Радиоматериалы и радиокомпоненты

IID Лекции по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты» 11 2 Лектор – Голов Николай Александрович. Осенний семестр 2015/2016. История развития и классификация материалов электронной техники. Материалы, применяемые в электронной технике:  электротехнические – для обеспечения требуемых электрических и магнитных характеристик изделий радиоэлектронной техники;  конструкционные – предназначены для обеспечения требуемых механических свойств конструкций радиоэлектронной аппаратуры. В зависимости от поведения материалов в электромагнитном поле различают:  сильномагнитные материалы  слабомагнитные материалы По способности проводить ток различают проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводниковые материалы – материалы, основным электрическим свойством которых является хорошее пропускание электрического тока. Полупроводниковые материалы – обладают электрическим сопротивлением от 10 до 10 Ом ∙ м и их электрические свойства в значительной степени зависят от наличия в их структуре примесей и действия внешних факторов: температуры, излучения и других воздействий. Диэлектрики – обладают высоким сопротивлением от 10 Ом ∙ м , предназначены для применения в качестве изолирующих материалов. Запрещённая зона, ∆W, эВ. Отсутствует Узкая (от 0 до 3 эВ) Широкая (свыше 3 эВ) Проводники Полупроводники Диэлектрики В зависимости от своих физических свойств диэлектрики делятся на активные (изменяющие свои свойства под различным внешним (активным) воздействием) и пассивные. 1 11 IID Этапы развития электронной техники. I. 2 Развитие вакуумной электроники. Активные электронные компоненты реализуются на основе электровакуумных приборов, работающих по принципу управляемой термоэлектронной эмиссии. Характеристики вакуумных ламп: значительные размеры, выделяемая мощность, низкий срок службы, ограниченная устойчивость на действие внешних механических факторов. II. Аппаратура на основе дискретных полупроводниковых приборов и пассивных компонентов. Появилась технология печатного монтажа компонентов, и аппаратура стала реализовываться на основе технологии печатных плат. Развитие конструктивной и схемотехнической унификации решений, разработка тепловой ячейки и печатных плат. III. Интегральные схемы низкого уровня интеграции. IV. Развитие технологии больших интегральных схем и микросборок (более 1000 элементов) V. Сверхбольшие интегральные схемы и микропроцессоры. На данном этапе в радиоэлектронных средствах появляются функционально сложные блоки, включающие в случае вычислительной техники миллионы и миллиарды электронных компонентов. Материалы высокой проводимости. С точки зрения применения в радиоэлектронной технике к материалам высокой проводимости относят материалы с удельным сопротивлением не более 0,1 мкОм ∙ м. Наиболее широко в электронной технике применяются медь, алюминий, их сплавы, а также благородные металлы: золото, серебро, платина. Из указанных материалов наиболее широко применяется медь и сплавы на её основе. Медь. Основные преимущества меди: высокая проводимость, теплопроводность, хорошие технологические свойства (достаточная пластичность, удовлетворительная механическая прочность), доступная стоимость, достаточная стойкость к химическим воздействиям. 2 IID 11 Получение меди. Из сульфидной руды на этапе производства осуществляется очистка термическими и химическими методами, а затем медь, предназначенную для электротехнических целей, подвергают очистке электролизом, при этом заготовки из неочищенной меди помещают в водный раствор на удаление от заготовки из чистой электротехнической меди, а после между ними прикладывают постоянное напряжение, происходит растворение в заготовке неочищенной меди и её электролитическое осаждение на катоде, представляющем собой заготовку из очищенной электротехнической меди. Полученную таким образом медь переплавляют в электрических печах для получения изделий требуемого размера. После этого методами механической обработки, в частности, прокатки и протяжки, получают проволоку, ленту или листы из меди требуемого сечения. Медные изделия, полученные в результате механической обработки, обладают большей механической прочностью, чем изделия, ей не подвергаемые; однако при этом они обладают несколько худшими электрическими характеристиками в связи с деформацией структуры кристаллической решётки. Для улучшения электрических характеристик медь подвергается отжигу, т.е. нагреву до высокой температуры с последующим медленным охлаждением; при этом происходит частичное восстановление структуры кристаллической решётки и улучшение электрических свойств. Медь, полученную в результате механической обработки, обозначают МТ (медь твёрдая); в результате отжига – ММ (медь мягкая). Основные марки меди. В зависимости от содержания примесей: 2 МООк 99,99% МОк 99,97% М1к 99,95% М2к 99,93% В соответствии с ГОСТ указывается допустимое содержание примесей различных посторонних материалов: висмута, селена, хрома, марганца, мышьяка, фосфора, кадмия, свинца, серы, олова, никеля, железа. Отдельно – допустимое содержание кислорода. Присутствие в меди даже небольшого числа примесей приводит к резкому уменьшению электрических свойств; в частности, присутствие фосфора, мышьяка, кремния может ухудшить электрические свойства меди, снизить электропроводность до 50%. В случае наличия в составе меди значительного количества кислорода он может вступать в реакцию с водородом, в микропорах меди образуется водяной пар, 3 IID 11 что ведёт к растрескиванию материала и повышенной хрупкости (явление водородной болезни). + →2 + 2 Медь применяется для производства токоведущих элементов в различных изделиях электрической и электронной техники. Из меди изготавливают провода, кабели, токоведущие детали печатных плат, детали электровакуумных приборов, элементы волноводной техники, электрические соединения и электроды различных электронных приборов. Также в ряде случаев – теплоотводящие элементы. Недостатки меди: значительная стоимость, способность окисления при высоких температурах, недостаточная механическая прочность. Сопротивление ≈ 0,017 мкОм ∙ м. Алюминий. Второй по распространённости проводящий материал после меди, по сравнению с которой он имеет большее удельное сопротивление, меньшую плотность, меньшую механическую прочность и теплопроводность. Удельное сопротивление ≈ 0,028 мкОм ∙ м, плотность алюминия более чем в 3 раза меньше плотности меди. Алюминий применяется в случае повышенных требований к массогабаритным параметрам изделий. Марки алюминия. В зависимости от степени химической чистоты различают алюминий высокой чистоты и алюминий технической чистоты. Алюминий высокой чистоты: А995, А99, А98, А95. Алюминий технической чистоты: А85, А8, А7, А7Е, А7Э, А6, А5Е, А5, А35, А0. ГОСТом определяется содержание железа, меди, марганца, магния, цинка, галлия, титана и др. Цифры в обозначении марки указывают полное содержание алюминия. Алюминий АЕ – электротехнический материал. Механическая обработка алюминия производится аналогично производству меди. 4 IID 11 Одной из особенностей, ограничивающих применение алюминия, является склонность к быстрому окислению с образованием на поверхности тонкой оксидной плёнки, обладающей высоким электрическим сопротивлением. Это затрудняет применение деталей из алюминия в качестве контактных материалов, а также затрудняет процесс пайки. Оксидная плёнка механически прочна, в ряде случаев может использоваться в качестве изолирующего покрытия. 2 Применение: провода, кабели, обкладки конденсаторов, внутренние соединения в интегральных схемах. Сплавы применяют в качестве конструкционных материалов. Алюминий дешевле меди. Благородные металлы. Наиболее широкое применение нашли серебро и золото и их сплавы. Серебро. Серебро обладает наилучшей электрической проводимостью, высокой теплопроводностью, теплоёмкостью, применяется в качестве контактного материала, при нанесении токоведущих покрытий, производстве конденсаторов, формировании обкладок в виде тонких плёнок, наносимых на диэлектрическую поверхность. Минусы: высокая стоимость, недостаточная химическая стойкость. Сплавы с различными металлами применяют для изготовления контактов. Марки серебра.  Ср999,9 – чистое серебро  Ср999   Серебряно-медные сплавы: СрМ970 (97% серебра, 3% меди +примеси) СрМ500   Серебряно-платиновые сплавы: СрПл-4 (4% платины) СрПл-12   Серебряно-паладиевые сплавы: СрПд20 СрПд30 5 11 IID  Серебряно-паладиево-медные сплавы: СрПдМ 30-20 2 Области применения сплавов: изготовление из Ср, СрМ электротехнических контактов и проводников, из СрПл, СрПд – разрывных электрических контактов и скользящих электрических контактов. Золото. Преимущества: высокая химическая стойкость, высокая пластичность, хорошая электропроводность. Недостатки: высокая стоимость, ограниченная механическая прочность. Применение: контактный материал, защита от коррозии в элементах СВЧ техники (волноводы, резонаторы), покрытие контактов интегральных схем. Сплавы:  ЗлСр99-1  ЗлСр75-25  ЗлСрМ98-1,5  ЗлСрМ90-4  ЗлСрМ50-10  ЗлМ98  ЗлМ90  ЗлН95  ЗлПл98-2  ЗлПл95-5  ЗлПд84-16 Применение сплавов: чистое золото – проводники; ЗлСрМ, ЗлСр – электрические проводники и контакты, ЗлПл и ЗлН – скользящие контакты, припои, ЗлПдПл – термоэлектрические элементы. Припои. Припои – сплавы металлов, предназначенные для электрического и механического соединения радиоэлектронных элементов в процессе пайки. Требования к припоям: низкое электрическое соединение, температура плавления ниже, чем у спаиваемых материалов, достаточная механическая прочность, коэффициент линейного теплового расширения близкий к коэффициенту линейного теплового расширения спаиваемых материалов. 6 IID 11 Условное деление припоев:  твёрдые: плавл > 300℃, большая механическая прочность: 100-500 МПа. Это медно-цинковые, медно-серебряные припои и припои на основе алюминия.  мягкие: плавл < 300℃, механическая прочность: менее 100 МПа. Это оловянно-свинцовые припои, с добавками сурьмы, кадмия, сплавы олова с цинком, кадмием, висмутом. 2 Марки мягких припоев:  ПОССу61-05 – припой оловянно-свинцовый с сурьмой (61% олова, 5% сурьмы)  ПОССу40-2  ПОССр-15 (15% олова, плавл = 280℃ )  ПОС-10 ( плавл = 300℃)  ПОС-40 ( плавл = 240℃)  ПОС-90 ( плавл = 220℃)  ПОСК-50-18 – оловянно-свинцовый с кадмием ( плавл = 145℃)  ПОСВ-33 – оловянно-свинцовый с висмутом (все элементы по 33%)  П3000 (60% – цинк, 40% – кадмий)  АВИА1 (олово – 55%, кадмий – 20%, цинк – 25%, плавл = 200℃ )  АВИА2 (олово – 40%, кадмий – 20%, цинк – 25%, алюминий – 15%, плавл = 250℃ )  Сплав Вуда (олово – 12,5%, свинец – 25%, висмут – 50%, кадмий – 12,5%, плавл = 60℃ )         Марки твёрдых припоев: ПСр-72 (72% – серебро, 28% – медь, плавл = 780℃ ) ПСр-70 (70% – серебро, 26% меди, 4% цинка, плавл = 800℃ ) ПСр-45 (45% – серебро, 30% – медь, 25% – цинк, плавл = 720℃ ) ПСр-10 (10% – серебро, 53% – медь, 37% – цинк, плавл = 830℃ ) ПМЦ-36 (36% – медь, 64% – цинк, плавл = 825℃ ) ПМЦ-47 (47% – медь, 53% – цинк, плавл = 850℃ ) ВЭИ (1,5% – серебро, 55% – олово, 43,5% – цинк, плавл = 500℃ ) МФ-1 (10% фосфора, 90% меди, плавл = 800℃ ) Особенности применения: мягкие припои применяют для монтажной пайки, монтажа радиоэлектронных компонентов; удельное электрическое сопротивление ≈ 0,12 − 0,19 мкОм ∙ м. Лужение и пайка токоведущих элементов и создание герметичных швов. 7 11 IID 2 ПОС – пайка меди, бронзы и латуни П3000, АВИА 1, 2 – пайка алюминия, ПОСК и ПОСВ – пайка легкоплавких материалов. Сплав Вуда – пайка термочувствительных элементов. Твёрдые припои применяются для обеспечения высокой механической прочности спаиваемых соединений. ПСр – пайка изделий из меди, латуни и бронзы, не применяется для пайки алюминиевых сплавов. Такие паяльные соединения обладают высокой механической прочностью и коррозионной устойчивостью, имеют высокую проводимость. ПМЦ – пайка изделий из стали, меди, бронзы; недостаток – хрупкость швов. ВЭИ – пайка деталей из латуни и железа. Флюсы. Флюсы – вспомогательные вещества, применяемые при пайке, не относящиеся к проводящим материалам, которые предназначены для очистки поверхности спаиваемых материалов от загрязнений и окислов, а также защиты от окисления во время пайки. Применяются в твёрдом, порошкообразном и жидком состоянии.     Группы флюсов: Кислотные Бескислотные Активированные Антикоррозийные Бескислотные флюсы применяются при монтаже радиоэлектронных компонентов оловянно-свинцовыми припоями и не вызывают коррозии швов. Бескислотные флюсы.  Канифоль светлая – применяется для пайки изделий из меди и монтажа электронных компонентов.  КЭ (спиртоканифольный флюс). Состав: канифоль (10-40%) со спиртом. Применяется для пайки проводниковых изделий из меди и её сплавов, а также для монтажа электронных компонентов.  ГК: 6% канифоли, 14% глицерина, остальное – спирт. 8 IID 11 Активированные флюсы.  ЛТИ-1: 22% канифоли, 6% – анилин соляно-кислый, 2% – триэтаноламин, остальное – спирт. Пайка меди, нержавеющей стали, хрома, никеля, серебра.  ЛТИ-120: 25% канифоли, 5% – диэтиламин соляно-кислый, 1% – триэтаноламин, остальное – спирт. 2 После пайки с применением канифоли обязательна промывка спиртом, при пайке с ЛТИ – необязательна. Антикоррозийные флюсы.  ВТС: 63% вазелина, 6,5% – триэтаноламин, 6,3% – салициловая кислота, 24% – этиловый спирт.  КС: канифоль 24%, 1% – стеарин, остальное – спирт. Пайка меди, константана, серебра.  ФИМ: 16% – ортофосфорная кислота, 4% – спирт, остальное – дистиллированная вода. Применяется пи работе с чёрными металлами.  ФА: 1,75% – соляно-кислый анилин, 1,5% – глицерин, остальное – канифоль.  ФВ-3: 8% – натрий фтористый, 16% – цинк хлористый, 36% – литий хлористый, 40% – калий хлористый. Пайка алюминия и его сплавов цинковыми, алюминиевыми припоями.  ФТКА: 10% – фторобарат кадмия, 8% – фторобарат аммония, 82% – триэтаноламин. Пайка меди, алюминия, алюминиевых сплавов, спайка медных и алюминиевых проводов.  АФ-44: 50% – калий хлористый, 28% – натрий хлористый, 14% – литий хлористый, 8% – натрий фтористый. Применяется при сварке. Пайка алюминия и его сплавов припоями АВИА 1,2. Активные флюсы.  КЭЦ: 24% – канифоль, 1% – хлористый цинк, остальное – спирт. Пайка изделий из цветных и драгоценных металлов.  ФП: 16% – канифоль, 4% – хлористый цинк, остальное – технический вазелин. Пайка цветных и драгоценных металлов.  ЦСК: 25-30% – фтористый цинк, 1,5% – соляная кислота, остальное – вода. Пайка цветных металлов. 9 IID 11 Проводящие материалы из сплавов высокого сопротивления и материалы для термопар. 2 Сплавы высокого сопротивления – материалы с удельным сопротивлением > 0,3 мкОм ∙ м. Применение: создание резисторов, измерительных приборов, электронагревательных элементов, резистивных элементов интегральных схем. Основные сплавы высокого сопротивления:  манганин: 86% меди, 12% марганца, 2% никеля, удельное сопротивление > 1,43 − 1,48 мкОм ∙ м, рабочая температура – до 200℃, создание электроизмерительных приборов и различных проводов.  константан: 60% меди, 40% никеля, удельное сопротивление 0,48 − 0,52 мкОм ∙ м, рабочая температура до 500℃ , создание электронагревательных элементов и реостатов.  Х15Н60: 55-61% никеля, ≈ 15% хрома, 1,5% марганца, остальное – железо, удельное сопротивление 1 − 1,2 мкОм ∙ м, рабочая температура > 1000℃. Применение: изготовление электронагревательных элементов, паяльников, в качестве резистивных элементов, изготовленных по тонкоплёночной технологии.  Х20Н80: 75-88% никеля, 20-23% хрома, 1,5% марганца, остальное – железо, удельное сопротивление ≈ 1 мкОм ∙ м, рабочая температура до 1100℃. Сплавы для термопар. Термопары – устройства, состоящие из двух различных металлов, при соединении которых в случае наличия разности температур между двумя спаями возникает разность потенциалов. Для создания термопаров применяются широко следующие сплавы:  Копель: 56% меди, остальное – никель – 44%.  Хромель: 90% никеля, остальное – хром.  Алюмель: 95% никеля, остальное – алюминий с примесями кремния и марганца.  Платинородий: 90% платины, 10% – родий. 10 11 IID Температурный диапазон применения: 2 1 – хромель-копель 2 – железо-копель 3 – хромель-алюмель 4 – платинородий-платина. Металлы и сплавы различного назначения с повышенным значением удельного сопротивления. I группа. Тугоплавкие металлы (t плавл > 1700℃) Вольфрам, молибден, хром, тантал. Вольфрам. Изготовление элементов, предназначенных для эксплуатации при крайне высоких температурах. Из него изготавливают элементы приборов электровакуумной техники, включая нагревательные элементы, сети, катоды электрических ламп. Вольфрам характеризуется наименьшим коэффициентом теплового расширения среди всех чистых металлов. Это позволяет использовать его для создания термически согласованных контактов с высокотемпературными стёклами. ВА – с добавками алюминия и кремния ВТ – с добавками тория 11 IID 11 Молибден. Среди всех чистых металлов обладает наименьшим электрическим сопротивлением; высокая прочность, хорошая пластичность, применяется для изготовления электровакуумных элементов сложной конфигурации, элементов электровакуумных ламп, термически согласованных выводов в электровакуумных лампах, нагревательных элементов. 2 МЧ – молибден чистый МК – молибден с присадкой кремния Тантал. Тантал применяется для изготовления анодов и сеток генераторных ламп, катодов электровакуумных приборов, характеризуется способностью поглощать газы при высоких температурах и сохранением пластичности при нагреве. Оксид тантала /0 применяется в качестве диэлектрического материала при производстве конденсаторов. Благодаря высокой диэлектрической проницаемости на основе тантала могут изготавливаться конденсаторы высокой проводимости. Также его применяют при изготовлении тонкоплёночных резисторов. Хром. Хром характеризуется высокой химической устойчивостью, применяется для создания защитных покрытий, изготовления тонкоплёночных резисторов, изготовления адгезионных слоёв при формировании токоведущих соединений в интегральных схемах. II группа. Железо. Сравнительная дешевизна и доступность, удельное сопротивление 0,1 − 0,2 мкОм ∙ м, хорошие механические характеристики, высокая магнитная проницаемость. Изготавливают электротехнические стали, предназначенные для применения в качестве сердечников трансформаторов, а также различных конструкционных элементов. Неметаллические проводящие материалы. Углеродистые материалы и композиционные проводящие материалы. 12 IID 11 Углерод. Углерод используется в различных модификациях, из которых наиболее широко применяется графит. Графит характеризуется хорошей проводимостью, химической инертностью, хорошо подвергается механической обработке, имеет высокую теплопроводность, применяется для создания электропроводящих элементов, термонагревательных элементов, а также для создания технологического оборудования для создания полупроводниковых материалов. 2 Композиционные материалы. Композиционные материалы – смесь диэлектрической основы и наполнителя из проводящего материала; в зависимости от состава композиционные материалы могут обладать различными электрическими свойствами.  Контактолы: применяются в качестве различных токопроводящих клеев, эмалей, красок. Диэлектрическая основа – синтетические смолы, проводящий элемент – порошки проводящих материалов: серебра, никеля, палладия. Могут применяться для электрического соединения металлов, формирования электродов на диэлектриках, при экранировании.  Керметы – металло-диэлектрические композиционные материалы, в которых в качестве основы используются диэлектрические неорганические вещества. Изготовление тонкоплёночных резисторов, наиболее широко применяется композиция на основе хрома и 12 . Полупроводниковые материалы. Разделяют на органические и неорганические, неорганические: кристаллические и аморфные материалы. Кристаллические: как простые полупроводниковые вещества, так и различные химические соединения. Простые полупроводники: бор, углерод, кремний, германий, мышьяк, сурьма, сера, йод, теллур. Наиболее широко применяются кремний и германий. 13 IID 11 Германий. Сравнительно редко распространённый элемент, практически не встречается в природе в чистом виде. В настоящее время его получают как побочный продукт производств. Чистый германий получают из тетрахлорида германия, который после физической и химической очистки путём гидролиза переводят в двуокись германия. Из оксида получают чистый германий путём восстановления в атмосфере углерода (в горячих печах при 1500℃ ), одновременно происходит плавка порошка германия и формирование поликристаллических слитков. Из них после очистки методом зонной плавки происходит выращивание монокристаллических слитков для последующего использования для изготовления полупроводниковых приборов. 2 34 56 + 2 34 → 34 + +4 5 → 34 + Физико-химические свойства: ширина запрещённой зоны 0,75 эВ, пл = 930℃, высокая механическая твёрдость, при этом германий достаточно хрупок. Основные технологии производства германия и полупроводниковых приборов на его основе. Для производства полупроводниковых приборов преимущественно применяют материалы с монокристаллической структурой. Основные этапы производства германия, предназначенных для применения в полупроводниковых приборах: очистка поликристаллов методом зонной плавки, выращивание монокристаллов методом вытягивания из расплава. Схема установки для очистки поликристаллов германия методом зонной плавки. 14 11 IID 2 1 – кварцевая труба 2 – графитный тигель 3 – заготовка из поликристаллического материала 4 – расплавленная зона 5 – высокочастотный кольцевой нагревательный элемент Нагревательными элементами в поликристаллическом слитке германия формируются расплавленные зоны. При перемещении тигля происходит движение расплавленных областей к краям слитка, содержащиеся в структуре поликристалла примеси вытесняются к его краям. Процесс повторяется несколько раз. После очистки загрязнённые торцевые части кристалла очищаются, а полученные очищенные материалы используются в качестве сырья для выращивания монокристаллов методом вытягивания из расплава (метод Чохральского). Схема установки для выращивания монокристаллов методом вытягивания из расплава. 1 – корпус рабочей камеры 2 – смотровое окно 3 – нагревательные элементы 4 – графитовый тигель 5 – кварцевый вкладыш 6 – затравка из монокристаллического германия 15 11 IID 2 7 – выращиваемый монокристалл 8 – расплавленный поликристаллический германий 9 – ось вращения затравки 10 – теплоизолирующий экран 11 – ось вращения тигля Формируется температурный профиль, при котором в нижней части рабочей камеры температура превышает температуру плавления. На уровне расплавленного германия температура близка к температуре плавления. В расплавленный материал во вращающемся тигле опускается затравка из монокристаллического германия, затем она поднимается, увлекая за собой расплавленный материал за счёт силы поверхностного натяжения. При этом кристалл застывает, повторяя кристаллическую решётку затравки. Таким образом, формируется монокристалл германия. Скорость выращивания монокристаллов составляет примерно 10 м/c, диаметр выращиваемых слитков в зависимости от размера затравки и температуры расплава может составлять свыше 10 см. Процесс выращивания монокристаллов также сопровождается внесением заданных добавок для формирования заданного типа проводимости (p и n). Процесс внесения добавок для формирования заданного типа проводимости – легирование. Для формирования монокристаллов германия с проводимостью n-типа в расплав добавляют сурьму, p-типа – галлий. Соответственно получаемые таким образом монокристаллы германия обозначаются индексами ГЭС и ГДГ. Далее приводится числовой индекс, характеризующий удельное сопротивление. Применение германия: создание различных типов полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов), приборов оптоэлектроники, изготовление магниточувствительных приборов (датчики Холла), изготовление оптических элементов. Кремний. В настоящий момент кремний является основным полупроводниковым материалом в электронной технике. Сырьё для производства полупроводникового кремния гораздо доступнее, чем исходные материалы для производства германия. В настоящее время технология производства кремния и полупроводниковых приборов на его основе отработана практически идеально. После разработки эффективных методов очистки кремний почти вытеснил германия из массового сегмента производства электроники. 16 11 IID Основная масса элементной базы для бытовых электронновычислительных устройств выпускается по кремниевой технологии. 2 Производство полупроводникового элемента. Для производства кремния полупроводниковой чистоты исходное сырьё подвергают следующим этапам обработки: 1). Перевод исходного кремния, восстановленного и оксидов летучего соединения: 12 + 3 5 ↔ 12 58 + 2). Затем – очистка этого соединения физическими и химическими методами, восстановление с выделением чистого кремния и кристаллизационная очистка, выращивание монокристаллов. Схема установки для выращивания поликристаллического кремния путём восстановления из хлорсилана. 1 – камера смесителя-испарителя 2 – дозатор 3 – раствор хлорсилана 4 – электронагревательный элемент 5 – кремниевые стержни затравки 6 – корпус восстановительной камеры Пары трихлорсилана при помощи потока водорода поставляются в камеру восстановления. В ней расположены затравки из чистого кремния, через которые идёт ток, благодаря чему они нагреваются до температуры в 1200℃ . При этом на этих стержнях происходит осаждение чистого кремния. Так получают заготовки из поликристаллического кремния требуемого диаметра. В дальнейшем монокристаллы кремния получают как методом бестигельной зонной плавки, так и вытягиванием из расплава. 17 11 IID Метод бестигельной зонной плавки. 2 1 – монокристалл кремния 2 – расплавленная зона 3 – высокочастотный нагревательный элемент 4 – поликристалл кремния Формирование монокристалла кремния методом бестигельной зонной плавки происходит путём последовательного перемещения расплавленной зоны с нижней части поликристаллического слитка к верхней, при этом происходит вытеснение вверх и испарение примесей, загрязнений и формирование в нижней части монокристаллов. Процесс бестигельной зонной плавки проводится в вакууме или в среде защитных газов. Преимущество данного метода – более высокое качество очистки в связи с отсутствием контакта с материалом тигеля. В случае необходимости в легировании кремния монокристаллы выращиваются методом Чохральскогос применением в качестве легирующих добавок фосфора или бора. Для получения кремния с проводимостью n-типа проводится добавка фосфора (КЭФ), с проводимостью p-типа – легирование бора (КДБ). Числовой индекс показывает удельное сопротивление. Также возможно легирование кремния сурьмой. Параметры изготавливаемых слитков монокристаллического кремния для последующего применения при изготовлении полупроводниковых приборов должны соответствовать требованиям ГОСТ в части химической чистоты, характере изменения электрического сопротивления по объёму монокристалла, геометрических параметров. 18 IID 11 Изготавливаемые слитки монокристаллического кремния далее отрезаются на тонкие дисковые пластины, на которых далее так называемым методом эпитаксии формируются полупроводниковые структуры требуемого типа. Эпитаксией в электронной технике называется выращивание слоя кристаллического вещества на поверхности другого вещества – подложки. Эпитаксия может проводиться как из жидкой, так и из газовой фазы. Подложки, предназначенные для эпитаксиального наращивания, предварительно подвергаются тщательной очистке, полировке, как правило, методами групповой обработки. 2 Схема для эпитаксиального выращивания. 1 – корпус реактора 2 – полупроводниковые подложки 3 – графитовая подставка 4 – высокочастотный индуктор 12 56 + ↔ 12 + 4 5. Эпитаксия протекает при температуре ≈ 1500℃ , в качестве подложек применяются пластины из монокристаллического кремния, которые размещаются на графитовой пластине. Сначала проводится процесс очистки поверхности парами соляной кислоты для получения чистой неокисленной поверхности полупроводника. Далее происходит прокачка тетрахлорида кремния потоком водорода, в результате чего на поверхности подложки 19 IID 11 осаждается слой чистого кремния. Скорость роста при этом составляет 10-20 нм/с. Таким способом могут формироваться эпитаксиальные слои от нескольких единиц до десятков нанометров. Для легирования при эпитаксии выводятся пары легированных соединений: 9 58 , ::;8 , <= 8 . В ряде случаев для производства интегральных микросхем, предназначенных для применения в специальных условиях, в качестве материала подложек могут использоваться монокристаллические диэлектрические материалы: сапфир, оксид бериллия или кварц. 2 Применение диэлектрических подложек позволяет улучшить изоляцию между отдельными элементами микросхемы, а также повысить устойчивость к действию внешних факторов. В частности, применение технологии кремния на сапфире позволяет создавать элементы, обладающие повышенной устойчивостью к действию радиации. Сравнительные параметры кремния и германия. Параметр Коэффициент линейного теплового расширения, >? , @ A Кремний 4 ∙ 10 B Германий 6 ∙ 10 8 80 55 Температура плавления, /пл , ℃ 1400 930 Ширина запрещённой зоны, ∆W, эВ (при 0 К) Подвижность: м IJ , В∙с м IL , В∙с 1,165 0,745 0,14 0,05 0,39 0,19 Диэлектрическая проницаемость M 12,5 16 Теплопроводность, C D , Вт м∙К Карбид кремния 12 – единственный полупроводник, который состоит из элементов четвёртой группы. Технический SiC изготавливают в электрических печах путём восстановления углеродом из оксида: 12 +3 20 → 12 + 2 . IID 11 Карбид кремния характеризуется наличием различных прототипов, отличающихся структурой кристаллической решётки и электрическими параметрами. В зависимости от политипа ширина запрещённой зоны может составлять от 2,4 до 3,3 эВ. SiC обладает преимущественно примесной электропроводностью, при этом собственная электропроводность наблюдается при > 1000℃. Характерная особенность – способность к люминисценции. На основе карбида кремния могут создаваться светодиоды различного светового диапазона; в зависимости от типа примесей длина излучения может составлять от 500 до 700 нм. 2 Кроме светодиодов, карбид кремния применяется для создания мощных и высокочастотных транзисторов, термисторов, варисторов, СВЧ диодов. Полупроводниковые соединения типа NOOO PQ . Это бинарные полупроводниковые соединения, образующиеся в результате взаимодействия элементов 3-й группы, в частности, бора, алюминия, галлия или индия, и элементов 5-й группы, в частности, азота, мышьяка, фосфора и сурьмы. Соединения 400℃ происходит выделение ядовитого газа фтора. Удельное сопротивление 10A6 − 10AB Ом ∙ м , диэлектрическая проницаемость 1,9-2,2, электрическая прочность примерно 250 мВ/м, нагревостойкость до 300℃, тангенс угла тепловых потерь [_ = 0,0002 − 0,0003. Применение линейных неполярных полимеров. Полистирол и фторопласт в виде тонких плёнок применяется при изготовлении конденсаторов. Фторопласт: изготовление композиционных диэлектрических материалов, в то числе применяемых для изготовления печатных плат. 27 11 IID 2 Полиэтилен: изготовление изоляции кабелей, в качестве технологического материала при изготовлении различных химических установок. Полярные полимеры. Полимеры с асимметричным строением молекул, поэтому имеющие выраженную дипольно-релаксационную поляризацию. По сравнению с неполярными, характеризуются бОльшим значением диэлектрической проницаемости, большей величиной потерь. Полярные полимеры: поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат, полиамидные смолы. Поливинилхлорид. Получают путём полимеризации винилхлорида и имеет следующую структурную формулу: ] 8 5^J . Молекулы поливинилхлорида обладают сильными полярными межмолекулярными связями, поэтому материал является жёстким и негибким. Для улучшения эластичности материала в его состав вводят специальные добавки – пластификаторы, благодаря чему поливинилхлорид (ПВХ) приобретает гибкость и эластичность. Полиэтилентерефталат (лавсан). Структурная формула: ] 6 ^J . Aa Его получают из этиленгликоля и терефталевой кислоты. Применяется для изготовления тонких плёнок, характеризуется высокой электрической прочностью, хорошей механической прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, достаточно хорошей рабочей температурой. 28 11 IID Полиметилметакрилат (органическое стекло). 2 Применяется в качестве конструкционного материала; обладает высокой механической прочностью и оптической прозрачностью. Структурная формула: ] ( 8 )( 8 )^J . В целом полярные полимеры характеризуются значениями диэлектрической проницаемости от 3 до 6, удельным сопротивлением от 10AA до 10A6 Ом ∙ м и тангенсом угла диэлектрических потерь – несколько сотых. По сравнению с линейными неполярными полимерами, полярные обладают бОльшими потерями, поэтому применяются на более низких частотах. ПВХ: изготовление изоляции проводов и кабелей, а также из непластифицированного ПВХ изготавливают элементы для работы в агрессивных химических средах. Лавсановые плёнки: изготовление конденсаторов, изоляция обмоток трансформаторов с помощью кассетной плёнки. Композиционные пластмассы и слоистые пластики. Композиционные пластмассы состоят из связующего вещества, в качестве которого применяются различные искусственные смолы, и наполнителей, в качестве которых применяются мелкодисперсные органические и неорганические материалы, а также волокна: кварцевый песок, стекловолокно. Введение в состав пластмасс позволяет улучшить механические свойства материала, в ряде случаев – добиться улучшения диэлектрических свойств. В качестве связующих материалов используют фенолформальдегидные, крезоло-формальдегидные, анилиноформальдегидные, карбамидо-формальдегидные, фурфурольные, кремнийорганические смолы. Фенолформальдегидные смолы получают путём нагревания водного раствора фенола и формальдегида в присутствии катализатора. В результате реакции поликонденсации образуется синтетическая смола. Получаемые таким образом смолы могут быть как термопластичными, так и термореактивными. Наиболее широко используется термореактивная смола бакелит. Такая смола обладает высокой электрической прочностью, удельное 29 IID 11 сопротивление 10AA Ом ∙ м , диэлектрическая проницаемость примерно 4,5, тангенс угла диэлектрических потерь [_ ≈ 0,01. 2 Слоистые пластики. Слоистые пластики – материалы, изготавливаемые путём прессования листов волокнистых материалов, пропитанных различными смолами, для обеспечения требуемых электрических свойств и однородности структуры. Гетинакс, текстолит, стеклотекстолит и ряд наполненных материалов, т.е. таких слоистых пластиков, в состав связующего вещества которых вводят специальные наполнители. Гетинакс изготавливают методом горячего прессования бумаги, пропитанной фенолформальдегидной смолой. Пачку пропитанной бумаги помещают в гидравлический пресс и прессуют при = 150℃ и давлении около 10МПа. Смола сначала размягчается, заполняет поры в материале, а затем затвердевает. При этом образуется прочный монолитный материал. Гетинакс характеризуется значительной электрической прочностью ≈ 30 мВ м , диэлектрической проницаемостью примерно 6-7 и тангенсом угла диэлектрических потерь в несколько сотых. По аналогичной технологии изготавливают текстолит и стеклотекстолит. При этом в качестве волокнистого материал используют хлопчатобумажную ткань или стеклоткань. Электроизоляционные компаунды. Электроизоляционные компаунды – диэлектрические вещества, состоящие из смеси различных изоляционных веществ, в частности, смол, битумов и др., которые переводят в жидкое состояние, осуществляют заливку или пропитку радиоэлектронной аппаратуры или радиотехнических материалов с последующим их затвердеванием. Аналогично пластмассам, компаунды делятся на термопластичные и термореактивные. 30 IID 11 Термопластичные компаунды – после полного затвердевания путём нагрева могут быть переведены в жидкое состояние (битумные компаунды, представляющие собой смесь углеводородов, полученных как продукт нефтепереработки). 2 Термореактивные компаунды – затвердевают в результате необратимых термохимических реакций и после их заливки извлечение практически невозможно (компаунды на основе кремнийорганических, полиэфирных и эпоксидных смол). Компаунды по назначению:  пропиточные (пропитка различных электроизоляционных материалов, улучшение их электрических и механических свойств)  заливочные (заливка радиоэлектронной аппаратуры, улучшение электроизоляции, герметизации, теплоотвода и повышение механической прочности) В радиоэлектронике наиболее широко применяется эпоксидная смола. Неорганические стёкла. Стёкла – неорганические квазиаморфные твёрдые вещества, в структуре которых присутствует ближний порядок расположения молекул и отсутствует дальний, т.е. в отличие от монокристаллических материалов упорядоченная структура наблюдается на сравнительно небольших расстояниях и не воспроизводится по всему объёму.    По химическому свойству: элементарные халькогенидные оксидные В качестве диэлектрических материалов преимущественно применяют оксидные стёкла. Оксиды 12 ,: 8 , 34 ,9 . Наиболее широкое распространение имеет силикатное стекло, т.е. на основе оксидной плёнки. 31 11 IID 2           Сырьё для изготовления стёкол: 12 U0 8 – сода b 8 – поташ 0 8 – известняк 0 8 × d[ 8 – доломит U0 1 6 U0 :6 e – бура 8: 8 9\8 6 – сурик <5 8 ∙ 612 ∙ b – полевой шпат Полученное сырьё измельчают, смешивают, помещают в стекловаренную печь, при нагревании происходит плавление, выделение летучих соединений. Образуется однородная стекломасса, из которой потом изготавливают изделия определённой формы. Применяется центробежное литьё, формовка, прессование, выдувка. Изготовленные стеклянные изделия для устранения механических повреждений подвергают обжигу. По химическому составу силикатные стёкла делятся на 3 группы: 1). Бесщелочные стёкла, в которых отсутствуют оксиды натрия и калия (кварцевое стекло). Высокая нагревостойкость, хорошие электрические свойства, но затруднено производство деталей плотной геометрической формы. 2). Щелочные стёкла без тяжёлых окислов (натриевые стёкла, калиевые, калиево-натриевые) Большинство обычных стёкол обладают пониженной нагревостойкостью, худшими электрическими свойствами, лучшей технологичностью по сравнению с бесщелочными стёклами. 3). Щелочные стёкла с высоким содержанием тяжёлых окислов: Силикатно-свинцовые и бариевые стёкла: хорошая технологичность, электрические свойства близкие к свойствам стёкол первой группы, высокая химическая устойчивость к действиям кислот. Кварцевое стекло из 12 обладает рядом выдающихся характеристик: температурный коэффициент линейного расширения – в 10 раз меньше, чем у остальных стёкол и один из самых малых вообще. Предел прочности на сжатие 200 МПа, высокая механическая прочность и предельно малый 32 IID 11 коэффициент теплового расширения позволяют использовать кварцевое стекло даже при резких перепадах температуры. Высокая нагревостойкость и химическая инертность позволяют использовать его в различных технологических установках, для изготовления оптических элементов, баллонов электровакуумных ламп. Хорошие электрические свойства. Диэлектрическая проницаемость 3,8, удельное сопротивление 10AB Ом ∙ м , тангенс угла диэлектрических потерь [_ ≈ 10 6 . 2 Классификация стёкол по техническому назначению. 1). Электровакуумные стёкла (баллоны электровакуумных ламп, различные конструкционные элементы). Повышенные требования по температурной устойчивости, механической прочности и значению температурного коэффициента линейного расширения. Т.к. электровакуумные приборы в процессе работы сильно нагреваются, стёкла должны быть согласованы с находящимися с ними в контакте металлами. В зависимости от того, с каким металлом предполагается соединение стёкол, различают платиновые, молибденовые и вольфрамовые стёкла. Температурный коэффициент линейного расширения: >f = ]85 … 92^ ∙ 10 eA К – платина; >f = ]46 … 52^ ∙ 10 eA К – молибден; >f = ]35 … 42^ ∙ 10 eA К – вольфрам. По химическому составу электровакуумные стёкла относятся к группе боросиликатных и алюмосиликатных стёкол. 2). Изоляторные стёкла (изоляционные элементы, герметичные вводы в металлических корпусах, в качестве изолирующего подложечного материала) 3). Лазерные стёкла (создание рабочего тела в твёрдотельных лазерах, изготовление цилиндрических стержней, в состав которых вводятся активирующие ионы). Одним из основных лазерных стёкол является баритовый крон, активированный ионами неодима (UZ8h ). :0 − b − 12 33 IID 11 По сравнению с монокристаллическими материалами, применение стёкол в качестве рабочего тела в лазерах обладает рядом преимуществ: возможность изготовления достаточно однородных стержней большого размера, сравнительно невысокая стоимость, возможность внедрения большого числа активирующих добавок. Минусы: сравнительно низкая теплопроводность, отсутствие дальнего порядка в структуре, что ведёт к расширению спектра получаемого сигнала. 2 4). Стекловолокно и светодиоды. Изготовление достаточно тонких нитей, из которых затем изготавливаются световоды. Высокая механическая прочность нитей из стекла, химическая устойчивость, влагоустойчивость, хорошие электрические свойства. Стеклоткань: изготовление слоистых пластиков, изготовление конструкционных элементов, стекловолокна (применяются алюмосиликатные, бесщелочные и малощелочные алюмоборосиликатные стёкла). Из стекла изготавливают тонкие волокна, которые могут быть использованы для передачи оптического сигнала. Толщина примерно 10 мкм. По сравнению с линиями связи на основе электрических проводников оптоволокно характеризуется меньшими потерями, лучшей помехозащищённостью, большей пропускной способностью каналов связи. Ситаллы. Ситаллы – стеклокристаллические материалы, получаемые стимулированием кристаллизации стёкол. В состав стёкол вводятся специальные вещества, которые под воздействием различных внешних условий приводят к началу процесса кристаллизации в структуре вещества с формированием микрокристаллической структуры. Технология изготовления: 1). Получение изделий из стекломассы с внедрёнными добавками. Далее проводится термическая обработка в 2 этапа: при / = 500℃ (происходит образование центров кристаллизации) и при / = 1000℃ (кристаллическая фаза расширяется по всему объёму). Процесс кристаллизации инициируется фотохимическими или каталитическими методами. В случае производства ситалла с применением фотохимических методов для запуска процесса кристаллизации используют ультрафиолетовое облучение. Кристаллизация происходит вокруг мелких 34 IID 11 частиц металла, выделяющихся из окислов, входящих в состав вещества. Получаемые таким образом материалы – фотоситаллы. Для ускорения процессов кристаллизации используют специальные соединения – катализаторы, в качестве которых могут применяться: /2 , `41, : 8 , ; 8 , i . 2 При введении в состав ситаллов катализаторов для запуска процесса кристаллизации исчезает необходимость облучения ультрафиолетом. Получаемые с помощью катализатора ситаллы называются термоситаллами. Основные электрические свойства: диэлектрическая проницаемость от нескольких единиц до 10, тангенс угла диэлектрических потерь [_ ≈ 0,01, объёмное удельное сопротивление – 10 − 10A Ом ∙ м, электрическая прочность до 75 мВ/м. По своему назначению ситаллы: установочные, конденсаторные. Конденсаторные ситаллы применяются в качестве диэлектрического материала в конденсаторах, установочные – для изготовления диэлектрических подложек, для изготовления интегральных схем, СВЧ элементов, различных микрополосковых устройств. Установочные ситаллы по сравнению с конденсаторными должны обладать лучшими электроизоляционными свойствами и лучшей механической прочностью. Керамика. Керамика – группа композиционных материалов, характеризующаяся определённым процессом изготовления. Этапы процесса изготовления: 1). Подвод, измельчение и смешивание исходных компонентов 2). Пластификация полученной массы и изготовление формовочного полуфабриката. 3). Формирование заготовок требуемой формы 4). Спекание При изготовлении в зависимости от состава используемых компонентов могут быть получены различные электрические свойства материала. 35 IID 11 Помимо возможности получения различных электрических свойств керамика обладает следующими преимуществами:  сравнительная дешевизна  хорошая технологичность  хорошие электроизоляционные свойства  хорошая теплопроводность  достаточная механическая прочность  стойкость к действию различных механических факторов: температуре, влажности. 2 Недостатки: значительные диэлектрические потери, хрупкость. Структурно керамика состоит из различных фаз, отвечающих за различные свойства материала.  Кристаллическая фаза обусловлена входящими в состав керамики твёрдыми соединениями и определяет основные свойства керамики, в частности, диэлектрическую проницаемость, электрическую прочность.  Стекловидная фаза – тонкие прослойки стекла. Определяет технологические свойства: пластичность при формировании, температуру спекания, степень пористости материала.  Газовая фаза – заполненные газом микропоры, образующиеся в процессе производства, что ведёт к увеличению диэлектрических потерь, снижению механической и электрической прочности. Классификация и свойства керамических изделий. Диэлектрические керамические материалы по назначению:  Установочная керамика (изготовление различных изолирующих элементов, подложек интегральных высокочастотных схем и конструкционных элементов различных радиоэлектронных устройств)  Конденсаторная керамика (диэлектрический материал в конденсаторах). По диэлектрическим свойствам:  Высокочастотная (применение на высоких частотах, поэтому повышенные требования по значению тангенса угла диэлектрических потерь)  Низкочастотная 36 Изоляторный фарфор, радиофарфор, ультрафарфор. 11 IID Установочная керамика. 2 В качестве высокочастотного керамического материала применяется глинозём, основное составляющее – <5 8 . Наилучшими электрическими свойствами обладает модификация корунд. Изоляторный фарфор обладает сравнительно большим тангенсом угла диэлектрических потерь (≈ 0,01) и предназначен для изготовления элементов, не предназначенных для работы на высокой частоте. Радиофарфор и ультрафарфор: меньшие значения тангенса угла диэлектрических потерь, следовательно, применение на высоких частотах. Ультрафарфор: крайне малые диэлектрические потери и высокая механическая прочность. Корундовая керамика с высоким содержанием глинозёма (95-99%) называется алюмооксид и широко применяется в различных сверхвысокочастотных изделиях. Такая керамика обладает высокой механической прочностью, нагревостойкостью и теплопроводностью. Керамика из алюмооксида применяется в качестве изоляторов в корпусах электромагнитных приборов, в качестве подложки интегральных схем, в качестве изолирующего элемента электровакуумных ламп. Одна из разновидностей алюмооксидной керамики – поликор, характеризуется особо плотной внутренней структурой, оптически прозрачен, применяется в качестве материала для подложек гибридных интегральных схем. По сравнению со стеклянными материалами, керамические обладают значительно большей теплопроводностью, что позволяет увеличить отток тепла. Самая высокая теплопроводность среди керамических материалов – у керамики на основе :4 – брокерита. Он применяется как в подложках интегральных схем, так и в мощных СВЧ приборах. Параметры: [_ ≤ 10 6 , удельное сопротивление 10AB Ом ∙ м, Вт C D = 250 ∙ К. м 37 IID 11 Для различных целей в радиоэлектронной технике используются: 1). Цельзиановая керамика (каркасы катушек индуктивности, изоляторов, высокочастотных конденсаторов) 2). Стеатитовая керамика (изоляторы, конструкционные элементы, детали корпусов полупроводников приборов) 3). Форстеритовая керамика (изоляторы электровакуумных и полупроводниковых приборов; в случае необходимости обеспечения герметичного соединения с металлом с высоким температурным коэффициентом линейного расширения). 2 Конденсаторная керамика.  С повышенным значением диэлектрической проницаемости (M от 10 до 330)  С высоким значением диэлектрической проницаемости (от 900)   По значению тангенса диэлектрических потерь: С малым значением [_ (≈ 10 6 ) БОльшие значения тангенса [_ (10 , 10 8 ) Для изготовления высокочастотных конденсаторов применяют титаносодержащую керамику (на основе /2 – рутил, 0/2 8 – перовскит, 1;/2 8 – без названия). Для изготовления конденсаторов высокой ёмкости применяют керамические материалы на основе сегнетоэлектриков, что позволяет получить значение M до 8000. Активные диэлектрические материалы. Это такие диэлектрические материалы, диэлектрическими свойствами которых можно управлять при помощи внешних энергетических воздействий для создания различных функциональных элементов в электронике.  Сегнетоэлектрики  Пироэлектрики  Пьезоэлектрики  Электреты  Различные кристаллы с нелинейными свойствами  Диэлектрические материалы для лазеров 38 IID 11 Сегнетоэлектрики – вещества со спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено под действием электрического поля. По физическим свойствам и химической структуре:  Ионные кристаллы  Дипольные кристаллы 2        Ионные сегнетоэлектрики: :0/2 8 – титанат бария 9\/2 8 – титанат свинца bU\ 8 – ниобат калия m2U\ 8 – ниобат лития m2/0 8 – танталат лития bV 8 – иодат калия :0 U0U\ A – бариево-натриевый ниобат – «банан» Дипольные сегнетоэлектрики: вещества с полярными группами атомов, обладающие спонтанной поляризацией: – сегнетова соль  U0b 6 6 B ∙ 4  (U )8 1 6 – триглицинсульфат  b 9 6 – дигидрофосфат калия  U0U – нитрит натрия Применение: создание негабаритных конденсаторов большой ёмкости, изготовление диэлектрических материалов с управляемым значением диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических преобразователей, конденсаторов с изменяемой ёмкостью – варикондов. Пьезоэлектрики – вещества, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется явление поляризации диэлектрика под механическим воздействием. В качестве пьезоэлектриков может применяться монокристаллический кварц, различные сегнетоэлектрики (ниобат и танталат лития), сегнетоэлектрическая керамика. Использование – при изготовлении различных преобразователей механического воздействия в электрический сигнал. Обратный пьезоэффект может быть использован для генерации механических колебаний. 39 IID 11 Пироэлектрики – материалы, обладающие свойством своей спонтанной поляризации от внешней температуры (так называемый пироэлектрический эффект). 2 Используются для создания тепловых датчиков, датчиков для регистрации инфракрасного и СВЧ излучения, изготовления термоэлектрических фотоприёмников. Пироэлектрическим эффектом обладают ниобаты бария, стронция, кристаллы триглицинсульфата, кристаллы ниобата и танталат лития. Электреты – диэлектрические материалы, длительное время сохраняющие поляризацию и создающие вокруг себя электрическое поле (электрические аналоги постоянного магнита). Электреты изготавливают, сначала поляризуя жидкий диэлектрик с последующим его отверждением при сохранении поляризации. Это термоэлектреты. Электреты изготавливают на основе различных полимерных плёнок: фторопласта, лавсана, полиметилметакрилата (оргстекла). Электреты применяются для изготовления микрофонов, измерителя механических вибраций, различных датчиков. Материалы для твёрдотельных лазеров. В качестве рабочего тела в твёрдотельном лазере используется диэлектрический стержень, в состав которого внесены специальные активаторы. Материалы, предназначенные для применения твёрдотельных лазеров, должны обладать следующими свойствами:  высокая теплопроводность  оптическая прозрачность  высокая механическая прочность  однородность оптических свойств  технологичность 40 0` 0T 6 Стекло Активатор ; 8h C, мкм 0,694 UZ 8h UZ 8h 1,06 1,06 rs h (диспрозий) UZ 8h UZ 8h 2,36 2 Рубин n<5 8 o Иттрий-алюминиевый гранат (p8 <5 ОA ) Натрийлантанмолибдат (U0m0(dq 6 ) ) 11 Материал IID В качестве основных материалов в твёрдотельных лазерах используются: 1,06 1,06 Керамика на основе фторида кальция обладает меньшей технологичностью, но позволяет повысить излучаемую мощность. Основные марки диэлектрических материалов в радиоэлектронной технике: 1). Из фторопласта ФФ-4 – фторопласт фольгированный ФАФ-4 – армированный фторопласт ФФ-4 изготавливают путём прессования порошка фторопласта с последующей металлизацией медной фольгой, ФАФ-4 – путём пропитки пластины из стеклоткани составом из фторопласта. 2). Материалы на основе стирола САМ-3 – сополимер стирола с а-метилстиролом (альфаметилстиролом) Диэлектрик, получаемый путём полимеризации стирола с аметилстиролом, изготавливается путём прессования порошка этого полимера с металлизацией медной фольгой. СТ-3, СТ-5, СТ-7, СТ-10, СТ-16 – сополимеры стирола с а-метилстиролом, наполненный двуокисью титана. Изготавливаются путём прессования, при этом в зависимости от содержания оксида титана диэлектрическая проницаемость меняется от 3 до 16. Материал хорошо подвергается обработке, технологичен. Недостатки: низкая ударная прочность, невысокая теплостойкость. 41 IID 11 3). Диэлектрики на основе полистирола: ПТ-3, ПТ-5, ПТ-7, ПТ-10, ПТ-16. Диэлектрики на основе полистирола, наполненные двуокисью титана, от содержания которого диэлектрическая проницаемость меняется от 3 до 16. 2 Изготавливают путём прессования, основной недостаток – высокие диэлектрические потери. 4). Неорганические диэлектрики – на основе керамики. Основные марки керамических материалов, применяемых для изделий электроники: Материал Поликор Сапфирит Сапфир 22ХС 10С4 30С4 90С4 M 9,6 9,5 9,5 9,3 14,8 … 14 Материал УФ-61 ТМ-15 ТМ-20 ТЛ20 рутил M 9,05 15 20 20 ≈ 90 Высокая теплопроводность, технологичность, устойчивость к внешним воздействиям, высокая механическая прочность. Материалы группы СТ представляют собой ситаллы, содержащие оксиды алюминия и кремния (СТ32-1, СТ38-1). На основе оксида бериллия изготавливается керамика брокерит-9 (M = 6,6). Ферриты (СЧ): M = 10 … 15. 5). Материалы на основе полиэтилена. ПВП-М: M = 2,35. Полиэтилен высокой плотности, легко обрабатывается, химически стоек, имеет низкую механическую прочность и термостойкость; изготавливается путём прессования с одновременной металлизацией фольгой. 6). Материалы на основе поликарбоната: ПКТ-3, ПКТ-5, ПКТ-10. Диэлектрические материалы на основе поликарбоната двухатомного фенола, наполненные двуокисью титана. M = 3 … 10. Материал хорошо подвергается механической обработке, имеет сравнительно, высокую прочность и бОльшую термопрочность по сравнению с материалами на основе полиэтилена. 42 IID Магнитные материалы. 11 Общая классификация. 2 По своим магнитным свойствам магнитные материалы делятся на магнитомягкие и магнитотвёрдые материалы. К магнито-мягким материалам относят материалы, характеризующиеся малой коэрцетивной силой t и высокой магнитной проницаемостью I. К магнитотвёрдым относят материалы с большой коэрцетивной силой. Магнитомягкие материалы обладают способностью намагничиваться даже в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлёй гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание; применяются для изготовления различных магнитопроводов, сердечников трансформаторов, электромагнитов. Магнитотвёрдые материалы плохо перемагничиваются, применяются для создания постоянных магнитов. Магнитомягкие материалы: t А < 800 . Хорошие магнитотвёрдые материалы: м t А > 4000 , широкая петля м гистерезиса. Магнитомягкие материалы:  низкочастотные: железо и низкоуглеродистые стали, кремнистая электротехническая сталь, специальные низкокоэрцетивные сплавы.  высокочастотные: магнитодиэлектрики и ферриты. Магнитотвёрдые материалы:  материалы для постоянных магнитов: высококоэрцетивные сплавы, металлокерамические и металлопластичные материалы, магнитотвёрдые ферриты, легированные мартенситные стали, специальные сплавы из редкоземельных металлов.  материалы для магнитной записи Материалы специального назначения:  С прямоугольной петлёй гистерезиса, включая ферриты и металлические материалы  Поликристаллические и монокристаллические СВЧ-ферриты  Магнитострикционные материалы  Термомагнитные материалы 43 IID 11  Материалы для применения в постоянном или низкочастотном магнитных полях 2 Требования к материалам: предназначенные для использования в постоянных магнитных полях магнитомягкие материалы должны обладать малой коэрцетивной силой, высокой магнитной проницаемостью, большим значением индукции насыщения и малыми потерями на перемагничивание (железо и низкоуглеродные стали, специальные виды железа: электролитическое и карбонильное). Электролитическое железо получают путём электролиза, а карбонильное – разложением пентакарбонила железа: `4( ) → `4 + 5 . Кремнистая электротехническая сталь – один из самых широко применяемых материалов, в частности, для изготовления сердечников трансформаторов. Кремний в составе стали уменьшает её электропроводность, снижая потери на вихревые токи. Низкокоэрцетивные сплавы: пермаллои, альсиферы. Пермаллои – железоникелевые сплавы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцетивной силой. Магнитные свойства сильно зависят от их состава.  высоконикелевые (70-80% никеля)  низконикелевые (40-50% никеля) Для формирования определённых свойств в состав пермаллоев вводят специальные добавки, в частности, молибден и хром. Обозначения пермаллоев: 80НХС (процентное содержание никеля, далее буквенные обозначения: Н – никель, К – кобальт, Х – хром, М – марганец, С – кремний, Д – мель, У – сплав с улучшенными свойствами, П – материал с прямоугольной петлёй гистерезиса). Применение: изготовление различных сердечников (трансформаторов, дросселей), магнитных материалов. Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием (9,5% кремния, 5,6% алюминия, остальное – железо). Очень большое значение магнитной проницаемости 120000, 44 t А ≈2 . м IID Основные свойства: t, А/м 11 I Материал 2 Удельное сопротивление, мкОм ∙ м Технически чистое железо 250-4500 До 100 0,1 Электролитическое железо 600-15000 До 30 0,1 Карбонильное железо 2-20000 6,4 0,1 Электро-техническая сталь 200-8000 10-65 0,25-0,6 Низконикелевые пермаллои 1500-60000 5-32 До 0,9 Высоконикелевые пермаллои 7000-300000 0,65-5 До 0,85 Супермаллой: 79% никеля, 5% молибдена, 15% железа, 0,5% марганца 1000005000000 0,3 0,6 Ферриты – оксидные магнитные материалы со спонтанной намагниченностью доменов, обладают большим удельным сопротивлением, I = 100 − несколько тысяч, представляют собой керамику подобранного состава. Изготовление сердечников, специальных видов антенн, трансформаторов. Ферриты для устройств СВЧ. Практическое применение обусловлено тремя свойствами: 1). Магнитооптическим эффектом Фарадея 2). Эффектом ферромагнитного резонанса 3). Изменением внешнего магнитного поля Могут быть реализованы переключательные устройства и фазовращатели. В качестве СВЧ-ферритов: 1). Магний-марганцевые ферриты 2). Литий-цинковые и никель-цинковые ферриты 3). Феррогранаты иттрия p8 `4 A 45 IID Магнитострикционные материалы. 11 2 Обладают магнитострикционным эффектом (изменение объёма тела при изменении его состояния намагниченности). Ряд металлов, различные композиционные материалы. Сплавы платины с железом, железо-кобальтовые и железоалюминиевые сплавы, специальная ферритовая керамика. Широко применяется феррит никеля (U2`4 6 ). Из магнитострикционных материалов изготавливают сердечники электромеханических преобразователей, электромагнитные и магнитострикционные фильтры и резонаторы, линии задержки. Магнитотвёрдые материалы:  Литые высококоэрцетивные сплавы Fe-Ni-Al, Fe-Ni-Al-Co. Для улучшения магнитных свойств в сплавы добавляют легированные добавки меди, титана и ниобия. Недостатки: хрупкость, невысокая твёрдость, плохо обрабатывается.  Магнитотвёрдые ферриты: бариевый феррит :0 ∙ 6`4 BaO – БИ – бариевый изотропный 6`4 8 – БА – бариевый анизотропный 8 Из них изготавливают магниты путём прессования различных порошков. < t ≈ 128 − 240 . м Недостатки: низкая прочность, хрупкость, сильная зависимость магнитных свойств от температуры. 46 11 IID Радиоэлектронные компоненты. 2  Пассивные (с их помощью происходит преобразование параметров электрического сигнала за счёт физических свойств материалов без потребления дополнительной энергии от внешних источников питания): резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы.  Активные (при функционировании потребляют дополнительную энергию от внешних источников питания): полупроводниковые, электровакуумные приборы. Резисторы. Резисторы – элементы электрической цепи, предназначенные для использования его сопротивления при перераспределении и регулировании электрической энергии между другими элементами схемы. Классификация: По характеру изменения сопротивления:  постоянные  переменные (сопротивление может быть изменено в процессе эксплуатации) По целевому применению:  общего назначения  специальные резисторы (прецизионные (высокоточные), высокочастотные, высоковольтные, высокоомные) По способу защиты от внешних факторов:  неизолированные (не должны соприкасаться с другими токоведущими элементами цепи)  изолированные (покрыты изолирующим слоем для избежания случайных замыканий)  герметичные (конструкция их корпуса исключает влияние внешней среды на внутренний материал резистора)    По способу монтажа: для печатного монтажа для навесного монтажа для микромодулей и интегральных схем 47 IID 11 По материалу резистивного элемента:  проволочные (резистивный элемент – проволока из сплавов высокого сопротивления: константана, нихрома, никелевых сплавов)  плёночные (нанесённая на поверхность диэлектрика плёнка из высокоомного сплава)  объёмные (в виде параллелепипеда или цилиндра из композиционного материала высокого сопротивления)  полупроводниковые (включают в себя полупроводниковый материал для обеспечения изменения величины сопротивления) 2 |ном – номинальное сопротивление, ±∆| – допустимое отклонение. Номинальное сопротивление выбирается из ряда стандартизованных значений, является величиной, закладываемой на производстве. Реальная величина вследствие несовершенства технологии может отличаться от номинальной на некоторую величину. Для различных резисторов указывается величина допустимого отклонения. В зависимости от требований допустимой точности величина номинального значения сопротивления выбирается из ряда стандартизованных рядов: Е3, Е6, Е12, Е24, Е96, Е192 (число означает число номинальных значений). Чем больше число номинальных значений, тем меньше допустимое отклонение. Е6: 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 ∆| ± 20% Е12: 1; 1,2;1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2 ∆| ± 10% Чем выше требуемая точность изготовления резисторов, тем выше цена. Допускаются резисторы с отклонениями ∆| = 20,10,5 %. Прецизионные резисторы: 2; 1; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02; 0,01%. Номинальная мощность рассеяния. Величина номинальной мощности определяет допустимую электрическую нагрузку, которую резистор может выдержать долгое время. Величина мощности определяется структурой и конструкцией резистора, зависит от теплостойкости используемых материалов и возможности по теплообмену. 48 11 /~ − /a , |D IID 9отв = Условие нормальной работы резистора – непревышение величиной выделяемой мощности величины отводимой мощности: 9выд ≤ 9отв . /~ при протекании электрического тока: /~ = V•|D + /a , V• = /~ − /a . |D В зависимости от предельной допустимой мощности резисторы выбираются из стандартизованных диапазонов допустимой мощности. Величина допустимой мощности указывается либо для стандартизованной температуры, либо для указанного диапазона. Допустимое максимальное напряжение – показывает напряжение, приложенное к резистору без наступления пробоя n•пред o. Для резисторов сравнительно небольшой мощности: •пред = €9ном |ном . Для резисторов большой величины сопротивления: •пред = €9возд. 5. Температурный коэффициент сопротивления – характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры: ∆| >~ = . |a ∆/ В зависимости от используемых материалов и конструкции резистора он может быть и положительным, и отрицательным. В различных резисторах >~ = ±(7 … 12) ∙ 10 6 . 49 2 где /~ − /a – разность температур резистора и окружающей среды, |D – величина теплового сопротивления – зависит от площади поверхности резистора и теплопроводности его материала. 2 ∆| . |a ∆ 11 ‚~ = IID Коэффициент старения – показывает изменение величины сопротивления резистора за единицу времени. Эффект изменения сопротивления с течением времени обусловлен процессами рекристаллизации, окисления и других структурных изменений под действием напряжения. В технических условиях указывают величину ∆| в процентах за указанный интервал времени. Коэффициент напряжения – показывает, как меняется сопротивление резистора в зависимости от его напряжения: bн = |Aaa − |Aa , |Aaa где |Aaa – сопротивление при приложении предельного напряжения, |Aa – сопротивление при приложении 10% от предельного напряжения. ЭДС шумов резистора: ƒD = €4@/|∆„, где @ – постоянная Больцмана, / – абсолютная температура (К), ∆„ – полоса частот при измерении. В резисторе при ненулевой температуре электроны находятся в тепловом движении. В различные моменты времени между различными точками резистивного элемента наблюдается хаотическое изменение ∆…. Между выводами резистора возникает ЭДС тепловых шумов. Обозначение и маркировка резисторов. Значение номинального сопротивления и допуска на резисторах указывается с использованием цифро-буквенных или цифровых обозначений. В зависимости от конструктивных особенностей:     №1 – буква или группа букв – тип резистора: Р – постоянный резистор РП – переменные резисторы ТР – терморезисторы ВР – варисторы 50 11 IID №3 – цифра – порядковый номер разработки. В случае полупроводников цифры не используются. Пример: РП2-12.     Обозначения до 1980 года: С – резистор (сопротивление) СП – переменный резистор, далее – цифра: 1 – углеродистые и бороуглеродистые 2 – металлодиэлектрические и металлоокисные 3 – композиционные плёночные 4 – композиционные объёмные 5 – композиционные проволочные СТ – терморезисторы 1 – кобальто-марганцевые 2 – медно-марганцевые 3 – медно-кобальто-марганцевые 4 – никелево-кобальто-марганцевые СН – варисторы 1 – карбидо-кремниевые Далее – порядковый номер разработки. Резисторы, размер которых не позволяет ввести цифро-буквенные обозначения, маркируются цветовым ходом из четырёх, пяти или шести полос. Цветом указывается величина сопротивления, допуск и температурный коэффициент сопротивления. Основные разновидности резисторов. В зависимости от условий эксплуатации, видов конструкций и электрических характеристик выявляют следующие виды резисторов: 1). Общего назначения (для создания электрических схем, имеют диапазон номинальных сопротивлений от 1 Ом до 1 МОм, номинальная мощность рассеивания 0,126-100 Вт, допустимое отклонение от номинала 1, 2, 5, 10, 20%. 51 2 №2 – цифра, обозначающая группу резисторов по материалам токоведущего элемента: 1 – непроволочные 2 – проволочные IID 11 2). Прецизионные и сверхпрецизионные резисторы (высокая стабильность параметров, высокая точность изготовления, отклонение 0,05-0,5%, применение: в измерительных приборах, устройствах автоматики, различных эталонных приборах) 3). Высокочастотные резисторы (в схемах на высоких частотах, должны обладать минимальными значениями паразитной ёмкости и индуктивности, достаточно высокой термоустойчивостью) 4). Высоковольтные (при высоких напряжениях от одного до десятков киловольт) 5). Высокомегаомные (номинальное сопротивление – десятки МОм – десятки ТОм, напряжение – сотни вольт, работают в режиме малых токов) 2 Конструктивно-технологические особенности. Непроволочные многослойные постоянные резисторы: токоведущий элемент – плёнка из металлического сплава с высоким сопротивлением. Композиционные резисторы: токоведущий элемент изготовляется в виде цилиндра или параллелепипеда из композиционного резистивного материала. Характеризуются высокой теплостойкостью, небольшими габаритами. Недостатки: токовый шум. Проволочные постоянные резисторы: изготовляются из проволоки на основе сплавов высокого сопротивления, в частности, константан, хромоникелевые сплавы. Высокая резистивная мощность, достаточно высокая точность изготовления, хорошая температурная стабильность. Проволочные резисторы изготовляют путём намотки проводящего элемента на керамический каркас. Характеризуются высокой паразитной ёмкостью, индуктивностью, что осложняет применение на высоких частотах. Специальные резисторы: сопротивление меняется в зависимости от различных внешних факторов: температуры, освещённости, магнитного поля и др.  Варисторы: сопротивление зависит от приложенного напряжения.  Терморезисторы: сопротивление зависит от температуры.  Фоторезисторы: сопротивление меняется под действием света.  Тензорезисторы: сопротивление меняется под механическим воздействием.  Магниторезисторы: сопротивление зависит от магнитного поля. 52 11 IID Графические обозначения резисторов. Общее обозначение: 2 Постоянные резисторы на электрических схемах – прямоугольники с двумя выводами. Возможно указание мощности резистора. Резистор с симметричным и несимметричным отводом соответственно: Резистор с 6-ю дополнительными отводами: 53 IID 11 Переменный резистор. Общее обозначение: 2 С дополнительными отводами: С неиспользованным выводом: При реостатном включении: С нелинейной регулировкой: Подстроечный резистор. Общее обозначение: С неиспользованным выводом: При реостатном включении: 54 IID Терморезистор: 11 2 Варистор: Фоторезистор: Конденсаторы. Конденсатор – элемент электрической цепи, представляющий собой систему из двух электродов, разделённых диэлектриком, предназначенный для использования его электрической ёмкости. Ёмкость – способность накапливать электрический заряд. Классификация:   По характеру изменения ёмкости: постоянные переменные По целевому применению:  общего назначения  специального назначения: высоковольтные, помехоподавляющие, конденсаторы с подавляемой ёмкостью.    По способу защиты от внешних факторов: изолированные и неизолированные герметичные и негерметичные защищённые и незащищённые    По способу монтажа: для навесного монтажа для печатного монтажа для микросборок и интегральных схем 55 11 IID 2      По материалам диэлектрика: с неорганическими диэлектриками с органическими диэлектриками с жидкими диэлектриками с газообразными диэлектриками с твёрдыми диэлектриками Разновидности конструкций конденсаторов.  Пакетная конструкция (изготовляются слюдяные, стекло керамические, стеклоэмалевые, в ряде случаев – керамические конденсаторы; эта конструкция представляет собой пакет чередующихся металлических и диэлектрических пластин или тонких плёнок. Число пластин может достигать сотен).  Трубчатая конструкция (изготовление высокочастотных конденсаторов; это керамическая трубка, на внутренней и внешней поверхности которой нанесены металлические обкладки) 1 – керамическая трубка, 2 и 3 – металлические обкладки, 4 – проволочные выводы.  Дисковая конструкция (применяется для создания высокочастотных конденсаторов, представляет собой диэлектрический диск 2, на который нанесены металлические обкладки, к которым присоединены проволочные выводы 1). 56 11 IID 2  Литая секционированная конструкция Конденсаторы данной конструкции изготавливаются путём литья горячей керамики, в которой есть ряд прорезей, заполняющихся потом проводящей пастой, которая потом сжигается в керамике, и образуются два набора встречных пластин, соединяющихся затем воедино.  Рулонная конструкция Сворачивание в рулон чередующихся металлических и диэлектрических лент с последующим присоединением выводов и корпусированием. В качестве диэлектриков используются бумажные или лавсановые плёнки. 57 IID Номинальная ёмкость и допустимое отклонение. 11 ном ±∆ . 2 Значения выбираются из стандартизованных рядов значений. По ГОСТу – 7 рядов: Е3, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Число обозначает число стандартизованных номинальных значений ёмкости. Допустимое отклонение – предельно допустимая величина отклонения от номинального значения. Конденсаторы I, II, III класса соответствуют Е12, Е24, Е6. Класс 0,01 0,02 0,05 00 Допуск, ±0,1 ±0,2 ±0,5 ±1 % I ±2 ±5 II III IV V ±10 ±20 −10 -20 +20 +30 VI -20 +50 В зависимости от назначения в радиоэлектронной аппаратуре применяются конденсаторы различного класса точности. Блокировочные и разделительные конденсаторы: II, III классы. Контурные конденсаторы: 0,00, I. Фильтрующие конденсаторы: IV, V, VI. Электрическая прочность – характеризуется напряжением пробоя, зависит от свойств используемого диэлектрического материала. Техническая документация: указывается номинальное напряжение – такое, на котором конденсатор может работать долгое время при сохранении своих электрических свойств. При работе при • < •ном – больший срок службы и надёжности. Температурный коэффициент ёмкости – показывает относительное изменение величины ёмкости конденсатора при изменении температуры на 1°. Изменение ёмкости от температуры обусловлено в первую очередь температурной зависимостью диэлектрической проницаемости используемого материала. ∆ >‡ = . Ca ∆/ 58 IID 11 Ёмкость может быть как постоянной, так и меняться в диапазоне температур. Во втором случае температурная зависимость ёмкости носит нелинейный характер. 2 Коэффициент старения: ‚С = ∆С . Сa ∆ Показывает стабильность ёмкости с течением времени. Изменение может быть обусловлено как искажением и окислением материала обкладок, так и деградацией свойств диэлектрика. Потери конденсатора – характеризуются величиной потерь в материале диэлектрика и омическими потерями в обкладках. Диапазон рабочих температур – диапазон, в котором конденсатор сохраняет свои диэлектрические параметры в пределах, указанных в своих технических условиях. Обозначения. Отечественные конденсаторы: К и число, обозначающее тип диэлектрика, затем – порядковый номер разработки. В зависимости от типа диэлектрика и особенностей конструкции конденсаторы обозначают:  К10 – керамический низковольтный конденсатор (• → 1600 В)  К15 – керамический высоковольтный (• > 1600 В)  К20 – кварцевый  К21 – стеклянный  К22 – стеклокерамический  К23 – стеклоэмалевый  К31 – слюдяной малой мощности  К32 – слюдяной большой мощности  К40 – бумажный низковольтный с фольгированными обкладками  (• < 2 кВ)  К41 – бумажный высоковольтный с фольгированными обкладками (• > 2 кВ)  К42 – бумажный с механизированными обкладками  К50 – электролитический фольгированный алюминием  К51 – электролитический танталовый или ниобиевый 59 11 2 К52 – электролитический объёмно-пористый К53 – оксидно-полупроводниковый К54 – оксидно-металлический К60 – с воздушным диэлектриком К61 – с вакуумным диэлектриком К71 – плёночный полистирольный К72 – плёночный фторопластовый К73 – плёночный полиэтилентерефталатный К75 – плёночный комбинированный К76 – лакоплёночный К77 – плёночный поликарбонадный IID            Подстроечные конденсаторы. КТ и цифра – тип диэлектрика: 1 – вакуумный 2 – воздушный 3 – газообразный 4 – твёрдый Переменные ёмкости: КП… Для полного условного обозначения конденсаторов помимо сокращённого обозначения указывается вариант конструктивного исполнения, значения основных параметров и характеристик, вариант климатического исполнения, обозначения документа на постановку. К73-15-160В-0,33мкФ±10% … ТУ •ном Полиэтилентерефталатный конденсатор постоянной ёмкости, = 160 В , С = 0,33 мкФ, ∆ = ±10%. ТУ – технические условия. Маркировка конденсаторов осуществляется буквенно-цифровым способом, заключается в нанесении на корпус марки, значения номинального напряжения и ёмкости, допустимого отклонения ёмкости, группы по температурному коэффициенту ёмкости и даты изготовления. Для конденсаторов малых размеров применяют кодировку с использованием кодировочных обозначений. Величина номинального напряжения и температурный коэффициент ёмкости обозначаются латинскими буквами. 60 IID 11 Для маркировки миниатюрных конденсаторов используется цветовая кодировка. Для обозначения номинальной ёмкости, напряжения, допустимого отклонения и группы температурного коэффициента ёмкости на корпус конденсатора наносят цветные точки или полосы. 2 Особенности применения различных групп конденсаторов. Керамические конденсаторы – наиболее широко применяются в высокочастотных цепях. Для изготовления используют керамику с различным значением диэлектрической проницаемости (от 8-10 до нескольки тысяч). Стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые конденсаторы используются в качестве высокочастотных элементов. Состоят из тонких слоёв диэлектрика, на которые нанесены металлические плёнки. Высокая температурная стойкость, работа при температуре до 300 К. Бумажные конденсаторы – в них в качестве диэлектрического материала применяют конденсаторную бумагу толщиной порядка единиц мкм с диэлектрической проницаемостью 2-3. Конструкция рулонная, большие габариты, высокие потери, большие паразитные значения индуктивности и сопротивления. Электролитические конденсаторы: диэлектрик – тонкая оксидная плёнка, нанесённая на поверхность металлического электрода, называется анодом. Вторая обкладка – электролит. Особенность работы – униполярность, т.е. они способны работать лишь при одном направлении напряжения. К аноду приложен положительный, к катоду – отрицательный потенциал. Такие конденсаторы применяются в таких электрических цепях, полярность напряжения которых не изменяется. Высокое значение ёмкости (единицы мегафарад). Данная разновидность по минимально допустимой рабочей температуре делится на 4 группы:  Н – неморозостойкие: /‹ŒJ > −10℃  М – морозостойкие: /‹ŒJ > −40℃  ПМ – с повышенной морозостойкостью: /‹ŒJ > −50℃  ОМ – особо морозостойкие: /‹ŒJ > −60℃ 61 Варикапы: разновидность полупроводниковых диодов, к которым приведено обратное напряжение, изменяющее их ёмкость. Условные графические обозначения: Конденсаторы постоянной ёмкости: Поляризованный электролитический: Неполяризованный электролитический: Переменной ёмкости: Подстроечный конденсатор: Катушки индуктивности. Обладают способностью оказывать сопротивление реактивному току, при небольшом сопротивлении – постоянному току. В отличие от конденсаторов и резисторов часто применяют нестандартизированные катушки, обладающие индивидуальными параметрами, требуемыми для выполнения тех или иных преобразований. 62 2 Вариконды: ёмкость зависит от приложенного напряжения, изготавливаются на основе различных сегнетоэлектриков. 11 IID Конденсаторы с изменяемой ёмкостью. IID 11 Конструкционно представляют собой диэлектрический каркас, на который в виде спирали намотан провод. Для увеличения величины индуктивности внутрь каркаса может помещаться сердечник из магнитного материала. При этом в нём происходит концентрация магнитного поля и индуктивность катушки увеличивается пропорционально магнитной проницаемости используемого материала. 2 Основные параметры:  Номинальная индуктивность: значение индуктивности, которое является центральным при расчёте отклонений.  Допустимое отклонение от номинала  Добротность катушки индуктивности – величина, показывающая размер потерь в катушке и определяемая отношением реактивного сопротивления катушки к величине сопротивления потерь: •= Žm . |п Потери определяются следующими факторами: омическое сопротивление проводников, потери в диэлектрических материалах, изоляции и каркасе, потери в сердечнике, которые складываются из потерь на перемагничивание и потерь на вихревые токи. Их величина определяется свойствами используемого магнитного поля. Разновидности по назначению: 1). Контурные: применяются вместе с конденсаторами для построения для построения резонансных контуров, должны иметь высокую стабильность характеристик, высокую точность и хорошую добротность. Для средних и длинных волн используют многожильные провода, цилиндрические сердечники из карбонильного железа или альсифера. Для коротких и ультракоротких волн используют однослойные катушки с небольшим числом витков. На ультракоротких волнах – бескаркасные катушки индуктивности. 2). Катушки связи: обеспечение индуктивной связи между контурами. Применение индуктивной связи позволяет обеспечить разделение по постоянному току. Характеризуются индуктивностью и коэффициентом связи. 63 @= d , 2 €mA m 11 IID Коэффициент связи: где d – взаимная индуктивность между катушками. 3). Вариометры – такие катушки индуктивности, в которых возможно изменение величины индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. m = mA + m ± 2d. Вариометры состоят из двух катушек, соединённых последовательно. При этом одна из них неподвижна (стата), а другая расположена внутри неё и может вращаться (ротор). Такая система позволяет менять индуктивность в 4-5 раз. 4). Дроссели – катушки индуктивности с металлическими сердечниками, которые применяют в цепях питания для защиты источников питания от воздействия высокочастотных сигналов. Должны обладать большим сопротивлением к малому переменному току малым сопротивлением к постоянному. 5). Катушки индуктивности для гибридных интегральных схем. Бывают в виде плёночных спиральных катушек или в виде тороидальных катушек с ферритовым сердечником. Трансформаторы. Трансформаторы – электромагнитные устройства, имеющие две или более индуктивно связанные обмотки, предназначенные для изменения значений переменного тока и напряжений. Как правило, трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода – сердечника, и расположенных на нём обмоток. Обмотка, подключаемая к источнику преобразуемого напряжения, называется первичной, обмотка, к которой подключаются потребители – вторичной. 64 IID 11 В зависимости от назначения различают: А). Трансформаторы питания. Применяются в блоках питания устройств радиоэлектронной аппаратуры, предназначены для получения напряжений, необходимых для функционирования аппаратуры.   По уровню напряжения: низковольтные (ниже 1 кВ) высоковольтные (выше 1 кВ) 2   По уровню мощности: маломощные (менее 1 кВт) высокомощные (более 1 кВт) Б). Согласующие: изменение уровня напряжений и токов электрических сигналов, несущих полезную информацию. Основная задача – согласование источника сигнала с нагрузкой при минимальном искажении сигнала.  входные (на входе – усилительное устройство для согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивление усилителя)  выходные (согласование выходного сопротивления усилителя в внешней нагрузкой)  межкаскадные (обеспечение согласования выходного сопротивления предыдущего каскада с входным сопротивлением следующего, гальваническую развязку по постоянному току) В). Импульсные: формирование, преобразование импульсов малой длительности. Основное требование к данному виду – обеспечение минимальных искажений формопреобразуемого импульса. Классификация и основные параметры трансформаторов: Рабочая частота – показывает предельную частоту напряжения, преобразуемого данным трансформатором.  пониженной частоты (ниже 50 Гц)  промышленной частоты (50 Гц)  повышенной промышленной (400-1000 Гц)  повышенной (до 10 кГц)  высокой (более 10 кГц) 65 IID 11 Номинальное вторичное напряжение – напряжение на выходе вторичной обмотки при приложении к первичной обмотке номинального напряжения с номинальной частотой. 2 Номинальное сопротивление катушки – величина сопротивления катушки, на которое рассчитан трансформатор. Напряжение холостого хода – напряжение на разомкнутой вторичной обмотке при номинальной частоте и напряжении на первичной обмотке. Номинальная мощность – сумма мощностей вторичных обмоток, определяется как произведение номинального тока на номинальное напряжение. Коэффициент трансформации – отношение числа витков на вторичной обмотке к их числу на первичной, равен также отношению напряжений вторичной и первичной обмоток в режиме холостого хода без учёта падения напряжения на трансформаторе. Потери трансформатора – активная мощность, расходуемая в магнитной системе и обмотках трансформатора в процессе его работы. Величина потерь складывается из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание и омические потери в обмотках. Условные обозначения: Трансформатор питания – Т, далее одна или две буква, указывающие значение трансформатора: А – трансформатор питания анодных цепей, Н – накальных цепей, АН – анодно-накальных цепей, ПП – полупроводниковых приборов, С – электронной аппаратуры. 3-ий элемент – число – порядковый номер разработки, 4-ый элемент – число – номинальное значение напряжения питания, 5-ый элемент – число – рабочая частота, 6-ой элемент – буква или ряд букв – вид климатического исполнения. ТА24-127/220-50-УХЛ: трансформатор для питания анодной цепи, рассчитан на 127/220 В, „ = 50 Гц, в условиях с умеренным и холодным климатом. 66 IID Рабочий трансформатор: 11 2 Перестраиваемый трансформатор: Трансформатор с несколькими обмотками: В зависимости от назначения и требуемых характеристик существуют следующих конструкции трансформаторов: основный элемент – магнитопровод, предназначен для обеспечения более полной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора и увеличения магнитного потока.    Три типа магнитопровода: Стержневой Броневой Кольцевой   Броневые сердечники: из штампованных пластин ленточные Активные полупроводниковые приборы. Активные радиоэлементы – такие полупроводниковые приборы, которые выполняют преобразование сигналов с использованием энергии от внешнего источника питания. Активные элементы: диоды, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы. 67 11 IID Полупроводниковые диоды. 2 Диод – полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, обладающий несимметричной вольт-амперной характеристикой. Классификация по назначению:  Выпрямительные (преобразование переменного тока в постоянный)  Высокочастотные  Импульсные  Универсальные  Светоизлучающие  Стабилитроны (стабилизация напряжения)  Варикапы, и др.    По установке: Для навесного монтажа Для печатного монтажа Для микросборок    По степени защиты от внешнего воздействия: Неизолированные Изолированные Герметичные По площади p-n перехода:  Плоскостные (размеры, определяющие площадь перехода, значительно больше толщины)  Точечные (геометрический размер перехода меньше характеристических расстояний, определяющих протекающие электрические процессы).    Полупроводниковые элементы по материалу: Кремниевые Германиевые Диоды на основе соединений типа