других металлов. Опрессованные ферритовые изделия подвергаются отжигу, в результате чего они превращаются в твердые монолитные детали. Магнитодиэлектрики представляют собой композиционные материалы, состоящие из 60-80% порошкообразного магнитного материала и 40-20% диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими ρ(102-108 Ом·м), от чего потери на вихревые токи малы. Это позволяет использовать их в высокочастотной технике. Кроме того, ферриты обладают большой стабильностью магнитных параметров в широком диапазоне частот (включая СВЧ). 6.4. Металлические магнитно-мягкие материалы. ▲ Основными магнитно-мягкими материалами, применяемыми в радиоэлектронной аппаратуре, являются карбонильное железо, пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые стали. 6.4.1. Карбонильное железо. ▲ Представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц сферической формы диаметром 1 – 8 мкм. μн = 2500 – 3000 μм = 20000 – 21000 Нс = 4.5 – 6.2 А/м Его применяют при изготовлении высокочастотных магнитодиэлектрических сердечников. 6.4.2. Пермаллои. ▲ Пластичные железоникелевые сплавы с содержанием никеля 45 – 80%, легко прокатываются в тонкие листы и ленты, толщиной до 1 мкм. При содержании никеля 45 – 50% называются низконикелевыми, 60 – 80% - высоконикелевыми. μн = 2000 – 14000 μм = 50000 – 270000 Нс = 2 – 10 А/м ρ = 0.25 – 0.45 мкОм·м Для улучшения магнитных характеристик в пермаллои вводят молибден, хром, кремний или медь, отжигают в водороде или вакууме. Легированные пермаллои применяют для деталей аппаратуры, работающих на частотах 1 – 5 МГц. В магнитных усилителях применяют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса. 6.4.3. Альсиферы. ▲ Представляют собой нековкие, хрупкие сплавы, состоящие из 5.5 – 13% алюминия, 9 – 10% кремния, остальное – железо. μн = 6000 – 7000 μм = 30000 – 35000 Нс = 2.2 А/м ρ = 0.8 мкОм·м Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне до 50 кГц. 6.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали. ▲ Представляют собой сплавы железа с 0.8 – 4.8% кремния, содержание углерода не более 0.08%. Это сравнительно дешевый материал. Введение большого количества кремния улучшает магнитные свойства материала, но повышает его хрупкость (поэтому кремния не более 4.8%). Листы кремнистой стали изготавливают прокаткой заготовок в нагретом и не нагретом состояниях, поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. Улучшенные магнитные характеристики холоднокатаных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с направлением прокатки. В противном случае свойства горячекатаных сталей выше. Сравнительные характеристики горячекатаной и холоднокатаной сталей приведены в таблице 6.1. Стали применяют в менее ответственных узлах РЭА. Таблица 6.1. μн μм Нс, А/м Горячекатаная 300 - 400 6000 - 8000 31 – 33 Холоднокатаная 600 - 900 2000 - 35000 9.5 – 14 6.5. Металлические магнитно-твердые материалы. ▲ По составу, состоянию и способу получения магнитно-твердые материалы подразделяются на: 1. легированные стали, закаливаемые на мартенсит; 2. литые магнитно-твердые сплавы; 3. магниты из порошков; 4. магнитно-твердые ферриты; 5. пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты. Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Магнитная проницаемость материалов для постоянных магнитов ниже, чем МММ, причем чем выше коэрцитивная сила, тем меньше магнитная проницаемость. 6.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит. ▲ Данные стали являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Они легируются вольфрамом, хромом, молибденом и кобальтом. Величина Wм для мартенситных сталей составляет 1 –4 кДж/м3. В настоящее время мартенситные стали имеют ограниченное применение из-за невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, т.к. они дешевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках. 6.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы. ▲ Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Al-Ni-Fe, которые раньше называли сплавами альни. При добавлении кобальта или кремния в эти сплавы их магнитные свойства повышаются. Недостатком этих сплавов является трудность изготовления из них изделий точных размеров вследствие хрупкости и твердости их, допускающих обработку только путем шлифовки. 6.5.3. Магниты из порошков. ▲ Необходимость получения особенно мелких изделий со строго выдержанными размерами обусловила привлечение методов порошковой металлургии для получения постоянных магнитов. При этом различают металлокерамические магниты и магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты). 6.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты. ▲ К таким сплавам относятся викаллой, кунифе, кунико и некоторые другие. Основные представления об этих сплавах приведены в таблице 5.2. Таблица 6.2. Марка сплава Хим. Состав %, ост. Fe Вr, Тл Нс, кА/м Wм, КДж/м3 Викаллой I 51-54 Со 10-11.5 V 0.9 24 4 Викаллой II 51-54 Со 11.5-13 V 0.9-0.95 30-28 8-14 Кунифе I 60Cu,20Ni 0.54-0.6 27-28 4-7.4 Кунифе II 50Cu,20Ni 2.5Co 0.73 21 2.8-3.2 Кунико I 50Cu,21Ni, 29Co 0.34 53-57 3.2-4 Кунико II 35Cu,41Co 0.53 36 4 6.6. Ферриты. ▲ Это соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами других металлов: ZnO, NiO. Ферриты изготавливают из порошкообразной смеси оксидов этих металлов. Название ферритов определяется названием одно-, двухвалентного металла, оксид которого входит в состав феррита: Если ZnO – феррит цинка; NiO – феррит никеля. Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе: MgO·Al2O3. Большинство соединений указанного типа, как и природный магнитный железняк FeO·Fe2O3, обладает магнитными свойствами. Однако феррит цинка и феррит кадмия являются немагнитными. Исследования показали, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой этих материалов, и в частности расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода. В случае структуры обычной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Zn++ или Cd++, магнитные свойства отсутствуют. При структуре так называемой обращенной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Fe+++, материал обладает магнитными свойствами. Ферриты, в состав которых кроме оксида железа входит только один оксид, называется простым. Химическая формула простого феррита: MeOxFe2O3 или MeFe2O4 Феррит цинка – ZnFe2O4, феррит никеля– NiFe2O4. Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так CdFe2O4 является немагнитным веществом. Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие твердые растворы одного в другом. В этом случае используются и немагнитные ферриты в сочетании с простыми магнитными ферритами. Общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет следующий вид: mNiO·Fe2O3 + nZnO·Fe2O3 + pFeO·Fe2O3, (6.8) где коэффициенты m, n и p определяют количественные соотношения между компонентами. Процентный состав компонентов играет существенную роль в получении тех или иных магнитных свойств материала. Наиболее широко в РЭА применяют смешанные магнитно-мягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые. Достоинства ферритов – стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи, малый коэффициент затухания магнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей. Недостатки всех ферритов – хрупкость и резко выраженная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий. 6.7. Магнитодиэлектрики. ▲ Это композиционные материалы, состоящие из мелкодисперсных частиц магнитно-мягкого материала, соединенных каким-либо органическим или неорганическим диэлектриком. В качестве мелкодисперсных МММ применяют карбонильное железо, альсиферы и некоторые сорта пермаллоев. В качестве диэлектрика – эпоксидные или бакелитовые смолы, полистирол, жидкое стекло и др. Назначение диэлектриков не только в том, чтобы соединять частицы магнитного материала, но и создать между ними электроизоляционные прослойки и тем самым повысить электрическое сопротивление магнитодиэлектрика. Это резко снижает потери на вихревые токи и дает возможность работать на частотах 10 – 100 МГц (в зависимости от состава). Магнитные характеристики магнитодиэлектриков несколько ниже исходных ферромагнитных наполнителей. Несмотря на это магнитодиэлектрики применяют для изготовления сердечников ВЧ узлов РЭА. Это обусловлено большой стабильностью магнитных характеристик и возможностью изготовления из них сердечников сложной формы. Кроме того, изделия из диэлектриков отличаются высокой чистотой поверхности и точностью размеров. Лучшие магнитодиэлектрики – с наполнителями: молибденовым пермаллоем или карбонильным железом. Примеры решения задач по теме «Магнитные материалы». Задача №1. Определить напряжённость поля старта H0 при заданных параметрах: коэрцитивная сила Hc=3А/м, коэффициент переключения Sф=14·10-6к/м, время переключения τ=14 мкс. напряжённость магнитного поля, соответствующая максимальной магнитной индукции Hm=4 А/м. Дано: Hc=3А/м Sф=14·10-6к/м τ=14 мкс H0 - ? Решение: Исходя из формулы для коэффициента переключения Sф=τ(Hm- H0), найдём H0=Hm- Sф/τ. Зная, что напряжённость магнитного поля, соответствующая максимальной магнитной индукции Hm=[4Hc]/3, получим H0=[4Hc]/3- Sф/τ. Приведём все величины к одинаковым размерным единицам: 14 мкс = 14·10-6с. H0=[4·3]/3-[14·10-6]/ [14·10-6]=3(А/м). Задача №2. Магнитодиэлектрик выполнен из порошков никелево-цинкового феррита и полистирола с объёмным содержанием магнитного материала α=0.1. Определить магнитную μа и диэлектрическую εm проницаемости магнитного наполнителя, при следующих параметрах магнитодиэлектрика: μ=1.821, ε=3.3 и εд=2.5. Дано: α=0.1 μ=1.821 ε=3.3 εд=2.5 μа - ? εm - ? Решение: Зная, что диэлектрическая проницаемость магнитодиэлектрика ε=εmα εд1-α, то Исходя из того, что μ= μаα, найдём μа=. Так как все величины даны в одинаковых размерных единицах, то подставляем числовые значения: μа==400. Вопросы для самоконтроля: 1. Чем обусловлены магнитные свойства материалов? 2. Какой параметр магнитного материала определяется наклоном предельной петли гистерезиса? 3. Что характеризует и как определяется относительная магнитная проницаемость? 4. Как оценить потери энергии в магнитном материале по предельной петле гистерезиса? 5. В постоянном или переменном магнитном поле потери в магнитных материалах выше? Почему? 6. На каком основании магнитные материалы относят к магнитотвердым? 7. На каком основании магнитные материалы относят к магнитномягким? 8. Какие наиболее важные параметры магнитотвердых материалов? Почему? 9. Какие наиболее важные параметры магнитномягких материалов? Почему? 10. Что такое ферриты и в чем их достоинства? 11. В чем проявляется парамагнитный эффект? 12. Как ведет себя парамагнетик в неоднородном магнитном поле? Почему? 13. Что такое диамагнитный эффект? Для каких материалов он характерен? 14. Как ведет себя диамагнетик в неоднородном магнитном поле? Почему? СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Литература основная 1. Пасынкрв В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники: Учебник. 5-е изд.,стер.- СПб.: Издательство «Лань», 2003.- 368с., ил. 2. Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты ч.1; Радиотехнические материалы - Б.М., 1997г. 3. Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты ч.2, Компоненты электронных схем. Характеристики, применение, расчет - Б.М., 1999г. 4. Тихомиров Н.Н., Радиоматериалы и радио компоненты.: Учебное пособие -М., 1999г. Литература дополнительная 1. Голев И.М., радиоматериалы.: Учебное пособие - Воронеж, 1994г - 91с. 2. Хандогин М.С., Учебное пособие по курсу Радиоматериалы, радиокомпоненты и основы микроэлектроники - Минск.: МРТИ, 1991г. - 141с. 3. Свитенко В.Н., Элементы и компоненты РЭУ. Радиоматериалы.: Учебное пособие для специальности Радиотехника - Киев, 1990г. - 93 с. 4. Конструкционные и электротехнические материалы под редакцией В.А. Филипова - М.: Высшая школа,1990г 5. Конструкционные и электротехнические материалы под редакцией В.А. Филипова - М.: Высшая школа,1990г 6. Никулин Н.В., Электроматериаловедение - М.: Высшая школа, 1989г 7. Пасынков В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники - М.: Высшая школа, 1986г 8. Богородицкий Ш.П. и др., Электротехнические материалы - Ленинград : Энергоатомиздат, 1985г 9. Калинин Н.Н и др., Электроматериалы - М.: Высшая школа, 1981г 10. Угай Я.А.. Введение в химию проводников - М.: Высшая школа, 1975г. 11. Электрорадиоматериалы. Под ред. Тареева Б.М. Учебное пособиедля студентов – М.: Высшая школа, 1978г.

Рекомендованные лекции

Смотреть все
Педагогика

Понятие, модели и принципы педагогического дизайна

2.1. Основы педагогического дизайна. Проектирование цифровой образовательной среды 2.1.1. Понятие, модели и принципы педагогического дизайна   Понятие...

Информационные технологии

Создание и использование программных средств учебного назначения и электронных образовательных ресурсов

Конспект лекций к разделу № 2 Раздел 2. Создание и использование программных средств учебного назначения и электронных образовательных ресурсов 2.1. С...

Информационные технологии

Создание и использование программных средств учебного назначения и электронных образовательных ресурсов

Раздел 2. Создание и использование программных средств учебного назначения и электронных образовательных ресурсов 2.1. Современные подходы к проектиро...

Программирование

Архитектура профессиональных компьютерных программ

Тема 2. Архитектура профессиональных компьютерных программ 1. Типовые задачи, решаемые с помощью компьютеров в экономике. 2. Структуризация информации...

Педагогика

Интеграция информационных и образовательных систем

ИНТЕГРАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХСИСТЕМ Оглавление РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ В ИНФОРМАТИЗАЦИЮ ОБРАЗОВАНИЯ 1 Тема 1.1. Что такое информатизация обра...

Журналистика

Интернет и электронные СМИ

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ТИХООКЕАН...

Автор лекции

Е. С. Бабкина

Авторы

Педагогика

Дистанционные дополнительные общеобразовательные программы: проектирование и реализация

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА – ЮГРЫ БУ ВО «СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» В. А. Безуевс...

Автор лекции

Безуевская В. А., Глубокова Е. Н., Смирнова Н. В.

Авторы

Бухгалтерский учет и аудит

Организационно правовые основы бухгалтерского учета. Предмет и метод бухгалтерского учета

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РЯ...

Автор лекции

Евсенкина Ю.М.

Авторы

Информационная безопасность

Информационная безопасность.

Информационная безопасность. Курс лекций. Раздел 1. Информационная безопасность и уровни ее обеспечения .................................................

Библиотечно-информационная деятельность

Общая характеристика и структура справочно-поискового аппарата

Лекция 1. Общая характеристика и структура справочно-поискового аппарата Проблема поиска информации (разработки его теории, методики и инструментария)...

Смотреть все