Главная > Автореферат диссертации

1

Смотреть полностью

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

Раздел 1 ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6

Тема 1.1 Строение и свойства вещества 6

Тема 1.2 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов 15

Раздел 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 19

Тема 2.1 Классификация полупроводниковых материалов 19

Тема 2.2 Электропроводность полупроводниковых материалов 26

Тема 2.3. Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников 26

Тема 2.4 Излучение энергии в полупроводниках 30

Тема 2.5 Типы полупроводниковых материалов 32

Тема 2.6 Применение полупроводниковых материалов для изготовления современных полупроводниковых приборов 41

Раздел 3 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 43

Тема 3.1 Классификация проводниковых материалов 44

Тема 3.2 Свойства проводниковых материалов 45

Тема 3.3 Материалы высокой проводимости 48

Тема 3.4 Материалы высокого сопротивления 56

Тема 3.5 Проводниковые материалы и сплавы 58

Тема 3.6 Материалы для подвижных контактов 60

Тема 3.7 Припои и контактолы 65

Тема 3.8 Резисторы 70

Раздел 4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 78

Тема 4.1 Классификация диэлектриков 78

Тема 4.2 Поляризация диэлектриков 78

Тема 4.3 Электропроводность диэлектриков 83

Тема 4.4 Тепловые и физико-химические свойства диэлектриков 85

Тема 4.5 Электрические свойства твердых диэлектриков 88

Тема 4.6 Синтетические полимеры 89

Тема 4.7 Компаунды, лаки и эмали 95

Тема 4.8 Слоистые пластики и фольгированные материалы 98

Тема 4.9 Твердые неорганические диэлектрики 101

Тема 4.10 Активные диэлектрики 111

Тема 4.11 Диэлектрики для оптической генерации 114

Тема 4.12 Конденсаторы 116

Раздел 5 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 124

Тема 5.1 Классификация магнитных материалов 124

Тема 5.2 Магнитомягкие материалы 127

Тема 5.3 Магнитотвердые материалы 132

Тема 5.4 Магнитные материалы специального назначения 134

Тема 5.5 Трансформаторы, катушки индуктивности, дроссели 137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 147

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития общества характеризуется все бо­лее возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности человека. Достижения в области электро­ники в значительной мере способствуют успешному решению сложнейших научно-технических проблем, повышению эффек­тивности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Только благодаря качественным преобразованиям электронных средств стало возможным решение проблемы гло­бальной информатизации человеческого бытия, т.е. массовое про­изводство компьютеров, повсеместное использование информа­ционных технологий и управляющих систем, а также сетей на их основе.

Наряду с давно существу­ющими радиосвязью и телевидением появились компьютерные системы активного массового обмена информацией. Среди таких систем наибольшую известность и признание получила всемир­ная сеть Интернет.

Дискретный (цифровой) принцип представления информации, принятый в информационных технологиях, широко внедряется в бытовую электронику (цифровые телевизоры, видеокамеры, фо­тоаппараты и т.п.), обеспечивающую многие жизненные потреб­ности человека. Радикально изменилась промышленная и транс­портная электроника, появились автономные системы навигации, а также системы управления подвижными объектами и техноло­гическими процессами. Стремительно развиваются научное и ме­дицинское приборостроение, техника военного и космического назначений.

Основными проблемами в развитии всех направлений элект­роники продолжают оставаться дальнейшая миниатюризация из­делий, повышение их быстродействия, уменьшение энергопот­ребления, повышение качества и надежности электронного обо­рудования, снижение стоимости. Все эти проблемы наиболее эф­фективно решаются в рамках микроэлектроники, которая за по­следние 40 лет прошла путь от простейших гибридных до монолитных ультрабольших интегральных схем, содержащих до 109 эле­ментов. Здесь важно отметить, что микроминиатюризация не яв­ляется целью микроэлектроники, а в действительности представ­ляет собой единственную возможность создания сложной эффек­тивно действующей электронной аппаратуры, содержащей боль­шое число элементов.

Среди стремительно развивающихся направлений электрони­ки следует особо выделить оптоэлектронику. Последняя объеди­няет широкий класс функциональных электронных устройств, у которых в тракте передачи сигналов имеется оптическое звено. Оптическая связь характеризуется высокой информационной ем­костью, помехозащищенностью, однонаправленностью, а также высокой избирательностью. Благодаря этому с помощью оптиче­ского канала связи можно концентрированно и с малыми потеря­ми передавать электромагнитную энергию на большие расстояния в заданную область пространства. Использование оптического звена обеспечивает полную гальваническую развязку управляющих це­пей от исполнительных при сохранении сильной функциональ­ной связи между ними. Новый этап в развитии оптоэлектроники связан с освоением технологических приемов формирования по­лупроводниковых сверхрешеток и гетероструктур с квантово-размерными эффектами.

Развитие электроники оказало значительное влияние на со­стояние энергетики. В настоящее время кремниевые приборы си­ловой электроники находят массовое применение в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и энергопитания, а также при передаче электроэнергии на большие расстояния. С каждым годом расши­ряется номенклатура таких приборов. К мощным диодам и тири­сторам добавилась широкая гамма мощных транзисторов и разнообразных силовых интегральных схем. Оценки специалистов пока­зывают, что оптимальное насыщение энергетики средствами по­лупроводниковой силовой электроники позволит сэкономить не менее 10 % всей производимой в мире электроэнергии.

Таким образом, современное электронное приборостроение достигло тако­го этапа развития, когда важнейшие параметры приборов и уст­ройств зависят не столько от схемных решений, сколько от свойств использованных электрорадиоматериалов и совершенства техноло­гических процессов их изготовления.

Главная осо­бенность материалов, используемых в электронике, заключается в том, что их электрические свойства очень чувствительны к при­роде химической связи, к атомной и электронной структурам, наличию примесей и структурных дефектов, однородности их распределения вплоть до очень локальных объемов. Роль матери­алов в электронике велика, как ни в какой другой области техники. Не случайно, что именно материалы часто используются в каче­стве классификационного признака при определении многих важ­ных направлений электроники. В этой связи можно назвать полу­проводниковую электронику, диэлектрическую электронику, маг-нитоэлектронику, сверхпроводящую электронику, пьезотехнику и др.

Изучение физической природы свойств материалов, поиск принципиальных путей управления этими свойствами, а также оптимизация состава и структуры материалов в целях достижения наилучшего сочетания свойств составляют научную сущность лю­бого материаловедения, в том числе и радиоэлектронного.

Под электрорадиоматериалами понимают применяе­мые в радиоэлектронике материалы, у которых первостепенное зна­чение имеют их свойства и характеристики в электрических и маг­нитных полях. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, диэлектрические и полупроводни­ковые, по поведению в магнитном поле – на магнитные и немагнит­ные.

Несколько десятилетий назад круг используемых электрорадио­материалов был довольно узок: в электроизоляционной технике в основном применялись материалы природного происхождения (би­тумы, шеллак, фибра), а из магнитных материалов использовались только магнитные металлы и сплавы на их основе.

В 50-х годах начинает широко внедряться новый класс магнит­ных материалов – ферриты, имеющие существенные преимущества особенно при использовании в области высоких и сверхвысоких частот. Однако наибольшее значение для развития радиоэлектро­ники имели полупроводниковые материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах. Совершенствование полу­проводниковых материалов и новая технология позволили создать твердотельные радиосхемы, например, на отдельных монокристал­лах полупроводника (кремния, германия и др.). Такие схемы очень малы по размерам и дают возможность в сотни и тысячи раз повы­сить плотность монтажа, надежность и долговечность радиоэлек­тронных устройств. Так в приборостроении появилось новое направ­ление – микроэлектроника.

Развитие оптоэлектроники потребовало разработки принципиально новых материалов (активных диэлектриков, полупроводниковых соединений), способных преобразовывать электрическую энергию в световую и наоборот (лазеры, светодиоды, оптроны и др.).

Сфера применения радиоэлектронных приборов в настоящее вре­мя весьма обширна и, следовательно, очень широк диапазон внеш­них воздействий на материалы этих приборов. Так, проводниковые материалы, применяемые в электровакуумной технике, должны со­хранять работоспособность при температурах до 1000 – 1500°С и выше, а сверхпроводниковые материалы – при очень низких тем­пературах, близких к абсолютному нулю. В ряде случаев материалы радиоэлектронной техники должны выдерживать резкие перепады температур (термоудары), повышенную влажность окружающей среды, воздействие химически активных веществ, проникающее из­лучение и др. Электрорадиоматериалы должны быть также устой­чивы к механическим воздействиям, вибрациям, ударным нагрузкам при больших ускорениях, что характерно для эксплуатации борто­вой аппаратуры авиационной и космической техники.

Чтобы правильно использовать электрорадиоматериалы, необхо­димо представлять себе физическую сущность явлений, характерных для каждого типа материала при его взаимодействии с электриче­скими и магнитными полями, а также при влиянии на него основ­ных физико-технологических факторов. Поэтому каждый раздел электронного учебника начинается с рассмотрения физических процессов, происходящих в материалах. Без знания струк­туры электрорадиоматериалов невозможно правильное понимание электрических и магнитных свойств материалов, их механической прочности, процессов старения и т. д., поэтому первый раздел учебника посвящен изучению структуры материалов.

Материальным воплощением любой идеи электроники явля­ются изделия и устройства электронной техники. Любой такой прибор или устройство состоит из элементов, т.е. отдельных дета­лей, выполняющих определенные функции по отношению к элек­трическому сигналу или энергии. В аппаратуре отдельные элемен­ты конструктивно и электрически объединены друг с другом в единый узел в соответствии с принципиальной электрической схе­мой, на которой каждый тип элемента имеет условное схемное изображение.

Различают пассивные и активные элементы электронной тех­ники. Пассивные элементы служат для перераспределения токов, напряжений и энергии между отдельными участками электриче­ских цепей. К ним относятся разного рода резисторы, конденса­торы, катушки индуктивности, а также соединительные и ком­мутационные элементы.

Активные элементы предназначены, прежде всего, для преоб­разования электрических сигналов или энергии. В качестве актив­ных элементов применяются различные электронные лампы, ки­нескопы, умножители тока, фотоэлементы, полупроводниковые диоды, транзисторы, оптоэлектронные приборы, пьезоэлементы, ячейки сегнетоэлектрической и магнитной памяти, сверхпро­водящие криотроны, пироэлектрические преобразователи, элек­треты, жидкокристаллические индикаторы, сенсорные элементы и др.

Многие элементы твердотельной электроники могут быть из­готовлены как в дискретном, так и в интегральном исполнении. Дискретные элементы фактически можно рассматривать как ком­поненты электронной аппаратуры. Наиболее распространенными из таких компонентов являются интегральные микросхемы, от­носящиеся к изделиям микроэлектроники.

При выборе того или иного материала для изготовления радио­электронных устройств важное значение имеет экономический ас­пект, т. е. электрорадиоматериалы должны иметь минимальную стоимость при условии обеспечения требуемых технических пара­метров. В первую очередь это относится к материалам, используе­мым в элементах, приборах и устройствах массового производства. Такие материалы не должны содержать дефицитных, редких ком­понентов, технология их производства должна быть достаточно простой, что позволит легко автоматизировать выпуск соответст­вующих изделий.

Для создания высококачественных приборов и устройств необ­ходимы материалы, удовлетворяющие комплексу различных техни­ческих требований. Эти требования и методы испытаний материа­лов приведены в нормативной технической документации: государ­ственных общесоюзных стандартах (ГОСТ), отраслевых стандар­тах (ОСТ), технических условиях (ТУ) и др. Стандартизованы также основные термины и определения, относящиеся к электрорадиоматериалам. Требования, изложенные в нормативной докумен­тации, являются законом для всех предприятий, выпускающих электрорадиоматериалы, а также для приборостроительных пред­приятий, использующих эти материалы.

Раздел 1 ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Тема 1.1 Строение и свойства вещества

Классификация материалов

Электротехнические материалы можно разбить на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные – диэлектрики.

Проводниковые отличаются большой удельной электрической проводимостью и используются в электротехнических устройствах в качестве проводников электрического тока: провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии, в линиях связи, контактных узлах, в обмотках трансформаторов, реле, электрических машинах и т.д.

Полупроводниковые по удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Их особые свойства позволяют использовать их в различных отраслях электротехники и электроники: усилителях, выпрямителях, фотодатчиках, в специальных источниках тока и т.д.

Магнитные материалы способны усиливать магнитное поле, в которое их помещают. Они используются для изготовления магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, для экранирования магнитного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле.

Электроизоляционные материалы отличаются очень малой удельной электрической проводимостью. Они служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей.

Технические диэлектрики бывают газообразные, жидкие и твердые. Наибольшее распространение получили твердые диэлектрики. Они могут быть органические, неорганические и элементоорганические – промежуточные по своему составу между первыми двумя, аморфные и кристаллические, природные, искусственные и синтетические (полимеры).

Виды связей

Все вещества – газообразные, жидкие и твердые – построены из атомов и молекул. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него. Каждый электрон испытывает не только притяжение со стороны ядра, но и отталкивание со стороны электронов. Внутренние электронные слои образуют экран, ослабляющий притяжение внешних электронов к ядру. Электроны наружного слоя называются валентными, наименее прочно связанные с ядром. Они могут отрываться от одного атома и притягиваться к другому, входя в состав внешнего электронного слоя последнего. Атом, лишенный одного или нескольких электронов, становится заряженным положительно, а атом, присоединивший к себе лишние электроны, заряжается отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называют ионами.

Химические свойства элементов, определяющие способность их атомов в соединения с атомами других веществ и образовывать молекулы, обусловлены внешними валентными электронами. Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его свойства.

Существуют следующие виды связей, за счет которых происходит объединение атомов в молекулы: ковалентная, донорно-акцепторная, ионная и металлическая.

Ковалентная связь характеризуется образованием устойчивых электронных пар из электронов, ранее принадлежавших отдельным атомам. Вещества, образованные молекулами с ковалентной связью, характеризуются высокой твердостью. Они тугоплавки и химически инертны (алмазы, кремний и некоторые неорганические соединения).

Донорно-акцепторная связь является разновидностью ковалентной связи. Возникает она между атомами элементов, один из которых способен отдать электроны (донор), а другой способен принять эти электроны (акцептор). Это соединения, образованные элементами третьей и пятой групп периодической системы Д.И. Менделеева, например арсенид галлия GaAs.

Ионная связь вызывается силами электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами. Это типичные металлы и типичные неметаллы. К ним относятся большинство солей и некоторые оксиды. Ионные соединения по механической прочности и химической стойкости уступают веществам с ковалентной связью.

Металлическая связь между атомами наблюдается в металлах. Атомы металлов способны отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы, или их вновь присоединять, превращаясь в нейтральные атомы. Металлы можно рассматривать как систему, построенную из положительных ионов, находящихся в среде свободных, коллективизированных электронов.

Таким образом, металлическая связь определяется одновременным наличием ковалентной связи между нейтральными молекулами и электростатическим притяжением между ионами и свободными электронами, что обеспечивает монолитность и прочность металла. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Высокая пластичность металлов объясняется отсутствием направленности металлической связи. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

Кристаллическое строение вещества

В твердых веществах атомы и молекулы расположены в геометрически правильном порядке или в хаотическом беспорядке. Соответственно вещества называются кристаллическими и аморфными.

Кристаллическими являются большинство твердых веществ. Каждое вещество образует кристаллы определенной формы, которая отражает его внутреннее строение и обусловлена геометрически правильным расположением атомов или молекул, образующих кристалл. Такое расположение атомов представляют в виде кристаллической решетки.

Строение и свойства вещества

Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом, и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

Общее свойство металлов и сплавов – их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристал­лической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространст­венной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не ря­дом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансля­цией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1).

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.

Рисунок 1.1 – Кристаллическая решетка.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.

Геометрически возможны 14 видов пространственных решеток, являющихся основой сими систем кристаллических решеток – сингоний (триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая).

Наиболее часто встречаются разновидности кубической решетки. На рис. 1.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объемноцентрированная кубическая (ОЦК); гранецентрирован­ная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 2, б).

В кубической объемно-центрированной решетке (ОЦК; А2) атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема (рис. 2, а).

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы (рис. 2, в).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом Iк называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.


а) гранецентрированная кубическая (ГЦК); б) объемно-центрированная кубическая (ОЦК); в) гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка

Рисунок 1.2 - Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов:

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности. Решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами. Под параметрами понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку.

Аморфные вещества

Характеризуются беспорядочным расположением атомов и молекул, т.е. в них отсутствует кристаллическое строение. Они делятся на две группы: простые аморфные вещества – низкомолекулярные жидкости, неорганические стекла, плавленый кварц; высокополимерные соединения – каучук, резина, органические стекла, смолы.

Аморфно-кристаллические вещества

Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, оксид кремния – SiO2. Смешанную структуру имеют многие органические материалы (полимеры).

Процесс кристаллизации

Все кристаллические тела при нагреве сохраняют твердое состояние до определенной температуры. Чем выше температура, тем появляется большая амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. При достижении критической температуры амплитуда увеличивается настолько, что происходит разрушение кристаллической решетки, и атомы располагаются хаотично, а тело переходит в жидкое состояние. Температура, при которой тело переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления.

Обратное явление перехода тела из жидкого состояния в твердое происходит при температуре кристаллизации. Процесс образования кристаллов из жидкости называют кристаллизацией. Кристаллизация состоит из двух этапов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 1.3). Форма, величина и направление роста кристаллов влияют на все свойства вещества.

Рисунок 1.3 – Этапы процесса кристаллизации.

Чтобы вызвать кристаллизацию, вещество надо охладить до температуры переохлаждения tпр, т.е. его температура должна быть несколько ниже температуры плавления tпл. Разницу температур

tпл - tпр называют степенью переохлаждения Δt. Кристаллическая структура вещества зависит от степени переохлаждения. Степень переохлаждения определяет число центров кристаллизации скорость роста кристаллов. Если степень переохлаждения невелика, то число центров кристаллизации относительно мало, а скорость роста кристаллов велика. Поэтому в результате медленного охлаждения получается крупнозернистая кристаллическая структура. При большой степени переохлаждения образуется большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов невелика. Следовательно, при быстром охлаждении образуется мелкозернистая кристаллическая структура.

Таким образом, изменяя условия охлаждения вещества, можно управлять его кристаллической структурой, а, следовательно, и свойствами твердого тела. Это явление лежит в основе термической обработки металлов.

Иногда для получения мелкого зерна при затвердевании металла создают искусственные центры кристаллизации, вводя специальные вещества – модификаторы. Этот процесс называется модифицированием.

Полиморфизм (аллотропия)

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α (α-Fe), при более высокой - индексом β, затем γ и т.д.

Известны полиморфные превращения железа:
Fe
a « Feg (a-Fe « g-Fe), титана Tia « Tig
(a-Ti « g- Ti) и других элементов.

Температура превращения одной кристаллической модификации в дру­гую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняются форма и тип кристалли­ческой решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчи­во Feg. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свой­ства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответст­венно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термооб­работке.

Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».

Анизотропия

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они со­стоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характе­ризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в раз­личных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные мате­риалы изотропны. Стекла независимо от состава – аморфные материалы. При нормальных условиях обладают механическими свойствами твердых тел. При нагревании плавно изменяют свои физико-химические свойства.

В кристаллических материалах расстояния между ато­мами в разных кристаллографических направлениях различны. Напри­мер, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кри­сталла наблюдаются разные свойства. Различие свойств кристалла в за­висимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла железа — более, чем в два раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или для так называемых монокристаллов.

Большинство же технических литых ме­таллов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 1.4, а). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристалличе­ского металла являются усредненными.

Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью — ка­жущейся независимостью свойств от направления испытания. Квази­изотропность сохраняется в литом состоянии, а при обработке давлением (прокат­ке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен ме­талла приобретает примерно одинаковую ориентировку — так называемую текстуру (pиc. 1.4, б), после чего металл становится анизотропным.

а) в зернах литого металла;  б) после обработки давлением

Рисунок 1.4 - Ориентировка кристаллических решеток.
Жидкие кристаллы- это вещества, которые находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью, и обладают свойствами, характерными как для кристаллов(анизотропия), так и для жидкостей (текучесть).

Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам ме­талла (расслою, волнистости листа). Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.

Дефекты кристаллов

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное по­вторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла ха­рактерно наличие большого количества де­фектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти де­фекты оказывают существенное влияние на свойства материала.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты

Точечные дефекты (рис. 1.5) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диамет­ров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристал­лической решетки — вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоци­рованные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находя­щиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — при­месные атомы.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздей­ствием тепловых, механи­ческих, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Вакансии и дислоцированные атомы могут появляться вследствие тепловых движений атомов. В характерных для металлов решетках энергия образования дислоцированных атомов значительно больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому основными точечными дефектами в металлах являются тепловые вакансии. При комнатной температуре концен­трация вакансий сравнительно невелика и составляет около 1 на 1018 атомов, но резко повышается при нагреве, особенно вблизи температуры плав­ления. Точечные дефекты не закреплены в определенных объемах металла, они непрерывно перемещаются в кристаллической решетке в результате диффузии.


а – вакансия; б – атом замещения; в – атом внедрения; г нарушение стехиометрического состава.

Рисунок 1.5Основные виды точечных дефектов.


Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Перемещение атомов осуществляется путем обмена местами с вакансиями.

Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

Линейные дефекты

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации (лат. dislocation — смещение). Теория дислокаций была впервые применена в середине тридцатых годов ХХ века физиками Орованом, Поляни и Тейлором для описания процесса пластической деформации кристаллических тел. Ее использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дисло­каций может достигать большой величины.

Пластическая деформация кристаллических тел связана с количеством дислокаций, их шириной, подвижностью, степенью взаимодействия с де­фектами решетки и т. д. Характер связи между атомами влияет на пластич­ность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связя­ми дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта — в 103 раз больших, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов явля­ется наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов .

Повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями: 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало; 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, грани­цы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому стро­ению имеют неодинаковую про­стран­ст­венную ориентировку решеток. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.

На рис. 6 показано, что границы зерен и фаз могут совпадать (когерентные), совпадать частично (полукогерентные) и не совпадать (некогерентные).

Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.


Рисунок 1.6 - Схема строения зерен и границ между ними.

Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства метал­ла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диа­метра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах — от нескольких микрометров до миллиметров. Процесс пластического течения, а, следовательно, и предел текучести зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. до границ зерен металла. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее осо­бенно важно для металлических изделий, работающих при низких тем­пературах. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутстви­ем в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способству­ющих об­ра­зованию трещин.

Помимо перечисленных дефектов в метал­ле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижа­ют проч­ность металла.

Дефекты кристаллического строения оказывают большое влияние на все свойства кристаллических тел: механические, магнитные, электрические, оптические и даже химические.

Таким образом, можно выделить следующие виды дефектов: точечные (нульмерные) – имеют размеры порядка диаметра атома. Присутствуют в любом кристалле, и при увеличении температуры их количество растет; линейные (одномерные) – имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении (ухудшают свойства веществ); поверхностные (двухмерные) – малы лишь в одном измерении и представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или блоками вещества; объемные (трехмерные) – имеют существенные размеры во всех трех измерениях (пустоты, включения).

1.2. Механические свойства материалов и методы их определения

Металлы и сплавы обладают физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами.

К физическим свойствам относятся плотность, теплопроводность, электропроводность, теплостойкость, коэффициент линейного расширения, температура плавления и др.

Под химическими свойствами подразумевается способность металлов и сплавов противостоять коррозии.

Группа механических свойств охватывает такие показатели металлов и сплавов, как твердость, прочность, пластичность, упругость.

К технологическим свойствам относятся износоустойчивость, жаропрочность, термостойкость, технологичность (обработка давлением и резанием).

Прочность – свойство металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Она выражается различными показателями. Такими как усталость, упругость, твердость, пластичность, вязкость, хрупкость.

Усталость – способность выдерживать большое кол-во знакопеременных нагрузок без разрушения.

Упругость – свойство металла возвращаться к своей первоначальной форме после прекращения действия нагрузки.

Твердость – свойство металла сопротивляться проникновению в него другого тела, не испытывающего остаточной деформации.

Пластичность – способность металла деформироваться и не разрушаться под воздействием значительных нагрузок.

Вязкость – способность металла выдерживать ударные нагрузки без разрушения.

Хрупкость – способность металла разрушаться без заметной пластической деформации.

Прочностные свойства материала характеризуются следующими показателями: пределом прочности, пределом пропорциональности, пределом упругости, ударной вязкостью, пределом текучести, относительным удлинением.

Испытание на растяжение

Производится на специальных разрывных машинах. В результате этих испытаний получают диаграмму растяжения. На этой диаграмме имеются следующие основные точки, характеризующие работу данного материала на растяжение: предел пропорциональности – Fпц; предел текучести – Fт; максимальная нагрузка – Fд и нагрузка в момент разрыва – Fк.

Определение твердости

Определение твердости может осуществляться в различных вариантах. Наиболее широкое применение получило определение твердости на приборах Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бринелля состоит в том, что в испытуемый образец вдавливается стальной закаленный шарик. Твердость определяется по диаметру лунки. Твердость по Бринеллю обозначается через НВ и выражается следующей формулой:

НВ = 2F/πd2(d2 - d2 2 – d 12),

где d2 – диаметр шарика в мм; d1 – диаметр лунки в мм; F – нагрузка в Н.

Например, для свинца – НВ = 3,9; для вольфрама – 202; для органического стекла – 170.

1.3 Понятие о сплавах

Чистые металлы в современной промышленности имеют ограни­ченное применение, поскольку в большинстве случаев они не обла­дают требуемым комплексом электрофизических, магнитных, механических и других свойств. Сплавы металлов получили в технике гораздо более широкое применение. Изменяя состав и способ из­готовления, можно получить сплавы почти с любыми заданными свойствами: например, с высокой механической прочностью в соче­тании с малой плотностью, с высоким удельным электрическим со­противлением, магнитные, немагнитные и т. д.

Металлические сплавы — это кристаллические тела, по­лученные при сплавлении металлов с другими металлами и неме­таллами. Важнейшими электротехническими сплавами являются сплавы меди — бронзы и латуни, сплавы алюминия, магнитные сплавы железа с никелем и кобальтом и др. Сплавы характеризуются – компонентом и фазой. Компоненты это те вещества, из которых образуются сплавы. Фазой называют однородную по химическому составу и структуре часть сплава, отделенную от других частей сплава поверхностью раздела.

Сплавы могут быть двухкомпонентными и многокомпонентными. Обязательным условием образования сплава является получение однородного жидкого рас­твора соединившихся компонентов (рис. 8). Например, железо со свинцом или свинец с цинком не образуют сплава, так как в жид­ком виде они не смешиваются и не дают однородного раствора. Но в большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор. При затвердевании сплавы образуют три типа соединений: 1) твердый раствор, 2) химическое соединение, 3) механическое соединение (смесь).


Рисунок 1.7 – Схематическое изображение структуры двухкомпонентных соединений.

При образовании твердых растворов атомы растворяющегося элемента и атомы растворителя образуют общую кристаллическую пространственную решетку. Растворителем называют тот ме­талл, кристаллическая решетка которого сохраняется при образо­вании твердого раствора. Если два металла, образующие твердый раствор, имеют одинаковые по типу кристаллические решетки, то растворителем называют тот из них, концентрация которого пре­вышает 50 атомных процентов.

Различают твердые растворы замещения и внедрения. В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя. Примером рас­творов замещения являются медно-цинковые и медно-кадмиевые сплавы, сплавы крем­ния с германием, железоникелевые сплавы. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного элемента размещаются между атомами растворителя, например атомы бериллия в кристаллической решетке меди (бериллиевые бронзы), атомы углерода в железе, фосфора в меди и т. д.

Структура твердых растворов видна под микроскопом в виде однородных зерен, подобных зернам чистых металлов.

Химические соединения имеют совершенно новую кристалличе­скую решетку, отличающуюся от кристаллических решеток исход­ных компонентов. Соответственно и физико-химические свойства химических соединений резко отличаются от свойств образующих их компонентов.

Широкое применение химические соединения металлов нашли в производстве высокоомных материалов, диэлектрических материалов для конденсаторов, в полупроводниковом производстве, при изготовлении сверхпроводников.

При образовании механического соединения (смеси) исходные компоненты не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию. Атомы каждого компонента кристаллизуются самостоятельно с образованием собственной кристаллической решетки. В результате образуется механическая смесь различных кристаллов.

Для механических смесей характерна более низкая температура плавления, чем для их компонентов. Это позволяет использовать их при разработке составов припоев (олово с цинком, алюминий с бериллием и т.д.).

Для выявления зависимости состояния сплавов от концентрации компонентов и температуры пользуются диаграммами состояния.

Диаграммой состояния называют графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграмма позволяет правильно подойти к выбору сплава, судить о поведении сплава при технологической обработке и характеризуют его физические и ряд механических свойств.


Рисунок 1.8 – Диаграмма состояния I рода.

Такая диаграмма характерна для сплавов, компоненты которых образуют смеси при незначительной взаимной растворимости. Компоненты А и В для этого типа диаграмм взаимно растворяются только в жидком состоянии, а в твердом – не растворяются и не образуют химических соединений. Линия 1, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус (от лат. «ликвидус» - жидкий, текучий). Линия 2, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус (от лат. «солидус» - твердый). Между этими линиями сплавы переходят из жидкого состояния в твердое.

Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим, или эвтектикой ( от греч. «эвтектика» - легко плавящийся). Эвтектика представляет собой тонкую механическую смесь компонентов А и В. Состав этого сплава можно определить, опустив перпендикуляр из точки 3 на ось абсцисс (точка 4). Левее точки 4 сплавы называются доэвтектическими, правее – заэвтектическими.

Тип диаграммы состояния предопределяет характер изменения свойств сплава.

Тема 1.2 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

Термической обработкой называются процессы, сущность которых заключается в нагреве и охлаждении изделий по определенным режимам, в результате которых происходит изменение структуры, фазового состава, механических и физических свойств. Применяют также различные виды химико-термической обработки, сущность которой заключается в легировании поверхностного слоя изделий азотом, углеродом, или некоторыми металлами (алюминием, хромом. Бериллием) с последующей термической обработкой.

В зависимости от целей термической обработки существуют различные ее виды, отличающиеся температурой нагревания, продолжительностью выдержки и скоростью охлаждения.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг применяется для снижения твердости, измельчения зерна, улучшения обрабатываемости, снятия напряжений. Для отжига сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают и охлаждают с малой скоростью в печи с отключением источника тепла.

Нормализация – представляет нагрев стали до температуры выше критической точки, выдержке при этой температуре, охлаждении на спокойном воздухе со скоростью, большей, чем при отжиге. Назначение – придание стали мелкозернистой структуры. Нормализация дает более заметное повышение прочности, но меньшую пластичность. Преимущество перед отжигом – более низкая стоимость.

Закалка – заключается в нагреве стали, выдержке при данной температуре в течение определенного времени и последующем резком охлаждении. Цель – повышение твердости и прочности. При закалке возникают внутренние напряжения в материале, резко снижается пластичность и ударная вязкость. Это может привести к хрупкому разрушению детали при эксплуатации.

Для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности и ударной вязкости после закалки применяют отпуск, который заключается в нагревании закаленной стали до температуры, не превышающей нижнюю критическую точку, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.

В зависимости от температуры различают три вида отпуска: низкий, средний, высокий.

Низкий отпуск производится при температуре 150...250°С. Твердость стали снижается незначительно. Струк­туру, образующуюся в результате низкого отпуска, называют мар­тенситом отпуска или отпущенным мартенситом. Низкому отпус­ку подвергается режущий и измерительный инструмент, штампы для холодной штамповки, а также детали, которые должны обла­дать высокой износостойкостью.

Средний отпуск производится при температуре 350...450°С. При среднем отпуске цементит образуется не в виде пластинок, а в виде мельчайших зерен, что способствует повыше­нию вязкости стали. Среднему отпуску подвергаются изделия, ко­торые должны обладать высокой упругостью и достаточным запа­сом вязкости (рессоры, пружины и др.).

Высокий отпуск производится при температуре 500...650°С. В результате проис­ходит полное устранение остаточных напряжений, сталь приоб­ретает хорошие пластичность и вязкость при достаточно высокой прочности. Такой отпуск предназначен для деталей ответственно­го назначения, которые испытывают в процессе эксплуатации удар­ные и знакопеременные нагрузки.

Двойную термическую обработку, включающую в себя закалку и последующий высокий отпуск называют термическим улучшением, поскольку улучшается весь комплекс механических свойств стали.

Химико-термическая обработка. Химико-термическая обработ­ка заключается в химическом и термическом воздействии с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхност­ного слоя металла. В процессе химико-термической обработки про­исходит поверхностное насыщение металла соответствующим элементом в процессе его диффузии в атомарном виде из жидкой, твер­дой или газовой среды при высокой температуре. Основные виды химико-термической обработки классифицируют по названиям элементов, которыми насыщается поверхностный слой. Например, насыщение углеродом называется цементацией, азотом - азотиро­ванием, хромом - хромированием.

Широкое применение химико-термической обработки в различ­ных областях техники объясняется тем, что она, повышая твердость, износостойкость, коррозионную стойкость поверхности, увеличи­вает надежность и долговечность работы деталей машин и меха­низмов.

Химико-термическая обработка складывается из:

  • диссоциации, которая происходит на контактной поверхности «металл - газовая среда» и приводит к выделению диффундирую­щего элемента в атомарном состоянии;

  • абсорбции - поглощения поверхностью свободных атомов;

  • диффузии - проникновения насыщающего элемента вглубь по­верхностного слоя.

Основным физическим процессом является диффузия, скорость которой увеличивается при повышении температуры, диффунди­рующий элемент проникает на большую глубину.

Цементация заключается в диффузионном насыщении по­верхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответству­ющей среде - карбюризаторе. Процесс цементации проходит при температурах (900...950°С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. Цементацию проводят в твердых, жидких и газовых карбюризаторах. Газовая цементация является наиболее производительным процессом. Ос­новной реакцией, обеспечивающей науглероживание, является дис­социация метана:

СН2ат.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали, содержащие от 0,1 до 0,35% углерода. Поверхностный слой стали после цементации имеет переменную концентрацию углеро­да по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементо­ванного слоя можно различить (начиная от поверхности) три зоны: заэвтектоидную, эвтектоидную, доэвтектоидную. Общая толщина цементованного слоя составляет 0,8...3,0 мм.

После цементации для получения необходимых свойств прово­дят термическую обработку – закалку с низким отпуском. В резуль­тате термической обработки поверхностный слой приобретает из­носостойкую структуру, а низ­коуглеродистая сердцевина детали оказывается достаточно вязкой. Чаще всего цементации подвергают шестерни различных механизмов с целью повышения их долговечности.

Азотирование заключается в диффузионном насыщении по­верхностного слоя азотом в соответствующей среде. Перед азоти­рованием стали подвергают термической обработке – закалке и вы­сокому отпуску.

Азотированию подвергаются легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий и другие элементы, способные образо­вывать с азотом очень твердые и термостойкие нитриды. Азотиро­вание проводят при температуре 500...600°С. Основная реакция, происходящая на поверхности детали – реакция диссоциации ам­миака.

После азотирования сталь приобретает высокую твердость, из­носостойкость и коррозионную стойкость. По этим свойствам азо­тированные стали превосходят цементованные. Однако азотиро­ванный слой хуже противостоит ударным нагрузкам и имеет более низкую контактную выносливость. Из-за большой длительности процесса (до 70 ч) применение азотирования экономически целе­сообразно для обработки ответственных изделий, например колен­чатых валов автомобилей, гильз цилиндров двигателей внутрен­него сгорания, различных деталей арматуры и др.

Хромирование заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали хромом при температуре 900...1300°С в соответствующей среде. Хромирование обеспечивает повышен­ную жаростойкость стали до температуры 800 °С, высокие корро­зионную и эрозионную стойкость. Хромированию подвергаются детали паросиловых установок, паропроводной арматуры, венти­ли, клапаны, патрубки. Для увеличения сопротивляемости корро­зии хромированию подвергают трансформаторную сталь. При этом сталь дополнительно приобретает высокую жаропрочность.

Контрольные вопросы

Чем характеризуется кристаллическое строение металлов?

Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

Каковы основные дефекты кристаллического строения?

Что такое аллотропия металлов?

Какие механические свойства характеризуют прочность и пластичность материалов при растяжении?

Что такое диаграмма состояния сплавов и что позволяет она установить?

Каковы основные виды термической обработки?

В чем заключается цементация стали?

Раздел 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тема 2.1 Классификация полупроводниковых материалов

Вещества различают по их способности проводить электрический ток. Эта способность характеризуется величиной удельного электрического сопротивления – ρ или удельной электрической проводимостью – γ. Значение γ при нормальной температуре составляет для диэлектриков менее 10-10 См/м, а для проводников – более 104 См/м.

Рассмотрим характер изменения удельной проводимости твердых тел при температуре, стремящейся к абсолютному нулю.

Удельная проводимость проводников при этом увеличивается, а многие металлы переходят в сверхпроводящее состояние, характеризующееся бесконечно большим значением γ.

Совершенно иначе ведут себя полупроводники. При уменьшении температуры их удельная проводимость уменьшается, а при Т → 0 К полупроводники вообще не проводят электрический ток, т.е. становятся диэлектриками. Зато при возрастании температуры γ полупроводников резко увеличивается.

Для появления у полупроводников свободных носителей заряда не обязательно подводить к ним тепловую энергию. Это можно достигать в них освещением, механическими нагрузками, электрическим полем и т.д. Сильное влияние на электропроводность оказывает внутренняя структура полупроводников. Кроме того, введение в полупроводник даже незначительного количества атомов постороннего элемента обычно резко изменяет его электропроводность. Все это открывает широкие возможности для управления электрофизическими свойствами полупроводниковых материалов.

Итак, полупроводник – это вещество, основным свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от воздействия внешних факторов.

Все полупроводники можно разделить на простые и сложные.

Простым называют такой полупроводник, основной состав которого образован атомами одного химического элемента (кремний, германий, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, серу, мышьяк, сурьму, йод, серое олово).

Структура сложных полупроводников образована атомами различных химических элементов. К этой группе относятся твердые растворы (кремния и германия) и химические соединения, обозначаемые АB. В этой формуле верхние индексы (m и n) означают номер группы периодической системы, в которую входит соответствующий элемент, а нижние (x и y) – число атомов этого элемента в соединении. Например, полупроводник арсенид галлия GaAr относят к соединениям типа АIIIВV, а оксид меди Cu2O – к соединения типа A2IBVI.

Полупроводниковыми свойствами обладают многие тройные и боле сложные химические соединения, например ZnSiAs2. Полупроводниковыми является целый ряд органических соединений: антрацен, нафталин, фталоцианин и др.

Замечательным свойством полупроводников является также то, что они допускают обратное преобразование электрической энергии в световую, тепловую или механическую.

Полупроводники используют для усиления и генерации электрических сигналов (транзисторы, диоды, интегральные схемы), в качестве первичных преобразователей температуры и источников тепловой энергии (терморезисторы и нагревательные элементы), в качестве первичных преобразователей и источников оптических сигналов (фоторезисторы, светодиоды, лазеры), для преобразования механических колебаний (тензорезисторы и пьезодатчики) и т.д.

Энергетические уровни и зоны

Атом состоит из ядра и движущихся по определенным орбитам электронов.

Полная энергия электронов, равная сумме его кинетической (движения по орбите) и потенциальной (притяжения к ядру) энергий, называется энергетическим состоянием атома. Каждой разрешенной орбите соответствует свое энергетическое состояние, которое на диаграмме представляют в виде энергетического уровня. Так как орбиты и их энергии делятся на разрешенные и запрещенные, то и энергетические уровни могут быть также разрешенными и запрещенными.

Энергия электрона Е выражена в электрон-вольтах. Электрон-вольт это энергия, которую приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В.

Взаимодействие атомов в решетке приводит к тому, что их энергетические уровни расщепляются на большое количество почти сливающихся подуровней, образующих энергетические зоны.

Энергетическая зона, заполненная подуровнями, тем шире, чем ближе расположены атомы и чем выше энергетический уровень. Вероятность «пребывания» электрона в запрещенной зоне равна нулю.

Классификация материалов по электрическим свойствам (зонная теория)

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел, сущность которой состоит в следующем.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. Согласно принципу Паули на каждой ор­бите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т.е. каждая орбита представляет собой определенный энергетический уровень. Под воздействием притя­жения положительно заряженного атомного ядра электроны стре­мятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значени­ем энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни — свободными. Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетиче­ского уровня Wx на другой свободный уровень W2 (рис. 1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию W = W2- W1. Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в созда­нии электропроводности.

W — энергия электрона; W1 — нижний энергетический уровень; W2свобод­ный энергетический уровень; W C — зона проводимости (свободная зона); W запрещенная зона; Wв, — валентная зона

Рисунок 2.1 – Диаграмма энергетических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2).

В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, которые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом расщепляются свободные и заполненные энергетические уровни. Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны обозначается Wв. Свободная зона называ­ется зоной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости (свободной зоны) обозначается Wa. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной W. Значение запрещенной зоны существенно влияет на свойства ма­териалов.

Если W равна или близка к нулю, то электроны могут перей­ти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относятся к проводникам. Проводнико­вые материалы служат для проведения электрического тока. Обычно к проводникам относятся вещества с удельным электрическим сопротивлением р < 10 Ом*м. Типичными проводниками явля­ются металлы.

Если значение запрещенной зоны превышает несколько элект­ронвольт, то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие ве­щества относятся к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высо­кое удельное электрическое сопротивление и обладают способно­стью препятствовать прохождению тока. К диэлектрическим мате­риалам относятся вещества с удельным электрическим сопротив­лением р > 107 Ом* м. Благодаря высокому удельному электриче­скому сопротивлению их используют в качестве электроизоляци­онных материалов.

Если значение запрещенной зоны составляет 0,1...0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимо­сти благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой прово­димостью относятся к полупроводникам. Удельное электри­ческое сопротивление полупроводников составляет р 109 Ом * м.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы мо­гут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы — проводники, а пары металлов — диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модификации алмаза — диэ­лектрик, а в модификации графита — проводник.

Основным свойством вещества по отношению к электрическо­му полю является электропроводность, характеризующая способ­ность материала проводить электрический ток под воздействием постоянного электрического поля, т.е. поля, напряжение которо­го не меняется во времени.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью и удельным электрическим сопротивлением:

Значения удельной электрической проводимости и удельного электрического сопротивления у разных материалов существенно различаются. В сверхпроводящем состоянии удельное электричес­кое сопротивление материалов равно нулю, а у разреженных га­зов стремится к бесконечности.

Легко понять, что проводящие свойства кристалла зависят от ширины запрещенной зоны, разделяю­щей валентную зону и зону проводимости. Чем шире запрещенная зона, тем меньше (при заданной темпе­ратуре) количество электронов, которые проникнут в зону проводимости, тем меньше проводимость кри­сталла.

Кристаллы могут быть хорошими проводниками даже в том случае, когда валентная зона заполнена целиком, если она непосредственно примыкает к зоне проводимости или пересекается с ней (в результате размытия зон при образовании решетки). С увели­чением ширины запрещенной зоны кристаллы приоб­ретают свойства изоляторов. Средним значениям ширины запрещенной зоны соответствуют полупро­водниковые кристаллы .

Так как валентная зона и зона проводимости у кристаллических проводни­ков не разделены, электроны свободно переходят с одного разрешенного подуровня на другой, приобретая упорядо­ченную скорость под дейст­вием приложенного напря­жения. При этом с увеличением темпера­туры сопротивление провод­ника увеличивается вследст­вие уменьшения длины сво­бодного пробега электронов в кристалле.

У полупроводниковых кристаллов проводимость определяется прежде всего количеством электронов, преодолевших запрещенную зону и проникших в зону проводимости.

Полупроводниковые материалы

Химическая связь между атомами полупроводника осуществляется за счет взаимодействия валентных электронов, при этом каждый атом получает от соседа в совместное владение и отдает ему свои валентные электроны, недостающие до образования устойчивой восьмиэлектроннои зоны. Таким образом, в идеальном полупроводнике все валентные элект­роны участвуют в образовании химической связи и свободных электронов нет. Такой тип химической связи называется ковалентной.

На рис. 2.2 показана схема образования химической связи в кристаллической решетке кремния, у атома которого в свободном изолированном состоянии имеется четыре валентных электрона, а в кристаллической решетке внешний электронный уровень каж­дого атома заполняется до восьми электронов, за счет совместно­го владения электронами четырех ближайших атомов-соседей.

Рисунок 2.2 – Схема образования химической связи в кристаллической решетке кремния. Вследствие малой ширины (1 эВ) запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния – дырки – в валентной зоне. Под действием приложенного к кристаллу напряжения электрон проводимости дви­жется «навстречу» электрическому полю, а электрон в валентной зоне занимает свободный уровень, осво­бождая свой уровень для другого электрона. Это мож­но рассматривать как движение положительного за­ряда (дырки) в направлении электрического поля.

Генерация пар свободных, т. е. способных пере­мещаться под действием приложенного напряжения, зарядов делает кристалл способным проводить элект­рический ток, а электропроводность такого кристалла называется собственной.

Полупроводник, в котором электропроводность осуществляется за счет возбуждения электронов химической связи, называется собственным полупроводником.

Носителями тока в таких полу­проводниках являются собственные электроны и дырки.

На рис. 2.3 приведена схема кристаллической решетки собст­венного полупроводника. При возбуждении собственного валентного электрона образуется n-тип носитель тока — свободный электрон и р-тип носитель тока – дырка – незанятая химическая связь.

Одновременно с образованием пар носителей часть электронов из зоны проводимости спонтанно перехо­дит обратно в валентную зону, излучая кванты энергии. Этот процесс называется рекомбинацией пар. При постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие, определяющее концентра­цию свободных электронов и дырок (при данной температуре).

Чем выше температура, тем выше концентрация свободных носителей заряда, тем больше собственная электропроводность кристалла.

При температуре 0К пары носителей не образуются, и кристалл полностью теряет собственную элект­ропроводность. При этом электроны внутри кристалла хаотически движутся с большими скоростями (поряд­ка 106 м/с), но на приложенное внешнее напряже­ние не реагируют.


Рисунок 2.3 – Схема кристаллической решетки собст­венного полупроводника.

Реальные кристаллы содержат многочис­ленные дефекты кристаллической решетки: точечные, линейные, объемные и поверхностные. В местах нару­шения периодической структуры кристалла (внедре­ния атомов в междоузлия) энергия связи электронов с ядрами изменяется, в результате чего возникают новые энергетические уровни, которые могут выхо­дить за пределы валентной зоны и размещаться в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости. Это облегчает переход электронов в зону проводимости.

Дефекты кристаллической решетки вызываются также примесями, когда в структуру кристалла внед­ряются чужеродные атомы. Электроны примесных ато­мов образуют свои энергетические уровни, которые также располагаются в запрещенной энергетической зоне. Взаимодействие примесных атомов приводит к расщеплению примесных уровней в примесные энергетические зоны.

Переход носителей заряда в свободное состояние при наличии примесных уровней существенно облег­чается, так как сокращается участок запрещенной зоны, который электронам надо преодолеть. Прово­димость кристалла возрастает.

Электропроводность, возникающую за счет при­месных атомов, называют примесной. Характе­ром носителей зарядов и значением примесной элект­ропроводности можно управлять, подбирая состав и концентрацию примесей.

Полу­проводники, в которых электропроводность осуществляется за счет электронов и дырок атомов-примесей, называются примесными.

В современной технике для изготовления полупроводниковых кристаллов используют элементы четвертой группы периодической системы Менделеева.

В качестве регулирующих примесей, придающих кристаллам германия и кремния требуемые свойства, применяют либо пятивалентные элементы (сурьма, мышьяк, фосфор), либо трехвалентные (бор, индий, галлий, алюминий).

Количество атомов примеси обычно на несколько порядков меньше количества атомов основного эле­мента, так что на многие десятки тысяч атомов германия или кремния приходится только один атом примеси. На рис.2.4 изображена кристаллическая решетка германия, в которую «внедрился» атом примеси – пятивалентный атом мышьяка.


Рисунок 2.4 - Замеще­ние в узле кристал­лической решетки атома германия атомом мышьяка



Четыре электрона валентной оболочки атома мышьяка образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый, валентный, электрон мышьяка оказывается свободным, не участвует в образовании связи, т. е. возникает носитель тока n -типа, и германий приобретает элек­тронный «n -тип проводимости Размер орбиты, по которой он вращается вокруг ядра атома мышьяка, увели­чивается в десятки раз, а связь его с ядром резко уменьшается. Расчеты показывают, что в рассматри­ваемом случае энергия, необходимая для отрыва «лишнего» электрона от атома мышьяка (энергия перехода в зону проводимости), составляет примерно 0,05 эВ. Учитывая, что ширина запрещенной зоны германия несколько превышает 1 эВ, нетрудно по­нять, что энергетический уровень электрона мышьяка расположен рядом с зоной проводимости кристалла. При относительно большой концентрации примесных атомов мышьяка образуется примесная зона, которая может даже перекрыться с энергетической зоной про­водимости германия.

Энергетическая диаграмма кристаллического германия с достаточно высокой концентрацией примеси мышьяка изображена на рис.2.5.

Рисунок 2.5 - Энерге­тическая диаграм­ма полупроводни­кового кристалла с электронной элек­тропроводностью: 1 – зона проводимо­сти; 2 – примесная зона; 3 – запрещен­ная зона; 4 – ва­лентная зона.



Так как примесная зона и зона проводимости размещаются рядом, а иногда и перекрываются, уже при небольших температурах значительная часть электронов примесной зоны переходит в зону прово­димости. При каждом таком переходе образуется пара носителей зарядов: электрон в зоне проводимости и дырка в примесной зоне. Предположим, что к крис­таллу приложено внешнее напряжение, обычно состав­ляющее несколько десятков вольт. Под действием этого напряжения положительно заряженные дырки, переходя с одного энергетического подуровня при­месной зоны на близко расположенный другой под­уровень, практически мгновенно «прижмутся» к дну примесной зоны. Дальнейшее движение дырок, связан­ное с увеличенным значением их энергии, будет невозможным, так как они не смогут преодолеть широ­кую запрещенную зону. Что касается электронов, то они беспрепятственно движутся навстречу прило­женному напряжению, переходя в зоне проводимости с одного энергетического подуровня на другой.

Таким образом, в рассмотренном случае прохождение тока через кристалл обеспечивается электронами. Электропроводность кристалла называется электронной, а примесь, поставляющая электроны в зону проводимости донорной. Пятивалентная донорная примесь в четырехвалентном кристалле создает электронную электропроводность.

Рисунок 2.6 – Замещение в узле кристаллической решетки атома германия атомом индия.


Рассмотрим процессы, возникающие при легиро­вании четырехвалентного кристалла трехвалентной примесью. На рис.2.6 изображена кристаллическая решетка германия, в которую «внедрился» атом примеси – трехвалентный атом индия. Три электрона внешней оболочки атома индия вступают в ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. При этом каж­дый электрон движется вместе с электроном сосед­него атома по орбите, охватывающей два соседних ядра. На четвертой орбите движется только один электрон (хотя в соответствии с принципом Паули их может быть два). Отсутствие другого электрона равноценно присутствию положительного заряда — дырки.

Под действием теплового (или иного) возбуждения электроны соседних орбит легко переходят на незаполненную орбиту, что приводит к хаотическому (или упорядоченному)-движению дырок. В рассматриваемом случае для перехода валентного электрона на незаполненную соседнюю орбиту требуется примерно 0,01 эВ. Поэтому энергетический уровень дырки размещается в непосредственной близости от валентной зоны кристалла. Взаимодействие атомов примеси приводит к тому, что энергетический уровень размывается в примесную зону (рис.2.7).


Рисунок 2.7 – Энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла с дырочной электропроводностью: 1 – зона проводимости; 2 – запрещенная зона; 3 – примесная зона; 4 – валентная зона.


Так как примесная и валентная зоны размещаются рядом, а иногда и перекрываются, уже при небольших температурах значительная часть электронов валентной зоны переходит в примесную зону. При каждом таком переходе образуется пара носителей заря­дов: электрон в примесной и дырка в валентной зонах. Предположим, что к кристаллу приложено внешнее напряжение в несколько десятков вольт. Под действием этого напряжения электроны практически мгновенно «прижмутся» к потолку примесной зоны и потеряют способность проводить ток, соответствующий приложенному напряжению.

Что касается дырок, то они упорядоченно движутся по направлению приложенного напряжения, приобретая добавочную энергию, соответствующую этому напряжению, и беспрепятственно переходя с одного на другой энергетический подуровень широкой валентной зоны.

Таким образом, в рассмотренном случае прохождение тока через кристалл обеспечивается дырками. Электропроводность такого кристалла называется дырочной, а примесь, отбирающая электроны из валентной зоны акцепторной. Трехвалентная акцепторная примесь в четырехвалентном кристалле создает дырочную электропроводность.

Кристаллы с электронной электропроводностью, в которых электрический ток создается упорядоченным движением отрицательных зарядов, назы­ваются кристаллами типа п (от negative отрицательный).

Кристаллы с дырочной электропроводностью, в которых электрический ток. создается упорядоченным движением положительных зарядов, называются кристаллами типа р (от positive положительный).

Тепловое возбуждение электронов приводит к тому, что уже при нормальных температурах некоторая часть электронов, находящихся у «потолка» ва­лентной зоны, преодолевает запрещенную зону.

Итак, наряду с основными носителями зарядов некоторую роль в создании электропроводности играют неосновные носители, количество которых существенно возрастает при загрязнении кристалла посторонними примесями. В кристаллах п-типа основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В кристаллах р-типа основные – дырки, неосновные – электроны.

Тема 2.2 Электропроводность полупроводниковых материалов

Рассмотрим электропроводность простых полупроводниковых элементов IV группы периодической системы Менделеева. Эти элементы имеют на внешней электронной оболочке по 4 электрона. При этом каждый внешний электрон принадлежит двум атомам, в результате чего внешние оболочки атомов достраиваются до восьми электронов.

При Т → 0 К проводимость полупроводника стремиться к нулю: что является следствием того, что все электроны участвуют в образовании ковалентных связей, и свободные носители заряда, создающие электропроводность, отсутствуют.

Для того, чтобы в полупроводнике появились свободные носители заряда, способные под действием электрического поля создавать электрический ток, надо разорвать ковалентную связь, т.е. сообщить электрону дополнительную энергию активации – ΔWa, равную энергии разрыва ковалентной связи. Освободившийся электрон хаотически движется по объему полупроводника. При действии на полупроводник внешнего электрического поля, электрон будет двигаться противоположно направлению этого поля со скоростью – v. Отношение средней скорости дрейфа электрона к напряженности поля называется подвижностью электрона μn2/В с):

μn = v/E.

На месте оторвавшегося электрона остается положительно заряженная незаполненная связь с зарядом, равным заряду электрона, которая получила название дырки проводимости. Разрыв одной ковалентной связи приводит к появлению в полупроводнике сразу двух свободных носителей заряда: отрицательно заряженного электрона проводимости и положительно заряженной дырки проводимости. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар. Концентрация свободных электронов n в единице объема равна концентрации дырок р,

n = p-3) – полупроводник нейтрален.

Полупроводник, в котором электропроводность возникает за счет разрыва собственных ковалентных связей, называют собственным. Обычно подвижность электронов превышает подвижность дырок.

Таким образом, собственная электропроводность полупроводника γ складывается из электронной электропроводности электронов γn и дырочной электропроводности γр:

γ = γn + γр.

Строгое объяснение электропроводности дает зонная теория. Энергетические уровни связанных электронов, расщепляясь при сближении атомов, образуют зону энергий, называемую валентной зоной. Энергетические уровни, которые могут занять свободные электроны, образуют зону проводимости. При Т → 0 К все уровни валентной зоны заполнены электронами, а уровни зоны проводимости свободны. Между этими зонами лежит запрещенная зона – ΔW. Чтобы перевести электрон с верхнего уровня валентной зоны Wv на нижний уровень зоны проводимости Wc, ему нужно сообщить энергию активации Wa, равную ширине запрещенной зоны:

Wa = Wс – Wv.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит обратный процесс: электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, заполняя дырку и выделяя энергию ΔW. Этот процесс называется рекомбинацией.

Лишь идеальные полупроводниковые кристаллы проводят электрический ток за счет собственной электропроводности. В реальных полупроводниках преобладает примесная электропроводность, которой гораздо легче управлять. Причиной возникновения примесной электропроводности является несовершенство кристаллической структуры полупроводника, наличие дефектов в его кристаллической решетке.

Тема 2.3. Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников

Влияние температуры

Подвижность носителей заряда μ, определяемая их эффективной массой, скоростью и частотой столкновений с узлами и дефектами кристаллической решетки слабо зависит от температуры. На характер зависимости электропроводности полупроводника от температуры основное влияние оказывает концентрация носителей заряда. При Т → 0 все электроны связаны с атомами. В зоне проводимости электронов нет и проводимость равна нулю. Если за счет внешней энергии повысить температуру полупроводника, то некоторые электроны начнут перемещаться в зону проводимости. Прежде всего, это коснется слабо связанных электронов атомов примесей, которым для перехода в зону проводимости нужна энергия Wд много меньшая, чем энергия активации. С ростом температуры концентрация носителей заряда и проводимость будут возрастать.

γ = γприм + γо прим,

где γо прим – постоянный коэффициент.

1/T

ln γ

Рисунок 2.8 – Графики зависимостей ln γ = f(1/T) для различных концентраций примесей (Nд4> Nд3> Nд2> Nд1).

ln γ линейно возрастает при уменьшении 1/T (участок 1-2). При дальнейшем росте температуры произойдет истощение примеси, т.е. все валентные электроны примеси перейдут в зону проводимости, после чего проводимость перестанет увеличиваться (участок 2-3). При высоких температурах полупроводник приближается по проводимости к проводнику. Полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Эту зависимость используют для создания полупроводниковых первичных преобразователей температуры – термисторов.

Поглощение света и фотопроводимость

При прохождении через полупроводник частицы световой энергии – фотоны поглощаются электронами и атомами кристаллической решетки. Степень поглощения электромагнитной энергии характеризуется коэффициентом поглощения α, обратная величина которого равна толщине слоя полупроводника (в сантиметрах), при прохождении через который интенсивность света уменьшается.

Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энергетический уровень.

Поглощение света приводит к появлению в полупроводнике дополнительных неравновесных носителей заряда и электропроводность полупроводника возрастает:

γ = γтемп + γф,

где γтемп – проводимость полупроводника в темноте; γф – фотопроводимость, появляющаяся при освещении полупроводника. Фотопроводимость у полупроводниковых материалов наблюдается в узком диапазоне длин волн.

Максимальная длина волны, которую поглощает полупроводник, называется длинноволновой, или красной, границей.

При увеличении интенсивности облучения количество свободных носителей заряда в полупроводнике будет возрастать. Но одновременно будет увеличиваться интенсивность обратного процесса рекомбинации.

Зависимость электропроводности полупроводников от освещенности используют для создания различных фоточувствительных приборов, работающих в широком диапазоне длин волн.

Влияние электрического поля

При отсутствии внешнего электрического поля равновесные носители заряда движутся хаотично в разных направлениях. Если приложить внешнее электрическое поле с напряженностью Е, то на хаотическое тепловое движение носителей заряда накладывается направленное движение, т.е.

в полупроводнике возникает электрический ток. Согласно закону Ома плотность тока J = γE.


Рисунок 2.9 – График зависимости проводимости полупроводника от напряженности внешнего электрического поля.

Если проводимость γ постоянна, то с возрастанием напряженности поля плотность тока будет линейно возрастать, но лишь до тех пор, пока напряженность поля не превысит критического значения Екр. При дальнейшем увеличении напряженности проводимость полупроводника начинает возрастать. При Епр. происходит пробой полупроводника.

Ф

Екр

изические процессы в полупроводниках

Основным элементом структуры большинства полупроводниковых приборов является электрический переход между двумя областями с различными типами электропроводности.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая – p-типа, называют электронно-дырочным переходом или p -n-переходом.

Создают такие переходы путем введения в полупроводник донорной и акцепторной примесей, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной , а другая – дырочной проводимостью.


Рисунок 2.10 – Процессы в полупроводнике.

Приведем кристаллы п- и р-типов в плотное сопри­косновение и рассмотрим процессы на границе раздела (рис.2.10 ). На рисунке свободные носители обозначены кружка­ми, а ионы – знаками «+» и «-».Сразу после соприкосновения кристаллов начнется диффузия дырок из р-области в п -область и диффузия элек­тронов в обратном направле­нии. Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют, при этом вблизи граничной плоскости об­разуются два слоя: слева слой «обнаженных» отрицательных ионов, справа – слой «обна­женных» (нескомпенсированных) положительных ионов. Т.о, область раздела полупроводника оказывается обедненной свободными носителями заряда, несмотря на малую ширину (10-5 – 10-8 м), обладает большим сопротивлением, во много раз превышающим сопротивление остальной части полупроводника.

Между двумя разноименно за­ряженными слоями возникает электрическое поле, напряжен­ность которого Е препятствует диффузии дырок и электронов. Чем больше нескомпенсированных ионов, т. е. чем больше ширина «обнаженных» слоев, тем выше напряженность электрического поля. При некотором значении напряженно­сти диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности соответствуют определенная контактная разность потенциалов и определенная ширина слоя, в котором рекомбинировали подвижные носители зарядов.

Поскольку в кристаллах существуют еще и не­основные носителей заряда, то под действием напряжен­ности Е неосновные носители начнут дрейфовать навстречу диффундирующим зарядам, возникает дрейфовый ток, направленный навстречу току диффузии. Динамическое равновесие наступит при равенстве диффузионного и дрейфового токов, при этом слой l сильно обеднен свободными носителями заряда, хотя и не лишен их полностью. С прибли­жением к плоскости раздела кристаллов обеднение слоя l носителями зарядов будет все более выражен­ным.

Контактная разность потенциалов придает р-п – переходу свойство односторонней проводимо­сти, которое широко применяется в современной технике.

Если к p-n – переходу подключить источник напряжения U, то разность потенциалов на границах контактного слоя кристаллов п- и р – типов изменится (рис. 2.11). Включение p-n-перехода в электрическую цепь, когда плюс источника подсоеди­нен к области р, а минус — к области п, называется прямым. В этом случае внешнее электрическое поле направлено навстречу электрическому полю, обусловленному объемными зарядами. При этом основные носители в p- и п – полупроводника , имеющие наибольшую энергию, проникают через обедненный слой в области, где они оказываются неосновными носителями и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током; р-п – переход при такой полярности внешнего напряжении «открыт», и через него течет прямой ток.

При смене полярности внешнего напряжения электрические поля совпадают по направлению. В результате чего основные носители двигаются от перехода, а пересечь переход смогут только неосновные носители. Их очень мало, поэтому и ток, создаваемый при этом, мал. При таком включении р-п –переход «заперт», и через него протекает только малый ток неосновных носителей.

Таким образом, при пря­мом включении р - n – перехода разность потенциалов на гра­ницах обедненного слоя (по­тенциальный барьер) умень­шается, а при обратном включении увеличивается. Уменьшение потенциаль­ного барьера приводит к возрастанию диффузионного тока и уменьшению встречного дрейфового тока. Результирующий ток совпадает с диффузионным.


Рисунок 2.11 – Включение р-п –перехода в электрическую цепь.

Увеличение потенциального барьера приводит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрей­фового. Результирующий ток p-n-перехода и всей зам­кнутой цепи совпадает с дрейфовым током. Это ток называют обратным.

Напомним, что диффузионный ток создается основ­ными носителями зарядов, а дрейфовый - неосновными. Так как концентрация основных носителей на несколько порядков выше концентрации неосновных, прямой ток в сотни и тысячи раз превышает обратный. Таким образом, р- n – переход , включенный в прямом направлении, пропускает электрический ток, а вклю­ченный в обратном — не пропускает.

Чтобы уменьшить обратный ток, надо уменьшить количество неосновных носителей заряда. Это достига­ется уменьшением посторонних (не легирующих) при­месей и улучшением структуры кристалла (уменьше­нием числа дефектов кристаллической решетки).

Зависимость между током, текущим через р-п – переход , и внешним напряжением, называется ВАХ.

Рисунок 2.12 – Вольтамперная характеристика (ВАХ) р-п – перехода.

При достижении обратным напряжением некоторого критического значения, обратный ток возрастает. Этот режим называется пробоем р-п – перехода.

Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой не опасен для перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства перехода полностью восстанавливаются.

Он вызывается 2-мя факторами: ударной ионизацией атомов и туннельным эффектом. Ударная ионизация возникает, когда под действием Uобр. электроны проводимости приобретают энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристаллической решетки. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает.

Туннельный эффект выражается в том, что электрон с энергетического уровня области p проникает сквозь потенциальный барьер без потери энергии на такой же энергетический уровень области n. При увеличении напряжения до критического вероятность таких переходов возрастает, что приводит к увеличению обратного тока.

Тепловой пробой возникает при недостаточном охлаждении кристаллов. При этом температура р-п - перехода повышается, что приводит к увеличению генерации носителей заряда, увеличению тока и дальнейшему повышению температуры. В конечном счете, кристалл разрушается.

Тема 2.4 Излучение энергии в полупроводниках

Под действием различных внешних факторов электроны полупроводника запасают энергию, переходя на более высокие энергетические уровни. При определенных условиях они могут отдать запасенную энергию в виде электромагнитного излучения. Процесс избыточного по отношению к тепловому электромагнитного излучения называется люминесценцией.

Различают следующие ее виды:

  1. Электролюминесцентная, возникающая под действием внешнего электрического поля;

  2. Катодолюминесцентная, возникающая за счет облучения полупроводника пучком электронов;

  3. Фотолюминесцентная, возникающая за счет облучения полупроводника квантами электромагнитной энергии;

  4. Радиолюминесцентная, причиной которой является облучение полупроводника частицами высоких энергий от радиоактивных источников.

Вещества, в которых наблюдается люминесценция называются люминофорами.

Причиной возникновения люминесценции является рекомбинация носителей заряда полупроводника. При этом возможна прямая и непрямая рекомбинация и рекомбинация через примесные уровни.


Рисунок 2.13 – Схематическое изображение излучательных энергетических переходов.

При прямой рекомбинации электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, излучая энергию, равную ширине запрещенной зоны ΔW = (hν)1. При непрямой рекомбинации часть энергии выделяется в виде тепла и (hν)2 < ΔW. Частота излучения света при этом меньше, чем при прямой рекомбинации.

В излучательных приборах часто используется рекомбинация через примес­ные уровни. При этом вначале электрон или дырка захватывается соответствен­но донорным пли акцепторным уровнем (безызлучательный переход 2, рис. 2.13), а затем уже происходит рекомбинация с излучением энергии ((hν)3 (переход 3). Такие примесные уровни называют ловушками, а примеси, используемые для их создания, — активаторами. Чтобы вероятность излучательного перехода 3 была достаточно велика, ловушки должны быть расположены глу­боко в запрещенной зоне. Но при этом уменьшается излучаемая энергия (hv)3. Возможны и другие механизмы рекомбинации, например, между донорными и акцепторными уровнями.

Энергически явление люминесценции характеризуется величи­ной внешнего квантового выхода η. Эту величину упрощенно можно определить как отношение количества фотонов, выходящих из полу­проводника в единицу времени, к количеству рекомбинирующих но­сителей заряда. В лучших люминофорах значение η доходит до 10—12%.

Другой важной характеристикой люминофоров является спектральная характеристика излучения. В связи с тем, что в ре­комбинации участвуют носители заряда, находящиеся на различ­ных энергетических уровнях — в валентной зоне и зоне проводимос­ти, а рекомбинация осуществляется различными способами, спектр возникающего при этом излучения довольно широк. Максимум из­лучения для различных полупроводников в зависимости от величи­ны ΔW лежит в различных областях спектра: инфракрасной, види­мой, ультрафиолетовой. Очень важно отметить, что частотой максимума, т. е. цветом излучения, как и многими дру­гими свойствами полупроводников, можно легко управлять, вводя соот­ветствующий тип примесей – активаторов в соответствующем количестве.

Полупроводники чаще всего используются в качестве электро- и катодо­люминофоров. Электролюминесценцию получают, пропуская электрический ток через пластинку однородного полу­проводника или через открытый р-п – переход. При этом избыточные носите­ли заряда, инжектированные через пе­реход, активно рекомбинируют, излу­чая световую энергию. Такой полупро­водниковый прибор называют с ветодиодом. Прибор, совмещающий в се­бе источник и приемник света (свето-диод и фотодиод), называют оптроном. Для этих приборов чаще всего используют полупроводниковые соеди­нения SiC, GaAs, GaP и др.

В качестве катодолюминофоров полупроводники применяют для покрытия экранов электронно-лучевых трубок, свечение которых вызывается потоком электронов. Для этого применяют соединения ZnS, CdS, ZnSe и др.

Вынужденное излучение. Кроме самопроизвольной, или спон­танной, рекомбинации в полупроводниках возможна также вынуж­денная рекомбинация носителей заряда, вызывающая световое из­лучение. Электрон будет вынужден рекомбинировать, если его «подтолкнет» фотон с энергией hv, достаточно близкой к разности энергий электрона и дырки. Излучаемый при этом вторичный фотон будет иметь ту же энергию, т. е. частоту, что и первичный. Вторич­ный фотон «подтолкнет» следующий электрон и т. д. Таким обра­зом, будет вынуждаться рекомбинация носителей заряда со строго определенной разностью энергий, и излучение будет происходить на одной частоте, т. е. будет монохроматичным. На практике ширину спектра вынужденного излучения удается довести до 10-10 м.

Чтобы процесс спонтанного излучения не затухал, необходимо, чтобы вероятность рекомбинации носителей заряда под действием внешнего фотона была больше, чем вероятность поглощения этого
фотона электронами валентной зоны. Это возможно в том случае, если электронов в зоне проводимости, способных к рекомбинации, будет больше , чем электронов в валентной зоне, способных к погло­щению фотона. Состояние полупроводника, когда населенность носителями заряда высоких уровней энергии превышает населен­ность низких уровней, называют инверсной населенностью.

Инверсное состояние может быть достигнуто различными спосо­бами, основными из которых являются световая накачка и воздей­ствие электрическим полем. При световой накачке полупроводник облучают светом большой интенсивности с необходимой длиной волны. В полупроводниках для создания инверсной населенности часто используют инжекцию носителей заряда через p-n – переход, вызываемую сильным электрическим полем. Отличие такого прибо­ра от светодиода состоит в том, что здесь используют очень большую плотность тока – около 108 А/м2.

Если из полученного монохроматического излучения выделить когерентное излучение с определенной фазой и направлением, то получим оптический квантовый генератор (ОКГ), или лазер.

Для выделения такого когерентного остронаправленного излуче­ния полупроводниковому кристаллу придается форма объемного резонатора строго определенных размеров (рис.2.14).


1 – токоподводяший электрод; 2 и 4 – металлические контактные слои; 3 – полупроводниковый кристалл с р-n – переходом; 5 – кристаллодержатель.

Рисунок 2.14 – Схема и конструкция полупроводникового инжекционного лазера.

При про­пускании тока в прямом направлении через тонкий р-n – переход между зеркальной и полузеркальной поверхностями образуются стоячие оптические волны. Для уменьшения тока, при котором возникает излучение, и повышения к. п. д. кристалл охлаждают до температуры менее 50 К.

К материалам для полупроводниковых лазеров предъявляют очень высокие требования. В них должны преобладать прямые р-n – переходы. Количество посторонних примесей и дефектов должно быть сведено к минимуму. Эти материалы должны иметь высокое значе­ние подвижности носителей заряда при заданной концентрации.

Лазерный эффект наблюдается во многих сложных полупровод­никах, но чаще всего используют арсенид галлия GaAs. Кроме по­лупроводников для создания оптических квантовых генераторов могут быть использованы другие материалы.

Тема 2.5 Типы полупроводниковых материалов

Простые полупроводники

Кремний

Кристаллический кремний имеет решетку кубической формы типа алмаза. Каждый атом кремния соединен четырьмя валентными свя­зями с расположенными в верши­нах тетраэдра другими атомами Si (рис.2.15).

Для изготовления полупровод­никовых приборов важное значе­ние имеют монокристаллы крем­ния, весьма тщательно очищенные от примесей. Температура плав­ления кремния 1420° С. Запрещенная зона Wa = 1,12 эв . Благодаря большой энергии запре­щенной зоны кремний при высокой степени очистки может быть ис­пользован при повышенной температуре до 125° С.

Рисунок 2.15 – Кристаллическая решетка алмаза.

Кремний — основной материал современного полупроводни­кового производства. Для изготовления дискретных полупроводни­ковых приборов он широко применяется наряду с другими мате­риалами, а для производства интегральных микросхем кремний является пока единственным полупроводниковым материалом.

Кремний непрозрачен для видимого света, но для инфракрасных лучей с длиной волны более 1,2 мкм чистый кремний становится сравнительно прозрачным. Кроме самого кремния в полу­проводниковом производстве находит применение ряд его соеди­нений.

В качестве промежуточного продукта при получении поликри­сталлического кремния используют тетрахлорид кремния SiCl4, представляющий собой прозрачную бесцветную жидкость, дымя­щуюся на воздухе. Для получения чистого кремния используют также моносилан кремния SiH4 –бесцветный газ и трихлорсилан кремния SiHCl3 – прозрачную бесцветную жидкость. Эти два соединения кремния взрывоопасны.

Двуокись кремния SiO2 является важнейшим соединени­ем кремния. Ее отличают высокая температура плавления (1723° С) и очень низкая химическая активность. Растворяется SiO2 только в плавиковой кислоте и щелочах.

Двуокись кремния широко применяют в полупроводниковом про­изводстве в виде тонких пленок, получаемых на поверхности крем­ниевых пластин в результате термического окисления. К таким пленкам предъявляют очень жесткие требования. Они должны, во-первых, защитить поверхность кремния от воздействия окружаю­щей и технологических сред (воздуха, различных газов, влаги и т. д.). Во-вторых, они выполняют роль маски, предотвращая про­никновение легирующих примесей на поверхности кремния при про­цессах диффузии и эпитаксии. В-третьих, такие защитные пленки используют в качестве диэлектрика для изоляции элементов инте­гральных микросхем. Поэтому они должны обладать достаточной электрической прочностью, высоким удельным сопротивлением, ма­лой диэлектрической проницаемостью (а при создании МДП-структур, наоборот, высокой проницаемостью). Кроме того, к защитным пленкам предъявляют требование технологичности, под которым понимают совместимость процессов получения пленки и изготовле­ния интегральных микросхем. Всем этим требованиям в полной мере отвечают пленки SiO2, поэтому в производстве интегральных микросхем используют только кремний, а не, например, германий. Двуокись кремния реагирует с расплавленными металлами (напри­мер, с алюминием), а при высокой температуре с твердыми элемен­тами (титаном, бором). Это позволяет напылять непосредственно на двуокись кремния пленки металлов, используя их хорошее сцеп­ление с SiO2.

Получаемое при сплавлении двуокиси кремния кварцевое стекло широко используют как контейнерный материал для изготовления тиглей, ампул, кассет и т. д.

Моноокись кремния (SiO) в природе не встречается, получают ее восстановлением двуокиси кремния при температура 1350—1500° С. Моноокись кремния является прекрасным диэлектриком, сохраняющим свои свойства даже при высокой температуре. Моноокись кремния используют в производстве микросхем как защитное покрытие, как диэлектрическую пленку при напылении микропленочных конденсаторов и т. д. Моноокись кремния используют также в оптической и светотехнической промышленности.

Кремний – второй после кислоро­да элемент по распространению в земной коре, где его содержание составляет более 25%, но в чистом виде кремний не встречается, а входит в виде оксидов в большинство пород и минералов и выде­лить его довольно трудно. Основными способами получения поликристаллического кремния являются восстановление тетрахлорида кремния парами водорода и термическое разложение моносилана SiH4. Промышленность выпускает поликристаллический кремний семи марок КП-1– КП-7, отличающихся содержанием примесей и размерами слитков.

Легирование и легирующие элементы. В полупроводниковом производстве чистый монокристаллический кремний применяют редко. Действие большинства полупроводниковых приборов осно­вано на использовании примесной электропроводности. Для прида­ния кремнию примесной электропроводности в него вводят строго контролируемое количество необходимой примеси. В зависимости от характера влияния примеси на тип электропроводности все при­месные элементы можно разделить на нейтральные, акцепторные, донорные и создающие в запрещенной зоне кремния глубокие энер­гетические уровни.

Нейтральные примеси не меняют тип электропроводности крем­ния и количество носителей заряда в нем. К ним относят водород, азот, инертные газы, а также элементы IV группы периодической системы элементов (германий, олово, свинец).

Основными акцепторными примесями для кремния являются элементы III группы таблицы Д. И. Менделеева, прежде всего бор и алюминий. Реже используют галлий, индий и таллий. Основными донорными примесями являются элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьма, висмут. Элементы I, II, VI, VII групп создают в кремнии глубокие энергетические уровни и могут играть роль как доноров, так и акцепторов. Из них наиболее часто используют зо­лото и цинк. Как правило, легирование кремния происходит одновременно с процессами получения монокристаллов и эпитаксиальных пленок.

Промышленность выпускает большое количество разнообразных марок монокристаллического кремния, отличающихся по типу электропроводности, виду легирующих примесей, размерам слитков, величине удельного сопротивления и другим параметрам. В обозначении марок используют некоторые единицы, от­личающиеся от рекомендуемых системой СИ (для величины, удельного сопро­тивления – Ом*см, для плотности дислокаций – см-2).

Пример: 1А5бКДБ 7,5/0,1-45, где 1А – группа марок; 5–подгруппа; б – дополнительный параметр качества; К – кремний, полученный по методу Чохральского, Д — тип электропроводности (дырочный); Б – вид легирующей примеси (бор); 7,5 – номинал удельного со­противления, Ом*см; 0,1–диффузионная длина неосновных носителей заряда, мм; 45 – диаметр слитка, мм. Для обозначения кремния, полученного методом бестигельной зонной плавки, добавляют букву Б (например, 2В2нБКЭФ 45/0,2 - 27, Э – электронный тип электропроводности, Ф – легирован фосфором), а для обо­значения кремния, полученного гарниссажным методом, – букву Г. Для получе­ния низкоомных марок (группы ЗА, ЗБ, 4А) с удельным сопротивлением 0,005 – 1 Ом*см применяют легирование мышьяком, сурьмой, алюминием.

Для производства эпитаксиальных структур выпускают 14 марок монокри­сталлического кремния, получаемых методом Чохральского, например ЭКДБ 7,5 , где Э – назначение кремния; К – кремний; Д – дырочный; Б – легирован бором; 7,5 – номинал удельного сопротивления, Ом*см; 1–номер марки; а – диаметр слитка.

Условные обозначения марок кремния, а также всех других, по­лупроводниковых материалов обязательно сопровождают номером соответствующих ГОСТов или технических условий, в которых ого­ворены требования ко всем параметрам и характеристикам мате­риала, методы испытаний, приемки, маркировки и т. д.

Обозначения дискретных полупроводниковых приборов, изготов­ленных из кремния, начинаются с буквы К или цифры 2, например диод КД503, транзистор 2Т605, стабилитрон КС 139 и т. д. Инте­гральные микросхемы практически все изготавливают из кремния, поэтому вид полупроводникового материала в обозначение микро­схем не входит.

Германий

Германий кристаллизуется в кубической решетке типа алмаза. Каж­дый атом обладает четырьмя валентными связями. Температура плав­ления германия 936° С. В германии особенно ярко проявляется влия­ние примесей, поэтому при изготовлении германиевых приборов ис­пользуют германий весьма высокой чистоты. Запрещенная зона германия Wа = 0,72 эв. Допустимая температура не превышает 75°С.

Дырочная проводимость германия достигается введением акцеп­торов – элементов III группы (галлий, индий, алюминий), электронная прово­димость – введением в германий доноров – элементов V группы (ва­надий, сурьма, фосфор, висмут). Нейтральными примесями являются инертные газы, азот и элементы VI группы: кремний, свинец, олово. Активаторными примесями являются многие элементы I, II, VI, VII и VIII групп Периодической системы Менделеева.

Германий используют для изготовления диодов, мощных выпрямителей, триодов, датчиков э. д. с. Холла, тен­зометров и других приборов.

Для видимого света германий непрозрачен, для инфракрасных лучей – относительно прозрачен при длине волны более 1,8 мкм. При низких температурах и высоких давлениях германий переходит в сверхпроводящее состояние. Кристаллический германий представляет собой твердый и хрупкий материал с характерным металлическим блеском и плотностью 5360 кг/м3.На воздухе устойчив до температуры 600ºС, выше которой окисляется до двуокиси германия GeO2.Хорошо растворяется в смеси соляной и азотной кислот (царской водке), перекиси водорода, в кипящих щелочах. В расплавленном состоянии он практически не взаимодействует с углеродом и кварцем, что позволяет при технологических процессах использовать тигли, изготовленные из графита и кварца.

Двуокись германия используют как промежуточный продукт при получении германия. Это соединение слабоустойчиво, растворяется даже в воде, поэтому использовать его в качестве защитной пленки невозможно.

Основным сырьем для получения германия являются продукты сгорания бурого угля (в 1тонне – 100 г германия). Промышленность выпускает три марки поликристаллического германия: ГПЗ-1 и ГПЗ-2 служат сырьем для получения монокристаллического германия, а ГПЗ-3 используют для получения сплавов германия с кремнием и для изготовления оптических деталей.

Германий монокристаллический для п/п приборов и эпитаксиальных структур выпускают в виде слитков диаметром 25 – 35 мм. В обозначении марок (например, ГЭС5г1ж) буква Г – обозначает германий, Э – электронный, С – легированный сурьмой,5 – номинал удельного сопротивления, Ом*см; г – разброс удельного сопротивления 15%; 1 – группа по плотности дислокаций, 5*104 см-3, ж – ориентация монокристалла в направлении [100]. Монокристаллы с дырочным типом проводимости легируют галлием, например ГДГ5д5а.

Обозначение полупроводниковых приборов, изготовленных из германия, начинается с буквы Г или цифры 1, например транзистор ГТ402, диод 1Д508.

Технология получения элементарных полупроводников

Получение особо чистых монокристаллов кремния и германия, которые можно использовать для последующего введения доноров и акцепторов, достигается в два этапа.

1 –кварцевая трубка;5 – расплавленные зоны;6 – перемещающаяся каретка

Рисунок 2.16 – Схема горизонтальной зонной плавки

Первоначально применяют метод зонной плавки для тщательного уда­ления посторонних примесей.

Слиток германия 3, в виде цилиндра, помещен­ный в графитовый тигель 4 продолгова­той формы в среде инертного газа (водорода), нагревают в поле высо­кой частоты. Индуктор 2 контура вы­сокочастотного генератора переме­щают вдоль обрабатываемого герма­ния, вследствие этого узкие зоны плавления движутся с витками ин­дуктора (рис. 2.16). Большинство примесей, таких как марганец, крем­ний, железо, никель, обладают более высокой растворимостью в жидком германии, чем в твердой фазе и по­этому по мере движения зона плавле­ния все больше насыщается такими примесями. При медленном процессе кристаллизации примеси из расплава вытесняются из твердой в жидкую фазу. В результате, после прохожде­ния расплавленной зоны вдоль всего слитка примеси оказываются скон­центрированными в хвостовой части. Для ускорения процесса очистки вдоль кварцевой трубки ставят не­сколько индукторов, чтобы в слитке образовался ряд зон плавления. Про­цесс зонной плавки повторяют несколь­ко раз. По окончании процесса загрязненный конец слитка отрезают.

Зонную плавку применяют и для очистки кремния, но так как он реагирует с графитом, процесс осуществляют бестигельным методом в инертной среде, поддерживая вертикально расположенный слиток с помощью зажимов по концам. Узкая зона плавления удерживается силами поверхностного натяжения. Помимо высокоча­стотного могут быть использованы и другие методы зонного нагрева­ния.

Очищенный поликристаллический полупроводник служит сырьем для выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев, а также применяется для изготовления некоторых типов полупроводнико­вых приборов (например, солнечных батарей).

Получение монокристаллического полупроводника.

Для получения объемных монокристаллов кремния или германия используют три основных мето­да: уже рассмотренный метод бестигельной зонной плавки, метод вытягивания из расплава и метод гарниссажной плавки.

При использовании метода зонной плавки в начальной расплавленной зоне помещают кусочек монокристаллического кремния или германия – затравку. По мере подъема индуктора расплавленная зона, сплавляясь с затравкой, будет повторять кристаллическую структуру затравки. Этим методом выращивают монокристаллические слитки: кремния диаметром до 100 мм, ориентированные в направлениях [111] и [100] с удельным сопротивлением 0,001 — 30 Ом*м.

Метод вытягивания из расплава, или метод Чохральского, состоит в том, что очищенный и обезгаженный поликристал­лический кремний расплавляют в тигле из особо чистого кварца в высоковакуумной печи. На конце вращающегося штока 10 закреплен кусочек монокристалла — затравка 9 (рис.2.17). Если медленно поднимать за­травку, продолжая вращение, то за ней будет тянуться кристаллизи­рующийся столбик 8 расплава, который, охлаждаясь, образует вместе с исходной затравкой монокристалл. В настоящее время по методу Чох­ральского выращивают монокристалличе­ские слитки диаметром до 150 мм, ориен­тированные в направлениях [111], [110], [100], с удельным сопротивлением 5*10-5— 0,5 Ом*м и малым временем жизни не­основных носителей заряда


Рисунок 2.17 – Схема установки для вытягивания монокристаллов из расплава германия.


1 – монокристалл ; 2 – элект­ронно-лучевой нагреватель; 3 расплав; 4 – исходный слиток кремния

Рисунок 2.18 – Схема установки для выращивания монокри­сталлов методом гарниссаж­ной плавки.

Перспективным вариантом бестигель­ной зонной плавки является гарниссажный метод Чохральского (рис.2.18). При этом методе расплавленную зону создают за счет электронно-лучевого нагрева в глубоком вакууме. К преимуществам гарниссажной плавки относят большую однородность получаемых слитков, малое содержание кислорода (менее 5*1011 атом/м3), к недостаткам – повышенную плотность дислокаций.

В настоящее время в полупроводниковом производстве наиболее широкое применение кремний находит в виде тонких монокристаллических слоев, получаемых осаждением на объемных монокристаллах, называемых подложками. Такие монокристалли­ческие слои, сохраняющие кристаллографическую ориентацию подложки, называют э п и т а к с и а л ь н ы м и. В качестве подложек используют монокристаллы самого кремния, а также сапфира, ко­рунда и др.

Основной способ получения кремниевых эпитаксиальных сло­ев – восстановление тетрахлорида кремния водородом.

Такие эпитаксиальные слои очень удобны при массовом произ­водстве полупроводниковых приборов по наиболее распространен­ной планарной технологии.

Получение р-n- перехода

Электронно-дыроч­ные переходы могут быть получены несколь­кими методами.

Первый метод состоит в добавлении легированного полупроводника в расплав в процессе вытягивания. Первоначально ведут вытягивание монокристалла, например, из ра­сплава германия. В известный момент в ра­сплав вводят навеску сильно легированного p-германия. Сразу же в вытягиваемом кристалле начнет преобладать р - проводимость. Полученная р - область вместе с ранее выращенным участком кристалла образует р-n-переход.

Второй метод основан на изменении скорости вытягивания затравки из расплава, содержащего акцепторные и донорные примеси. Допустим, что в расплаве донорные примеси содержатся в избытке по сравнению с акцептор­ными, тогда при медленном вытягивании моно­кристалла в нем будет получаться n-область, а при быстром р-область. Это объясняется тем, что при малой скорости вытягивания акцепторная примесь, вытесняемая в жидкую фазу, успевает диффундировать в расплаве и его состав выравнивается.

Третий метод – в п лавления заключается в том, что на пластинку n-полупроводника накладывают зернышко элемента III группы. Например, на пластинку n -германия можно поместить ку­сочек индия. Если нагревать заготовку в вакууме до 500°С, то индий расплавится и за счет растворения германия в пластинке появится лунка, заполненная расплавом. В процессе охлаждения начинается кристаллизация германия, в решетку которого попадают атомы ин­дия — акцепторы; образуется слой р-германия, в котором концентрация индия возрастает по мере приближения к поверхности. Между n -германием и слоем р-германия возникает р-n -переход.

Четвертый метод – диффузии сводится к насыще­нию поверхностного слоя полупроводника при достаточно высокой температуре донорной или акцепторной примесью из газовой фазы, или из предварительно напыленного слоя. Получение заданных раз­меров и формы р-n -перехода достигается применением масок. Рассмот­ренные методы применяют также для получения в кристалле областей с различной величиной удельной проводимости.

Материалы для фотолитографии

При из­готовлении полупроводниковых приборов нужно не только получить участки полупро­водника с различным типом и величиной электропроводности, но необходимо придать этим участкам и р-n -переходам строго определенную геометрическую форму и размеры. Для этого используют метод фотолитографии.

Процесс фотолитографии включает в се­бя следующие этапы (рис. 2.19):

а) на поверхность кремниевой пластины, покрытую защитной пленкой SiO2, наносят слой светочувствительного материала фоторезиста толщиной около 1 мкм и высушивают его.

б) производят экспонирование (засветку) фоторезиста через специальный трафарет (фотошаблон), на который нанесено изо­бражение рабочих областей будущего прибора. В результате действия света изменяется способность фоторезиста растворяться в проявителе.

в) экспонированный слой фоторезиста подвергают действию проявителя, в результате чего ненужные его участки удаляются, и оставшийся на поверхности пластины слой фоторезиста воспро­изводит изображение на фотошаблоне.

г) для повышения кислотостойкости фоторезиста его подвергают термообработке или задубливанию. Производят травление открытых участков защитной пленки в растворе плавиковой кислоты.

д) удаляют оставшийся слой задубленного фоторезиста. В результате на поверхности пластины остается слой защитной пленки, воспроизводящий изображение на фотошаблоне.

Фотолитографию используют не только для выборочного трав­ления защитных пленок, но и для травления пленок различных ме­таллов. В целом процесс фотолитографии проводят столько раз, сколько слоев различной конфигурации необходимо получить.

Основным материалом, используемым в фотолитографии, явля­ется фоторезист, который должен обладать следующими свойства­ми:

а) высокой чувствительностью к ультрафиолетовому излучению с длиной волны около 0,3 мкм и нечувствительностью к дневному свету, что позволяет проводить процесс фотолитографии на свету;

б) высокой разрешающей способностью (до 1000 линий/мм и более) для получения четких микроизображений (до 1 мкм и ме­нее);

в) устойчивостью к действию травителей после экспонирова­ния;

г) высокой степенью адгезии к поверхностям кремния, метал­лических и защитных пленок.

1 – фоторезист; 2 – слой SiO2; 3 – пластина кремния; 4 – фотошаблон.

Рисунок 2.19 – Схема процесса фотолитографии.

В зависимости от реакции на воздействие света фоторезисты разделяют на позитивные и негативные. Позитивные фоторезисты под действием света становятся растворимыми в травителях, и ри­сунок на поверхности пластины в точности повторяет рисунок на фотошаблоне. Негативные фоторезисты, наоборот, под действием света становятся нерастворимыми, а рисунок на поверхности крем­ния является негативным по отношению к рисунку на фотошаблоне.

Обычно в процессе производства полупроводниковых приборов приходится использовать и позитивные, и негативные.

Как и все материалы полупроводникового производства, мате­риалы для фотолитографии должны быть высокой степени очистки с минимальным содержанием посторонних химических элементов.

Процесс изготовления кремниевых микросхем

Основным мето­дом массового производства современных полупроводниковых при­боров вообще и интегральных микросхем в частности является метод планарно-эпитаксиальной технологии. Этот метод позволяет формировать в едином технологическом процессе все элементы микросхемы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. д.). В тонком поверхностном слое кремниевой подложки диаметром 40—60 мм и толщиной 0,2—0,4 мм одновременно изготавливают до 1000 микросхем, после чего ее разрезают на отдельные кристаллы размером около 1 мм2.

Обычно используют кремниевые пластины р-типа с удельным сопротивлением 1—10 Ом • см с осажденным эпитаксиальным слоем n-типа толщиной 8—12 мкм и р = 0,1 —1,0 Ом*см.

Сложные полупроводниковые материалы

Общие сведения

Развитие оптоэлектроники, космической техники заставило обратиться к сложным полупроводниковым материалам, так как они предоставляют широкие возможности для создания материалов с самыми различными свойствами.

Широкое применение нашли неорганические кристаллические полупроводники. Первыми наши практическое применение оксиды металлов, технология производства которых достаточно проста. Используют оксиды меди Cu2O, цинка ZnO и др.

Из сложных материалов применение нашли двойные кристаллические соединения типа Am Bn, где m+n = 8. Например AIVBIV, AIIIBV AIIBVI. В этих соединениях кристаллическая решетка и среднее количество электронов на один атом такое же, как у кремния и германия.

Сложные органические полупроводники можно использовать для изготовления высокочастотных генераторов, терморезисторов, фоторезисторов, тензорезисторов и др.

Сложные полупроводники типа AIVBIV

Это, прежде всего карбид кремния SiC. В состав карбида кремния входит 70% кремния и 30% углерода (плотность 3300кг/м3). Атомы углерода и кремния связаны ковалентной и частично ионной связью. Обладая очень большой энергией связи атомов, карбид кремния является исключительно прочным соединением, по твердости немного уступая алмазу. Очень высокая жаростойкость. При нормальном давлении SiC возгоняется без плавления лишь при температуре более 2000оС.

Обладает очень высокой химической стойкостью. При комнатной температуре он вступает в реакцию только с расславленной ортофосфорной кислотой и смесью азотной и плавиковой кислот, а также с расплавленными щелочами, которые используют в качестве травителей. При температуре около 100оС карбид кремния реагирует с хлором. Окисление карбида кремния происходит только при температуре более 800оС.

Карбид кремния имеет сложную структуру энергетических зон. Для различных политипов α – модификации ΔW = 2,72 – 3,34 эВ, а для β – SiC ΔW = 2,39 эВ. Такое большое значение ΔW позволяет создавать на основе карбида кремния полупроводниковые приборы, которые сохраняют работоспособность при температурах до 400 – 500оС. Собственная электропроводность карбида кремния из-за большой ширины запрещенной зоны наблюдается лишь при температурах более 1400оС. Подвижность носителей заряда в карбиде кремния низкая (не превышает 0,1 м2/В с для электронов и 0,02 м2/В с для дырок).

Кристаллы чистого карбида кремния стехиометрического состава бесцветны. Наличие примесей окрашивает их в самые разнообразные цвета. Примеси элементов V группы (азот), а также литий Li, O, являясь для карбида кремния донорами, придают ему электропроводность nтипа и окрашивают его в светло-зеленый цвет. Кристаллы карбида кремния с электропроводностью р – типа имеют голубую и черную окраску. Избыток кремния относительно стехиометрического состава придает карбиду кремния электронную электропроводность, а избыток углерода – дырочную.

Важнейшим и широко используемым свойством карбида кремния является его способность к люминесценции в видимой части спектра.

Сложные полупроводники типа AIIIBV

Представляют собой химические соединения металлов III группы периодической системы (алюминия, галлия, индия, бора) с элементами V группы (фосфором, мышьяком, сурьмой и азотом).

Наиболее широкое применение в полупроводниковом производстве нашли соединения мышьяка – арсенид галлия GaAs и индия InAs, соединения сурьмы – антимониды индия InSb и галлия GaSb и соединения фосфора – фосфид галлия GaP.

Их структура аналогична кристаллической решетке кремния и германия, в которой каждый атом связан с четырьмя другими атомами ковалентными связями. Отличие состоит в том, что в узлах кристаллической решетки соединений находятся не нейтральные атомы, а поочередно расположенные положительно заряженные ионы пятой группы и отрицательно заряженные ионы третьей группы.

Эти соединения химически устойчивы, при комнатной температуре не взаимодействую с водой и с кислородом воздуха. Для их травления используют смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот с различными добавками.

Наиболее широкое распространение получил арсенид галлия GaAs благодаря удачному сочетанию значительной ширины запрещенной зоны с высокой подвижностью носителей заряда.

Нелегированный арсенид галлия имеет электронный тип проводимости. Основной донорной примесью является теллур.

Арсенид галлия предназначен для производства полупроводниковых лазеров, туннельных диодов, генераторов СВЧ, первичных преобразователей света, датчиков низких температур и выпускается в виде монокристаллов диаметром 18 – 25 мм и длинной 20 – 50 и более мм.

Большую группу полупроводниковых материалов составляют бинарные, или двойные, соединения халькогенов (серы, селена, теллура) с металлами всех групп периодической системы элементов.

Материалы группы АIIBVI представляют собой химические соединения халькогенов с металлами второй группы – цинком, кадмием, ртутью.

Кристаллизуются в структурах двух типов: кубической, образующейся при низких температурах, и гексагональной.

Каждый атом в этих решетках связан с четырьмя соседними, причем две связи носят ковалентный характер, а две – ионный.

К этим соединениям относятся: халькогениды цинка – ZnS, халькогениды кадмия – CdS, селенид цинка – ZnSe, теллурид цинка – ZnTe и др.

Все эти материалы обладают высокой чувствительностью к излучению в различных частях спектра – от инфрокрасного до рентгеновского. Их используют в качестве люминофоров для всех видов люминесценции и материалов для фоторезисторов. В качестве активизаторов люминофоров на основе соединений АIIBVI используют металлы I группы Ag, Cu, а также редкоземельные элементы.

Технология получений соединений проста. Поликристаллы получают чаще всего осаждением из водных растворов солей с помощью H2S. Таким образом получают сульфиды и теллуриды.

Соединения АIIBVI используют как монокристаллическом, так и в поликристаллическом виде. Это в виде пленки и прессованных таблеток. Монокристаллы получают выращиванием из расплава и направленной кристаллизацией. Поликристаллические пленки соединений получают методом катодного распыления в вакууме с последующей рекристаллизацией отжигом. Они находят применение в качестве преобразователей электромагнитных колебаний в акустические в диапазонах ВЧ и СВЧ.

Избыток металла АII приводит к получению электронной электропроводности, а избыток BVI – к появлению дырочной электропроводности.

Халькогениды цинка

Это прежде всего сульфид цинка – ZnS. Уд. сопротивление – 106 – 1012 Ом м, а ширина запрещенной зоны около 3,7 эВ. Из этого следует, что он близок к диэлектрикам.

Нелегированные кристаллы обладают электронной электропроводностью. Для получения дырочной электропроводности используют легирование элементами I группы.

Сульфид цинка в виде кристаллического порошка широко используется для изготовления люминофоров различных приборов: осциллографических и телевизионных ЭЛТ, люминесцентных осветительных и цифровых ламп и др. Цвет свечения, длительность послесвечения и др. параметры люминофоров можно изменять в широких пределах, изменяя тип активатора. В качестве активаторов используют Ag, Cu, Mn в количестве 0,001 – 3%, а также избыток цинка. Введение никеля в сульфид цинка позволяет получить очень малое время послесвечения.

Монокристаллы ZnS используют в качестве оптического материала, прозрачного в инфракрасной области спектра, для создания лазеров с длинной волны λ = 0,32 мкм, а также для пьезоусилителей акустических колебаний.

Халькогениды кадмия

Являются основными материалами для фоторезисторов и фотоэлементов. Это прежде всего сульфид кадмия – CdS.

Он всегда обладает электронной электропроводностью ввиду недостатка серы. Удельное сопротивление под влиянием различных факторов (примесей, температуры, излучения) изменяется от 0,1 до 107 Ом м. Является самым чувствительным фоторезистором в видимой части спектра: при освещении его сопротивление уменьшается в 104 – 106 раз. Используют в качестве люминофора, для изготовления дозиметров ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, счетчиков частиц и т.д.

Халькогениды элементов других групп

Типичными полупроводниковыми соединениями типа АIVBVI являются халькогениды свинца: сульфид свинца – PbS, селенид свинца – PbSe и теллурид свинца – PbTe.

Поликристаллы халькогенидов свинца получают сплавлением компонентов в вакууме в кварцевых ампулах или осаждением из растворов. Монокристаллы типа АIVBVI получают направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава по методу Чохральского из-под слоя флюса.

Незначительный избыток свинца приводит к появлению электронной электропроводности, избыток халькогена к дырочной.

Акцепторными примесями в халькогенидах свинца являются металлы первой группы (Ag, K, Na, Cu), замещающие атомы свинца. Обладают фоторезистивными свойствами.

Теллурид свинца, обладающий высоким коэффициентом термо-э.д.с. и малой теплопроводностью, является эффективным материалом для создания полупроводниковых термоэлементов, работающих при температурах 300-700оС.

Тема 2.6 Применение полупроводниковых материалов для изготовления современных полупроводниковых приборов

Полупроводниковые интегральные микросхемы

Полупроводниковые интегральные микросхемы из­готовляют на одном кристалле введением легирую­щих примесей в определенные микрообласти.

Основой полупроводниковых интегральных микро­схем чаще всего служит кремний. На одной пластин­ке кремния диаметром 75 мм и толщиной 0,2 мм можно сформировать до 10 000 полупроводниковых ИМС.

Широкое применение кремния для производства полупроводниковых ИМС обусловлено прежде всего способностью кремния сохранять полупроводниковые свойства при относительно высоких температурах (до 400 К).

Существенным является и то, что при нагревании пластины кремния в кислородной среде на ее поверх­ности образуется пленка SiO2. Она защищает крис­талл и сформированные в нем миниобласти с задан­ным типом электропроводности от загрязнений, из нее формируется маска для локальной диффузии при­месей, она может выполнять роль диэлектрика в схеме.

ИМС в отполированной пластине кремния изго­товляют групповым методом: тысячи одинаковых схем формируют одновременно. Затем в пластине ал­мазным резцом делают насечки по границам схем и разламывают ее на кристаллики. Полученные заготов­ки снабжают внешними выводами, герметизируют, помещают в корпуса и оформляют в виде серийных электронных приборов.

Групповая обработка обеспечивает высокую стан­дартизацию и экономичность производства.

Возможность серийного производства ИМС была подготовлена созданием и совершенствованием планарно-эпитаксиальной технологии.

Процесс осаждения молекул вещества на моно­кристалли­ческую пластину (подложку) с образовани­ем пленки, повто­ряющей ее структуру, называют э п и т а кс и ей.

Процесс эпитаксии может быть прямым и не пря­мым. При прямом процессе полупроводниковый материал распы­ляют и его атомы осаждаются на под­ложке.

В непрямом процессе распыляют химические соединения по­лупроводникового материала, молекулы которого диссоциируют, и ионы полупроводника осе­дают на подложке, повторяя ее кри­сталлическую структуру.

В практике распространены два метода создания кремние­вого эпитаксиального слоя: восстановление кремния из его тет­рахлорида водородом и термиче­ское разложение соединений кремния (пиролиз).

Водородное восстановление тетрахлори­да кремния осуществляют при температуре 1500 К при следующей реакции: SiCl4+2H2→Si+4HCl. Этот метод легко управляем и дает возможность получить эпитаксиальный слой с заданными параметрами.

В процессе наращивания эпитаксиальный слой кремния можно легировать донорными и акцепторны­ми примесями. При этом в кварцевый реактор, где размещена монокристаллическая подложка, вместе с парами SiCl4и молекулярным Н2 подают, газообраз­ные соединения водорода с мышьяком (AsH3), фос­фором (РН3) или бором (В2Н6). Подложки в квар­цевом реакторе крепят на графитовом основании. Нагрев осуществляют индукционными токами высокой частоты.

Процесс термического разложения соединений кремния протекает при температурах на 150 – 200 К меньших, чем восстановительный процесс. В реакции пиролиза SiH4→Si+2H2 выделяется атомарный крем­ний, оседающий на монокристаллической подложке.

Для повышения качества эпитаксиальных слоев кремния применяют комбинацию методов восстанов­ления и пиролиза.

Различают о д н ос л о й н ы е и многослойные эпитаксиальные структуры кремния. Однослойные структуры диаметром 25—40 мм представляют собой кремниевую монокристаллическую пластину толщиной 0,2 мм, покрытую эпитаксиальной кремниевой пленкой толщиной от 8 до 15 мкм. У многослойных структур пленка наращивается с двух сторон пластины.

Промышленность изготовляет также гетероэпитаксиальные структуры, в которых кремниевый слой наращивается на монокристалли­ческую сапфировую подложку.

Полупроводниковые микро­схемы, изготовляемые по планарной технологии, формиру­ются в тонком приповерхностном слое кристалла, образуя плоские конфигурации.

Основу планарной технологии составляют уже процессы:

  1. окисление кремниевой подложки с целью защи­ты ее поверхности пленкой двуокиси кремния (иногда в качестве защитной пленки используют другой диэлектрик, например нитрид кремния S13N4);

  2. превращение защитной пленки в маску заданной конфигурации с помощью фотолитографии;

  3. диффузия легирующих примесей в верхний слой подложки через окна в маске.

Планарная технология позволяет получать в под­ложке или в эпитаксиальном слое легированные области, измеряемые единицами микрометров.

Изготовление полупроводниковой интегральной микросхемы начинается с формирования в подложке изолированных областей («карманов»). Существуют различные способы получения и изоляции таких обла­стей. Рассмотрим один, наиболее распространенный, способ — диффузию примеси в эпитаксиальный слой с последующей изоляцией кармана с помощью p-n-перехода (рис. 1).

Технологический процесс состоит из десяти этапов:

1) на монокристаллическую кремниевую пластинку р-типа толщиной 0,2—0,4 мм наращивают эпитак­сиальный слой кремния л-типа толщиной 15—20 мкм;

2) при нагревании в кислородной среде на по­верхности эпитаксиального слоя образуется пленка диоксида кремния SiO2;

3) в центрифуге или с помощью пульверизатора поверхность оксидной пленки наносят фоторезист;

4) на высушенную мно­гослойную пластину накладывают стеклянный фотошаблон с заданным микрорисунком и осуществляют экспозицию фоторезиста в ультрафиолетовом свете;

5) фотошаблон снимают; засвеченный фоторезист имеет измененную струк­туру;

6) специально подобранным растворителем засвеченные участки фоторезиста и расположенную под ними пленку диоксида кремния растворяют, обнажая эпитаксиальный слой;

7) растворителем, не действующим на пленку диоксида кремния, смываются остатки фоторезиста;

8) в газовой среде осуществляют диффузию акцеп­торной примеси в открытые участки эпитаксиального слоя;

9) под действием акцепторной примеси обнаженные участки эпитаксиального слоя изменяют тип электропроводности (n-тип на р-тип); участки, защищенные пленкой диоксида, сохранили электропровод­ность n -типа:

10) смывают защитную пленку диоксида кремния. Пластина со сформированными «карманами» по­ступает на последующие операции.

Контрольные вопросы

  1. Что такое полупроводники?

  2. Какие энергетические зоны имеются в полупроводниках и как они образуются?

  3. Что такое собственный, примесной и компенсированный полупроводник?

  4. Чем определяется электропроводность полупроводников?

  5. Как влияют на электропроводность полупроводника температура, деформация, освещение, электрическое поле?

  6. Как можно определить тип проводимости полупроводника?

  7. В чем заключается эффект выпрямления на p-n – переходе?

  8. Что служит сырьем для получения простых полупроводников?

  9. Какие основные технологические операции имеют место при получении кремния полупроводниковой чистоты?

  10. Почему рабочий температурный диапазон кремния больше чем германия?

  11. Почему для очистки кремния используется бестигельная зонная плавка?

  12. Какие материалы используются для изготовления инжекционных лазеров и светодиодов?

  13. Какие сложные полупроводниковые соединения нашли наиболее широкое применение?

Раздел 3 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным сопротивлением p, которое возрастает с увеличением температуры. Хорошая электропроводность обусловлена большим количеством свободных электронов, способных покинуть атомы. Концентрация свободных электронов в чистых металлах различается незначительно. Если в проводнике создается электрическое поле, то под действием этого поля электроны приобретают ускорение, пропорциональное напряженности, в результате чего возникает направленное движение электронов, течет электрический ток.

К проводниковым относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах очень мало.

Тема 3.1 Классификация проводниковых материалов

По агрегатному состоянию проводниковые материалы делят на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным относятся пары веществ и газы при таком значении напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало процесса ионизации молекул. В ионизированном газе перенос электрических зарядов осуществляется как электронами, так и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, плазму. Проводимость газов используется в различных газоразрядных приборах.

К жидким проводникам относятся различные растворы солей, кислот, щелочей и др. веществ, а также их расплавы, проводящие электрический ток и называемые электролитами. Жидкими проводниками являются также расплавы металлов. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет -39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах.

Твердыми проводниками материалами являются металлы и их сплавы. Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами, поэтому твердые и жидкие металлы часто называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот, щелочей, проводящие электрический ток, называют проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест.

Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на металлы высокой проводимости ( p≤ 0,1 мкОм*м) и сплавы высокого сопротивления (p≥ 0,3 мкОм*м).

Металлы высокой проводимости (серебро, медь, алюминий, железо, золото и др.) используют для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, в контактных материалах и припоях.

Кроме того, в настоящее время находят большое применение сверхпроводники, обладающие ничтожно малым удельным сопротивлением при очень низких температурах (алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном, цирконием и др.).

Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении резисторов и резистивных элементов различных типов и назначения. Распространены: медно-марганцевые сплавы (манганины), медно-никелевые сплавы (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихром).

Тема 3.2 Свойства проводниковых материалов

Рисунок 3.1 – Схема строения металлического проводника (а) и образования межмолекулярной связи.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Кристалл представляется в виде пространственной решетки, узлы которой заняты положительными ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны, то есть электроны «стягивают» ионы, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ионами. Электроны постоянно переходят от одного атома к другому, вращаясь то вокруг одного, то другого атомного ядра. Ввиду того, что обобществленные электроны не связаны с определенными ионами, под влиянием даже небольшой разности потенциалов они приобретают преимущественное направление движение, то есть возникает электрический ток. Следовательно, высокая электропроводность металлов является следствие наличия в них свободных электронов («электронного газа»).

Ионы в узлах кристаллической решетки с металлической связью не являются абсолютно неподвижными и совершают хаотические колебания. При нагреве колебания ионов увеличиваются, и как следствие, затрудняется свобода движения электронов. Поэтому при нагреве металлов их электропроводность падает. Очевидно, что электропроводность является характеристикой материала, зависит от его структуры (агрегатного состояния, дефектов, примесей и т.д.), зависит от температуры и внешних воздействий (магнитного поля, облучения, напряженности электрического поля и т.д.). Определяющей составляющей в электропроводности является подвижность носителей зарядов в материале.

Высокая теплопроводность металлов объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами (обусловлена движением электронного газа и его плотностью), поэтому металлы с хорошей электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла.

Для металлов количественное соотношение между электропроводностью и теплопроводностью устанавливает закон Видемана – Франца – Лорентца:

γт/γ = LoT,

где γткоэффициент теплопроводности, Вт/м К; γ – удельная проводимость металла, См* м-1, величина обратная ρ; Loчисло Лорентца, равное 2,45*10-8 В22; Т – абсолютная температура металла, К.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, которое допускает скольжение одних слоев относительно других под воздействием внешнего воздействия.

При контакте двух металлов возникает термоэлектродвижущая сила, что объясняется следующим образом:

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа. Величина U для различных пар металлов колеблется от десятых долей вольта до нескольких вольт. Если в замкнутой цепи двух проводников один контакт нагреть до температуры t1, а другой до t2, то в цепи возникает термо-ЭДС

U = К (t1- t2),

где К – коэффициент термо-ЭДС, постоянный для данной пары проводников, В/К.

В общем случае термопара состоит из термоэлектродной пары (пары проволок из разнородных материалов, сваренных с одного конца) и удлинительных (компенсационных) проводов, подсоединяемых к свободным концам термопары.

Рисунок 3.5 – Устройство термопары

Сверхпроводимость

Она проявляется при достаточно низких температурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений. При температурах близких к абсолютному нулю становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование электронных (куперовских) пар. Они обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергией между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным 0. При повышении температуры куперовские пары распадаются и сверхпроводимость исчезает.

Криопрводимость

При охлаждении проводника примерно до -173оС тепловое движение электронов и тепловые колебания атомной решетки замедляется. Число соударений электронов и атомов сокращается, и сопротивление проводника падает. При достижении криогенных температур, лежащих в диапазоне температур сжижения гелия (4,2К), водорода (20,3К), азота (77,4К), удельная проводимость металла возрастает в сотни и тысячи раз (криопроводимость) по сравнению с проводимостью при нормальной температуре. Но сверхпроводимость не наступает.

Свойства проводниковых материалов

К основным параметрам проводниковых материалов относятся:

1) удельное электрическое сопротивление проводника с сопротивлением R. постоянным поперечным сечением S и длиной l вычисляется по формуле

ρ = RS/l Ом* м;

Значение ρ у металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз.

ρ ≤ 0,1 мкОм*м –металлы высокой проводимости;

ρ ≥ 0,3 мкОм*м – сплавы высокого сопротивления;

При возрастании температуры сопротивление проводника увеличивается и может быть определено:

R2 = R1[1 + α(t2 – t1)],

где R2 – сопротивление проводника при температуре t2 ;

R1 – сопротивление проводника при температуре t1 ;

α –температурный коэффициент сопротивления;

(t2 – t1)].- повышение температуры.

2) температурный коэффициент удельного сопротивления – ТКρ или α;

α = (1/ ρ)*(dρ/dT)

Характеризует относительное изменение электросопротивления при изменении температуры на один градус, т.е. является мерой чувствительности сопротивления к температуре, или, напротив, мерой его термической стабильности. ТКС для металлов положителен и в среднем составляет 4*10-3 К-1

Для проводников высокого сопротивления ТКС должен быть как можно меньшим.

Если взять не сплав, а чистый металл, то удельное электрическое сопротивление связано в основном с рассеиванием энергии свободных электронов на дефектах кристаллической решетки, к которым относятся примесные атомы, вакансии, дислокации и тепловые колебания собственных атомов, Поэтому удельное сопротивление

ρ = ρтепл+ ρост,

ρтепл – удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки;

ρост, - удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов кристаллической решетки.

Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис.3.2.


Т


Рисунок 3.2 – Зависимость удельного сопротивления металла от температуры.

Кривая 1 – идеальная характеристика.

Однако на практике такая кривая не реализуется, а обычно получается кривая 2, т.к. полностью исключить примеси и избежать искажений кристаллической решетки не удается. При низкой температуре начинает сказываться сопротивление, обусловленное наличием даже малого количества примесей в металле. Некоторые вещества имеют аномальную зависимость  = (Т) и при температуре <Тс практически не имеют сопротивления и называются сверхпроводниками (кривая 3).

Характер зависимости  от температуры для большинства металлов резко изменяется при переходе из твердого состояния в жидкое.

Рисунок 3.4 – Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди (а) и при низких температурах для меди и алюминия (б).

При достижении Тпл увеличивается объем металла, т.е. уменьшается его плотность, а вместе с ней и концентрация носителей. В результате сопротивление меди возрастает примерно в 2,4 раза. Для металлов, уменьшающих свой объем при плавлении (галлий, висмут, сурьма), значение  имеет тенденцию к уменьшению.

3) коэффициент термо-э.д.с.;

Коэффициент термо-э.д.с проводников для термопар подбирается большим по величине, постоянным в широком температурном диапазоне и стабильным во времени. Там где наличие термо-ЭДС нежелательно – минимальный коэффициентт относительно медных проводов.

4) коэффициент теплопроводности – γт прямо пропорционален удельной проводимости γ. Теплоотводящие устройства изготовляют из материалов с высокой электрической проводимостью – медь, алюминий и сплавы на их основе.

5) Из механических свойств наиболее важными являются предел прочности при растяжении – σр и относительное удлинение – Δl/l. Сильно зависят от режимов механической и термической обработки.

Характер влияния металлической примеси на величину удельного сопротивления данного металла зависит от типа образуемого сплава. Если взять сплав любого химического состава, со структурой твердого раствора, он всегда будет состоять из однородных зерен, в узлах кристаллической решетки которых будут находиться атомы металлов А и В в разных соотношениях в зависимости от состава сплава. Наличие разнородных атомов приведет к искажению кристаллической решетки. Если пропускать ток , то сопротивление движению электронов будет тем больше, чем больше будет искажена эта решетка в зернах сплава. Максимальное искажение, очевидно, будет тогда, когда в сплаве содержится 50% атомов А и 50% атомов В. В этом случае удельное сопротивление будет максимальным. При этом тем меньше будет величина температурного коэффициента удельного электрического сопротивления сплава.

Поэтому при создании металлического сплава с повышенным удельным электрическим сопротивлением необходимо подбирать компоненты сплава таким образом, чтобы они взаимно растворялись друг в друге и максимально искажали кристаллическую решетку.

Если оба компонента не растворяются друг в друге, то сплав имеет структуру механической смеси и состоит из зерен, каждое из которых содержит атомы только одного компонента ( металла А или металла В). В этом случае, в каком бы направлении ни протекал электрический ток, он всегда будет протекать попеременно по зернам металлов А и В, а характеристики будут усредняться, поэтому свойства сплавов находятся между свойствами составляющих металлов.

В случае химического соединения двух металлов зависимость удельного сопротивления и его температурного коэффициента от содержания компонентов будет сложной, зависящей от характера соединений, образующихся при разных составах сплава.

Если взять не сплав, а чистый металл, то удельное электрическое сопротивление связано в основном с рассеиванием энергии свободных электронов на дефектах кристаллической решетки, к которым относятся примесные атомы, вакансии, дислокации, и тепловых колебаний собственных атомов.

Тема 3.3 Материалы высокой проводимости

К материалам высокой проводимости предъявляют следующие требования: минимальное удельное сопротивление – ρ; достаточно высокие механические свойства; способность легко обрабатываться; способность давать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения; коррозионная стойкость.

К материалам этой группы относятся: медь, алюминий, серебро и сплавы на основе этих металлов.

Медь и ее сплавы

Медь – металл красноватого цвета, очень дефицитный, его содержание в земной коре составляет не более 4,7 *10-3%. Этот металл получил широкое распространение в качестве проводникового металла, так как обладает рядом технически ценных свойств: малое удельное сопротивление; высокая механическая прочность; удовлетворительная коррозионная стойкость даже в условиях повышенной влажности. Кроме того, медь хорошо обрабатывается, легко прокатывается в ленты, фольгу, проволоку; хорошо паяется и сваривается.

Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и обжигов, медь, , предназначаемую для элек­тротехнических целей, обязательно под­вергают электролитической очистке. Полученные после электролиза катод­ные пластины меди переплавляют в бол­ванки массой 80...90 кг, которые про­катывают и протягивают в изделия тре­буемого поперечного сечения.

Методом холодной протяжки полу­чают твердую (твердотянутую) медь (маркируется МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий пре­дел прочности при растяжении и малое относительное удлине­ние, а также твердость и упругость при изгибе; проволока из твер­дой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (маркируется ММ), которая сравнительно пла­стична, обладает малой твердостью и небольшой прочностью, но весьма большим относительным удлинением при разрыве и более высокой удельной проводимостью. Отжиг меди производят в спе­циальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Стандартная медь, по отношению к которой выражают в про­центах удельные проводимости металлов и сплавов в отожженном состоянии при 20 °С, имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е. р = 0,0172 мкОм * м.

Марки меди. Из выпускаемых в стране марок стандартной меди в качестве проводникового материала используются медь Ml и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в ос­новном металле. Так, медь Ml содержит 99,90 % Сu, а в общем числе примесей (0,10 %) кислорода должно быть не более 0,08 %. Кислород является одной из наиболее вредных примесей в меди. При повышенном его содержании заметно ухудшаются механи­ческие и технологические свойства меди, а также затрудняется пайка и лужение. Медь, содержащая более 0,1 % кислорода, легко разрушается при горячей обработке давлением, т.е. обладает крас­ноломкостью. Лучшими механическими свойствами обладает медь М0 (99,95 % Сu), в составе которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02 % кислорода. Такую медь получают путем специального режима плавки. Из меди М0 может быть изготовлена наиболее тонкая проволока.

Специальные сорта меди. В электровакуумной технике применяются сорта меди, не содержащие кислорода. Их получают из электролитической меди, переплавленной в защитной атмо­сфере восстановительного газа СО. Выделяющийся при нагревании меди кислород вступает в реакцию с закисью углерода и удаляет­ся в виде углекислого газа. Лучшая бескислородная медь содержит 99,97 % Сu. Еще более чистым металлом является вакуумная медь, выплавленная в вакуумных индукционных печах в графитовых тиглях при остаточном давлении газа порядка 10-3 Па. Она может содержать 99,99 % Сu. Свободная от кислорода медь по механиче­ской прочности и электрической проводимости мало отличается от электролитической меди, переплавленной обычным способом. Ее существенным преимуществом является высокая пластичность.

Свойства меди. Удельная проводимость меди весьма чув­ствительна к наличию примесей. Так, при содержании в меди 0,5 % примеси Zn, Cd или Ag удельная проводимость ее снижается на 5 %. При том же содержании Ni, Sn или Аl удельная проводимость меди уменьшается на 25...40 %. Еще более сильное влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Si или Р, снижающие ее удельную проводимость на 55 % и более. В то же время присадки многих металлов повышают механическую проч­ность и твердость меди как в холоднотянутом, так и отожженном состояниях.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок. Ско­рость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления оксидной пленки с металлом неве­лика. Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных кон­тактов. При высокой температуре в электрической дуге оксид меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металличе­ское отслаивание и термическое разложение оксидной пленки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

Значительное влияние на механические свойства меди оказы­вает водород. После водородного отжига твердость меди может уменьшиться в несколько раз. Разрушительное действие водорода сказывается особенно сильно при наличии кислорода, присут­ствующего в технической меди в виде оксида Сu2О. Водород, лег­ко проникая вглубь металла при повышенных температурах, всту­пает в реакцию:

Сu2О + Н2 = 2Сu + Н2O

Давление образующегося в металле водяного пара из-за незначительной скорости диффузии его может достигать нескольких тысяч атмосфер. Это приводит к образованию микротрещин, на­рушающих вакуумную плотность материала и придающих ему хруп­кость и ломкость. В производстве это явление называют «водород­ной болезнью».

В меди, содержащей менее 0,001 % кислорода, «водородной болезни» практически нет. Однако и в бескислородной меди по­сле термообработки в водороде может наблюдаться ухудшение пла­стичности при повышенных температурах (300...800°С). Дело в том, что при нагревании происходит распад твердого раствора водорода в меди. Выделяющийся газ, находясь под большим дав­лением, разрывает металл и скапливается главным образом по границам зерен. При растяжении эти места становятся слабыми участками.

Применение меди. Медь применяется в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных ус­тройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токо-ведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используются в качестве экра­нов кабелей. Твердая медь употребляется в тех случаях, когда не­обходимо обеспечить особенно высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию, например для изготов­ления неизолированных проводов. Если же требуется хорошая гиб­кость и пластичность, а предел прочности на растяжение не име­ет существенного значения, то предпочтительнее мягкая медь (на­пример, для монтажных проводов и шнуров). Из специальных элек­тровакуумных сортов меди изготовляют детали клистронов, маг­нетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии СВЧ-приборов, некоторые типы волноводов и резонаторов. Кро­ме того, медь используется для изготовления фольгированного гетинакса и стеклотекстолита и применяется в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений меж­ду функциональными элементами схемы.

Несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол медь применя­ется для спаев со стеклами, поскольку она обладает рядом заме­чательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и вы­сокой теплопроводностью. Для впаивания в стекла медному элек­троду придается специальная форма в виде тонкого рантика, бла­годаря чему такие спаи называются рантовыми.

Сплавы меди

Если требуется повышенная прочность, а также стойкость к истиранию, то используют сплавы меди – латунь и бронзу, хотя они имеют более высокое удельное сопротивление. Латунь представляет собой сплав меди с цинком, содержащий иногда некоторые добавки (Mn,Fe) в количестве до 1 – 2%.

Бронза – сплав меди главным образом с оловом, кадмием и бериллием.

Высокими механическими свойствами при хорошей электропроводности обладает кадмиевая и бериллиевая бронзы. Бронзы применяют для изготовления токопроводящих пружинящих контактов и пружин точных приборов.

Латуни применяют для изготовления различных токопроводящих деталей.

Кадмиевая бронза (0,9% Cd); бронза (0,8% Cd, 0,6 Sn); бериллиевая бронза БрБ (2% Be); фосфористая бронза БрОФ (6,5 Sn, 0,15% P).

Латунь Л68 (68% Cu, остальное Zn), латунь Лс59-1 (59% Cu, 1% Pb, остальное Zn).

Алюминий. Вторым по значению (после меди) проводниковым материалом является алюминий — металл серебристо-белого цве­та, важнейший из так называемых легких. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удель­ного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу массы, т. е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в 2 раза легче медных несмот­ря на большее поперечное сечение. К тому же по сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и ха­рактеризуется меньшей стоимостью. Отмеченные обстоятельства обусловливают широкое применение алюминия в техни­ке.

Недостатком алюминия является его низкая механическая проч­ность. Отожженный алюминий в 3 раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.

Алюминий получают электролизом глинозема Аl2О3 в расплаве криолита Na3AlF6 при температуре 950 ºС.

Марки алюминия. Для электротехнических целей исполь­зуется алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5 % примесей. Изготовленная из алюминия АЕ и отожженная при температуре (350 ± 20) °С проволока обладает при 20°С удельным сопротивлением не более 0,0280 мкОм • м. Алюминий высокой чи­стоты А97 (не более 0,03 % примесей) применяется для изготовле­ния алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитиче­ских конденсаторов. У алюминия особой чистоты А999 содержание примесей не превышает 0,001 %. Чистоту его контролируют по зна­чению остаточного удельного сопротивления при температуре жид­кого гелия, которое не должно превышать 4 • 10-6 мкОм * м. Чистый алюминий мягче меди. Хорошо прокатывается в тонкие листы. По твердости различают две марки: алюминий твердый неотожженный (АТ), алюминий мягкий отожженный (АМ). Промышленность выпускает следующие марки алюминиевой проволоки: АТП, АТ, АПТ, АМ – соответственно твердая повышенной прочности, твердая, полутвердая и мягкая.

Разные примеси в различной степени снижают удельную про­водимость алюминия. Добавки таких примесей, как никель, крем­ний, цинк, железо, мышьяк, сурьма, свинец и висмут, в количе­стве 0,5 % снижают удельную проводимость алюминия в отожжен­ном состоянии не более чем на 2...3 %. Более заметное действие на удельную проводимость оказывают примеси меди, серебра и магния, снижающие ее на 5... 10 % при том же процентном содер­жании по массе. Очень сильно снижают удельную проводимость алюминия добавки ванадия, титана и марганца. Можно сказать, что примеси, не образующие твердых растворов с алюминием, мало влияют на его электрическую проводимость, в отличие от заметно ее снижающих примесей, образующих с алюминием твер­дые растворы; исключением является цинк. Закалка увеличивает сопротивление алюминия в присутствии тех примесей, которые увеличивают свою растворимость при нагревании. В техническом алюминии главными примесями являются кремний и железо.

Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят аналогич­но соответствующим операциям для меди. Из алюминия путем прокатки можно получать очень тонкую (6...7 мкм) фольгу, при­меняемую в качестве обкладок в конденсаторах, или пластины конденсаторов переменной емкости.

Свойства поверхности алюминия. Алюминий актив­но окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивле­ние в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невоз­можным пайку алюминия обычными методами. Поэтому для пай­ки алюминия применяются специальные пасты-припои или ис­пользуются ультразвуковые паяльники. Более толстый слой окси­да, который создает надежную электрическую изоляцию на срав­нительно высокие напряжения, получают с помощью электрохи­мической обработки алюминия.

Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка; она может быть сравнительно тонкой (слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение порядка 100 В, а толщиной 0,04 мм – около 250 В).

Из оксидированного алюминия изготовляют различные катушки без дополнительной межвитковой или междуслойной изоляции. Недостатками оксидной изоляции проводов являются ее ограни­ченная гибкость (особенно при большой толщине слоя оксида) и заметная гигроскопичность (в тех случаях, когда не требуется боль­шой нагревостойкости оксидной изоляции, ее покрывают лаком).

Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила в конденсаторах; ее используют также в некоторых типах выпрями­телей и разрядников.

На практике важное значение имеет вопрос защиты от гальва­нической коррозии в местах контакта алюминия и меди. Если об­ласть контакта подвергается воздействию влаги, то возникает ме­стная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхно­сти контакта ток направлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевы­ми должны быть тщательно защищены от увлажнения (их покры­вают лаками и т. п.).

Пленки алюминия широко используются в интегральных мик­росхемах в качестве контактов и межсоединений. Последние обес­печивают связь между отдельными элементами схемы и внешние присоединения. Нанесение пленок на кремниевые пластинки обычно производится методом испарения и конденсации в вакууме. Требу­емый рисунок межсоединений создается с помощью фотолитогра­фии. Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко конденсируется на подложку, обла­дает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2, широко используемой в полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. К тому же алюминий образует хорошие контакты с кремнием.

Недостатком алюминия является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединений.

Сплавы

Это сплавы содержащие магний (до 0,5%) и кремний (до 0,7%), железо (до 0,3%). Например, сплав АД31, который по прочности приближается к меди. Его удельное сопротивление – 0,0317 Х 10-6 Ом м.

Серебро

В нормальных условиях имеет самое малое удельное сопротивление (ρ = 0,016 Х 10-6 Ом м), устойчиво против окисления. Имеет высокие механические свойства, что позволяет изготовлять из него проводники различного диаметра до микропроводов диаметром от 20 мкм и менее. Существуют марки особо чистого серебра с содержанием примесей не более 0,001%. Как проводник, серебро широко используется в виде гальванических покрытий в ответственных ВЧ- и СВЧ-устройствах.

Его особенностью является его способность образовывать при вжигании или напылении прочные покрытия на диэлектриках. Это свойство серебра широко используется в производстве конденсаторов, например, слюдяных – марок КСО, СГМ, керамических – марок КГК, КОМ и др.

К недостаткам можно отнести: способность образовывать пленки сернистых соединений, имеющих повышенное удельное сопротивление, что делает необходимым покрытие лаком или очень тонким слоем более стойкого металла, например палладия.

Используется также в слаботочных контактах. Является остродефицитным материалом.

Сверхпроводники и криопроводники

Криопроводимость. При охлаждении проводника тепловое дви­жение электронов и тепловые колебания атомной решетки замед­ляются, число соударений электронов и атомов сокращается, и со­противление проводника падает, При достиже­нии криогенных температур, лежащих в диапазоне температур сжижения гелия (4,2К), водорода (20.3К), азота (77,4К), удельная проводимость металлов возрастает в сотни и тысячи раз (криопро­водимость) по сравнению с проводимостью при нормальной темпе­ратуре.

Для достижения особо высоких значений криопроводимости при заданной температуре охлаждения необходима высокая чисто­та и минимальное число искажений кристаллической решетки ме­талла. Влияние этих факторов на удельную проводимость металла сказывается при криогенных температурах значительно сильнее, чем при нормальной температуре.

Сверхпроводимость относится к одному из фундаментальных свойств вещества. Она проявляется при достаточно низких темпе­ратурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений (на 14 порядков и более). Это явление обнаружил в 1911 г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес при охлаждении кольца ртути до температуры 4,2К. Крити­ческую температуру охлаждения, при которой у данного материала наблюдается переход в сверхпроводящее состояние, называют тем­пературой сверхпроводникового п е р е х од а Ткр. Пе­реход в сверхпроводящее состояние является обратимым, т. е. с повышением температуры до Т>Ткр удельное сопротивление сверхпроводника вновь приобретает определенное значение. Ряд элементов переходит в сверхпроводящее состояние только при низ­ких температурах и высоких давлениях (кремний, германий, вис­мут и др.).

Явление сверхпроводимости по своей физической сущности принципиально отличается от явления криопроводимости, хотя оба явления выражаются в резком снижении удельного сопротивления материала при глубоком охлаждении. У криопроводников, напри­мер у меди, серебра, получить сверхпроводящее состояние не уда­ется даже при самых низких температурах, достигнутых в настоя­щее время. У сверхпроводников по мере понижения температуры сначала наблюдается явление криопроводимости, которое затем переходит в состояние сверхпроводимости.

Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то при дости­жении критического значения напряженности Нкр состояние сверх­проводимости разрушается. Это может быть вызвано также маг­нитным полем критического тока Iкр, проходящего по сверхпровод­нику. Чем больше значение Нкр сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные характеристики, тем при больших плотностях тока его можно использовать, не нарушая сверхпроводящего со­стояния.

Очень важным свойством сверхпро­водников является эффект вытеснения постоянного магнитного поля из объ­ема сверхпроводника.

В зависи­мости от поведения в магнитном поле выделяют два основных типа сверх­проводников. Сверхпроводники I рода (мягкие) характеризуются резким переходом в сверхпроводящее состояние при одном значении Нкр. При этом происходит полное вытесне­ние магнитного поля из объема сверх­проводника. Мягкие сверхпроводники (бериллий, алюминий, олово, ртуть и свинец). Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение Нкр, что ограничивает предельные значения токов Iкр, пропускаемых по сверхпроводникам.

Сверхпроводники II рода (твердые) характеризуются при пе­реходе в сверхпроводящее состояние двумя значениями Нкр1 и Нкр2 (Нкр1> Нкр2). Область Нкр1 - Нкр2 соответствует смешанному состоянию проводимости материала (сверхпроводимости и криопроводимости) и частичному вытесне­нию магнитного поля из объема сверхпроводника. Необходимо от­метить, что термины «мягкий» и «твердый» сверхпроводник не озна­чают их механической твердости, а связаны с малыми значениями Нкр у «мягких» сверхпроводников (I рода) и высокими значениями Нкр у «твердых» сверхпроводников (II рода). Твердые сверхпроводники (сплавы ниобий-титан, галлид ванадия, станнид ниобия, германид ниобия), пленочные (бериллий, алюминий, олово, галлид ванадия, станнид ниобия).

Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками 1-го рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов дл электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Из всех элементарных веществ наивысшей температурой перехода к сверхпроводимости обладает ниобий (Тсв = 9,2 К). Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками при нормальных условиях. К ним относятся золото, медь, ceрeбро. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.

Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее число наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2 000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент – жидкий водород.

Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам 2-го рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Лю-бой сверхпроводник 1-го рода можно превратить в сверхпроводник 2-го рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках и диэлектриках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновского отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свой­ства сверхпроводников при низких температурах. Примером мо­жет служить титанат стронция SrTiO3, относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверх­проводящее состояние добавкой большой концентрации легиру­ющих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ас­сортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различ­ных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологическими трудностями. Они обусловлены плохими меха­ническими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теп­лопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно боль­шой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обы­чно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофаз­ной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких ни­тей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово из бронзы диффундирует в ниобий, образуя на его поверхности тон­кую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb3Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.

Установлено, что тонкие пленки целого ряда сверхпроводя­щих металлов и сплавов имеют более высокие критические пара­метры, нежели объемные образцы. Для создания туннельных кон­тактов Джозефсона наиболее часто применяют пленки ниобия, свинца, а также сплавов РЬ — Bi, Pb — In—Аu и др. В качестве раз­делительных материалов используются либо оксидные пленки са­мих сверхпроводников, либо прослойки полупроводниковых ма­териалов или металлов в резистивном состоянии. Несмотря на ши­рокую номенклатуру сверхпроводящих сплавов и соединений, ниобиевые пленки постепенно вытесняют другие материалы в пле­ночных приборах криоэлектроники. Это обусловлено успехами технологии изготовления тонкопленочных структур из ниобия, имеющих стабильные воспроизводимые характеристики при на­несении их на различные диэлектрические и полупроводниковые подложки.

Применение сверхпроводников. Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых раз­личных областях науки и техники. Разработаны крупномасштаб­ные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.

Одно из главных применений сверхпроводников связано с по­лучением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряжен­ностью свыше 107 А/м в достаточно большой области простран­ства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не требуется внешнего источника пи­тания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении на­учных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в зна­чительной мере уменьшить габаритные размеры и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термо­ядерного синтеза, в магнитогидродинамических (МГД) преобра­зователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индук­тивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем.

Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверх­проводников позволяет исключить из машин сердечники из элек­тротехнической стали, благодаря чему в 5 - 7 раз уменьшаются их масса и габаритные размеры при сохранении мощности. Эконо­мически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки – сотни ме­гаватт). Значительное внимание в разных странах уделяется разра­ботке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использоваться сверхпроводящие объемные резонаторы, облада­ющие благодаря ничтожно малому электрическому сопротивле­нию очень высокой добротностью (Q > 108). Принцип механического выталкивания сверхпроводников из магнитного поля поло­жен в основу создания сверхскоростного железнодорожного транспорта на «магнитной подушке».

Нарушение сверхпроводимости материала внешним магнитным полем используется в конструкции прибора, который называют криотроном.

На основе криотронов могут быть выполнены быстродействующие элементы логики и памяти ЭВМ. В этом случае единица информации (бит) представляется электрическим током, цирку­лирующим в сверхпроводящем контуре. Наилучшие параметры криотрона удается реализовать при использовании туннельных контактов Джозефсона, обладающих максимальной чувствитель­ностью к магнитному полю.

Схематическое изображение пленочной сверхпроводниковой базовой ячейки для криоэлектронных цифровых микросхем пред­ставлено на рис. 3.5. Действие ячейки основано на изменении кри­тической силы тока через туннельный контакт с помощью магнит­ного поля, создаваемого током через управляющий электрод. При отсутствии управляющего сигнала сила тока в вентильной шине меньше критического значения, благодаря чему туннельный кон­такт сохраняет открытое состояние. В этом случае информация ко­дируется наличием или отсутствием квантов магнитного потока в сверхпроводящем кольце. Джозефсоновские контакты позволяют создавать ячейки памяти с энергией переключения менее 10-16 Дж и временем срабатывания менее 0,1 нс. Благодаря малым размерам пленочного криотрона и низкой тепловой нагрузке можно обеспе­чить плотность упаковки элементов до 106 см-2.

Одним из наиболее перспективных применений эффекта Джо­зефсона является детектирование и преобразование электромаг­нитных колебаний, особенно в миллиметровом и субмиллимет­ровом диапазонах спектра. На основе сверхпроводников реализо­ван целый ряд других приборов, относящихся к технике СВЧ, среди которых можно отметить параметрические усилители, ге­нераторные и смесительные устройства, фазовращатели, фильт­ры и линии задержки, а также элементы антенно-фидерных уст­ройств.

Широкой областью применения сверхпроводников является измерительная техника. Практическое освоение сверхпроводящих квантовых интерферометров привело к созданию нового поколе­ния метрологических средств, которые по своим возможностям существенно дополняют имеющиеся измерительные приборы.

1 – контакт Джозефсона; 2 вентильная шина; 3 – управляющий электрод; 4 обводное сверхпроводящее кольцо.

Рисунок 3.5 – Схема пленочного криотрона с вентилем на основе туннельно­го контакта Джозефсона.

Наибольшее распространение СКВИДы получили в физике, ме­дицине и дефектоскопии. С помощью различных входных конту­ров, трансформаторов магнитного потока удается преобразовать измеряемые физические величины в изменение магнитного пото­ка. На этом принципе работают индикаторы сверхмалых напряже­ний с порогом чувствительности 10-16В, высокочувствительные амперметры для измерения токов до 10-11 А, измерители магнит­ной восприимчивости и др. Круг таких приборов непрерывно рас­ширяется.

Тема 3.4 Материалы высокого сопротивления

Основные требования

Эти материалы делятся на две группы: резистивные материалы и материалы для термопар.

Резистивные материалы должны обладать: высоким удельным сопротивлением, стабильностью, коррозионной стойкостью, малым ТКρ. Коэффициент термо-ЭДС для высокоомных проводников в контакте с медью должен быть минимальным.

Резистивный материал можно применять в виде проволоки различного диаметра или пленок различной толщины, нанесенных на диэлектрическое основание. Резистивные материалы это сплавы, имеющие заметно деформированную решетку. Кроме сплавов в качестве резистивных материалов применяют высокоомные материалы на основе соединений металлов: оксидов, силицидов, карбидов, многие из которых обладают весьма малым и близким к нулю значением ТКρ.

Особые требования предъявляют к материалам для нагревательных элементов, которые используются в технике и быту (в виде накаливаемой спирали). Этим требованиям удовлетворяют нагревостойкие сплавы.

Материалы для термопар характеризуются наибольшими предельно допустимыми величинами температуры спая Тсп, коэффициента термо-ЭДС К и удельным сопротивлением ρ.

Проводниковые сплавы высокого сопротивления

Наибольшее распространение получили сплавы на основе меди и никеля (манганин и константан). Манганин получил свое название из-за наличия в нем марганца (до 12%). Широко применяется для образцовых резисторов и других точных приборов. Его можно вытягивать в тонкую проволоку диаметром 20 мкм и менее. Проволоку выпускают как в твердом (неотожженом) виде марки ПМТ, так и в мягком (отожженном) – марки ПММ.

Микропровод из манганина в стеклянной изоляции изготовляют диаметром в несколько мкм, его используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов.

К недостаткам манганинового провода следует отнести невысокую воспроизводимость характеристик, пониженную гибкость за счет стеклянной изоляции.

Для обеспечения повышенной стабильности сопротивления и снижения ТКρ проволоку подвергают тепловому старению: отжигу в вакууме при температуре 550-600оС с последующим медленным охлаждением на воздухе. Предельно допустимая рабочая температура сплавов этого типа не превышает 200оС. Из механических свойств это: удлинение =15-30% и σр = 450-600МПа.

Константан – сплав, содержащий около 40% никеля и 60% меди. Свое название получил за высокое постоянство сопротивления в рабочем диапазоне температур. Хорошо поддается обработке, его можно протягивать в проволоку диаметром 10-20мкм. Предельная рабочая температура 500оС. Образующаяся при этом пленка оксида обладает электроизоляционным свойством (оксидная изоляция). Это позволяет применять константан без специальной межвитковой изоляции для изготовления реостатов и нагревательных элементов. В паре с медью развивает высокую термо-ЭДС, что затрудняет его применение для резисторов в точных приборах. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450оС.

Дорог из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.

Манганины - сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu , 12% Mn , 3% Ni.

Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью (1 - 2 мкВ/К ), удельное сопротивление 0.42 - 0.48 мкОм . м, бр= 450 - 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 - 30%, максимальную длительную рабочую температуру не более 200оС. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой изоляцией.

Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO . Сплавы системы Fe-Ni-Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Некоторые свойства жаростойких сплавов приведены в таблице.

Марка сплава

Тип сплава

ρ, мкОм . м

ТКр, 105 1/ºC

Максимально допустимая температура, ºC

Х20Н80

Нихром

1.04 - 1.17

9

1100

Х13Ю4

Фехраль

1.2 - 1.34

15

960

Х23Ю5Т

Хромаль

1.3 - 1.5

5

1150

Основная область применения этих сплавов – электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

Нихромы весьма технологичны и имеют высокую рабочую температуру, их можно протягивать в очень тонкую проволоку, диаметром несколько мкм. Тонкие пленки из нихрома используют при изготовлении пленочных резисторов интегральных схем.

Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н. нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия, т.н. фехрали. В обозначении марки буква Х означает хром, буква Н – никель, буква Ю – алюминий. Цифра после каждой буквы – процентное содержание этого элемента (массовые проценты). Железо обычно составляет основу, его не обозначают, а его содержание составляет остальное, т.е. сколько нужно, чтобы дополнить до 100 %.

Применение этих сплавов для нагревателей и резисторов обусловлено двумя главными обстоятельствами. Во - первых, их удельное сопротивление примерно в 40-60 раз превышает удельное сопротивление проводников - алюминия и меди. Это связано с нарушением структуры материала в сплаве нескольких металлов. Во - вторых, на поверхности этих материалов образуется прочная, химически стойкая пленка из окислов, что обеспечивает высокую жаростойкость материалов. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихромов положителен, т.е. с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается. Это означает, что при использовании нихрома в качестве нагревателя мощность нагревателя по мере работы, и, соответственно прогревания самого резистивного материала, будет уменьшаться. Важно также, что температурные коэффициенты расширения у пленки оксида и у металла близки, поэтому пленка не отслаивается при включении - выключении нагревателей.

В некоторых случаях для изготовления реостатов, контактных пружин применяют медно-никелевый сплав нейзильбер МНЦ-15-20, в составе которого 18…22% цинка, 13,5…16,5% никеля (с кобальтом), остальное – медь. Внешне напоминает серебро, имеет очень высокие механические характеристики, пластичен, но ρ меньше, чем у других сплавов. Высокая коррозионная стойкость, дешевле константана.

Пленочные резистивные материалы

Эти материалы применяются широко для изготовления постоянных и отчасти переменных резисторов различных типов. В зависимости от состава делятся на две группы: на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов) и неметаллические (углеродистые) материалы. Первые совершенствуются, а вторые постепенно утрачивают свое значение.

Пленочные на основе металлов и их соединений используют в микроэлектронике при изготовлении пленочных резисторов и резистивных элементов весьма малых размеров в микросхемах, интегральных схемах и др. устройствах.

Можно выделить следующие материалы:

Тонкие металлические пленки тугоплавких металлов (тантала, рения), а также хрома и нихрома обладают мелкозернистой структурой, повышенными значениями удельного поверхностного сопротивления ρh, низкого значения ТКρh. Для нанесения этих пленок используют методы вакуумной технологии: термическое вакуумное испарение (хром, нихром) или распыление резистивного материала под действием бомбардировки его ионами инертного газа (тантал, рений и др.).

Резистивные сплавы, содержащие кремний марок РС и МЛТ широко применяются для изготовления тонкопленочных резисторов методом термического вакуумного испарения.

Сплавы марки РС содержат кремний и легирующие компоненты (хром, никель, железо). В обозначении марки сплава, например, РС 3001, буквы и цифры означают: РС –резистивный сплав; первые две цифры 30% хрома (основного компонента), легирующего кремний; вторые две содержание железа -1%, второй легирующий компонент; остальные 69% кремний.

Сплавы выпускают в виде сыпучих порошков с размерами частиц 40-70 мкм и применяют для получения тонкопленочных резисторов.

Сплавы марки МЛТ многокомпонентны и содержат кремний, железо, хром, никель, алюминий, вольфрам. Выпускают в виде мелкозернистых порошков. Отличаются высоким значением ρh, большой стойкостью к окислителям и воздействиям различных химически активных сред. Сплав МЛТ-3М широко применяются для изготовления тонкопленочных дискретных резисторов.

Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Наносят методом испарения в вакууме смеси порошков металлов (Fe, Ni, Cr) и оксидов (SiO, Nd2O3, ТiO2). Отличаются повышенной термостойкостью, однородностью свойств. Применяю для изготовления резисторных микросборок.

Из металлооксидных резистивных пленок наибольшее применение нашли пленки двуокиси олова. Имеют плотную мелкозернистую структуру. Высокая адгезия к керамическим и стеклянным основаниям. Устойчивы к истиранию и химически устойчивы. Применяют для изготовления постоянных и переменных резисторов.

Композиционные резистивные материалы представляют собой механические смеси мелкодисперсных порошков металлов и их соединений с органической или неорганической связкой. В качестве проводящей фазы используются порошки серебра, палладия и полупровод-е материалы - оксиды этих металлов, карбиды кремния, вольфрама. В качестве связки используются диэлектрики –полимеры, порошкообразное стекло, неорганические эмали. Обладают большим удельным сопротивлением, слабо зависящим от температуры, позволяют управлять электрическими свойствами путем изменения состава, простая технология изготовления.

Недостатки: повышенный уровень собственных шумов, зависимость сопротивления от частоты, старение при длительной нагрузке.

Применяют для изготовления постоянных и переменных резисторов, поглощающих элементов в СВЧ-устройствах (пленочные и объемные)

Углеродистые материалы применяют в качестве пленочного резистивного материала в виде проводящих модификаций углерода: природного графита, сажи, пиролитического углерода. Отрицательный ТКρ. Применяют для изготовления сравнительно дешевых пленочных резисторов широкого применения.

Материалы для термопар

Используют следующие сплавы:

  1. копель (44% Ni и 56% Cu), ρ = 0,465 10-6 Ом м;

  2. алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mn), ρ = 0,305 10-6 Ом м;

  3. хромель (90% Ni & 10% Cr), ρ = 0,66 10-6 Ом м;

  4. платинородий (90% Pt & 10% Rh), ρ = 0,19 10-6 Ом м;

Используются также константан и платина. По значениям предельных температур при длительной работе термопары распределены следующим образом: 1) платина – платинородий – до 1600 ºС; 2) хромель – алюмель – до 1000 ºС; 3) хромель – копель, железо – копель, железо – константан – до 600 ºС; 4) медь – копель, медь – константан – до 350 ºС.

Наибольшую термо-ЭДС дает термопара хромель-копель 80 мкВ/К, наименьшую платина-платинородий 8 мкВ/К.

Тема 3.5 Проводниковые материалы и сплавы

Тугоплавкие металлы

Эти материалы обладают высокой тугоплавкостью и химической стойкость. Они широко применяются в электровакуумной технике, в полупроводниковом производстве и микроэлектронике, а также как материалы для сверхпроводников, подвижных контактов и т.д.

Материалы с температурой плавления выше 1700оС относят к тугоплавким. Они, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при высоких активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них (электроды, нагреватели, катоды) эксплуатируют в вакууме или в среде инертных газов.

Механическая обработка затруднительна из-за их повышенной твердости и хрупкости.

Вольфрам – светло-серый металл, имеет высокую температуру плавления (3380оС) и очень высокую плотность. Характерной особенностью является высокая прочность отдельно взятых кристаллов при слабом их сцеплении между собой. Вольфрамовые изделия с мелкокристаллической структурой очень хрупкие. Волокнистая структура, создаваемая ковкой и волочением, обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тонких вольфрамовых нитей, диаметр которых достигает 10 мкм. С уменьшением диаметра нити возрастает ее механическая прочность за счет преобладания волокнистой структуры. Предел прочности при растяжении до 3000-4000 МПа. Относительное удлинение около 4%.

Выпускается вольфрам следующих марок: ОЧВ – особо чистый, содержащий примесей не более 0,02%; ВА – с присадкой кремния и алюминия; ВТ-7-ВТ-50 – с присадкой окиси тория; ВРН – разного назначения и др.

Вольфрам используется в электровакуумных приборах преимущественно при высоких температурах.

Вольфрам сравнительно дорог, плохо обрабатывается и поэтому применяется только там, где его нельзя заменить. Это нити накаливания осветительных ламп, катодов прямого и косвенного накала мощных генераторных ламп, высоковольтных выпрямителей, рентгеновских трубок. Его также применяют для разрывных контактов реле, пускателей и др., особенно при больших значениях разрываемой мощности. В микроэлектронике применяют при изготовлении испарителей для нанесения в вакууме тонких пленок различных материалов.

Молибден – по свойствам близок к вольфраму, хотя почти в 2 раза легче последнего; имеет наиболее низкое ρ из всех тугоплавких металлов (ρ=0,057 10-6 Ом м), температура плавления 2620оС. Широко применяется в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам. Механические свойства молибдена зависят от термической и механической обработки, вида и размера изделия. Предел прочности на растяжение от 350 до 2500 МПа, а относительное удлинение от 2 до 55%.

Выпускают следующие марки: ОЧМ – особо чистый молибден (примесей не более 0,02%), МЧ – чистый молибден, МК – с присадкой кремния и др.

Высокая прочность и твердость в сочетании с хорошей пластичностью делают его одним из лучших материалов для производства деталей сложной конфигурации, работающих в вакууме при высоких температурах (электроды радиоламп, нагреватели электропечей). В паре с вольфрамом молибден используется для термопар, рассчитанных для работы до 2000оС.

Тантал широко применяется в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам и характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Например, прокатыванием получают танталовую фольгу для электролитических конденсаторов толщиной в несколько мкм. Температура плавления – 2970оС, ρ = 0,135 10-6 Ом* м, предел прочности на растяжение от 35 до 1250 МПа, относительное удлинение от 2 до 40%.

Промышленность выпускает: ТЧ – высокой чистоты (примесей не более 0,25%), Т – повышенной чистоты (примесей не более 0,7%), ТТ-1 – тарированный тантал и др.

Тантал применяют в производстве пленочных резисторов, электролитических конденсаторов.

Титан используют не только в качестве конструкционного материала для арматуры электровакуумных приборов, но и для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых электродов этих приборов.

Имеет хорошие механические свойства и высокой газопоглащающей способностью при нагреве до 500оС. Предел прочности на растяжение – 500 – 900 МПа, относительное удлинение – 3-4%, температура плавления – 1680оС, ρ – 0,42 10-6 Ом* м.

Благородные металлы

Эти материалы (золото, платина, палладий и др.) относятся к числу металлов с наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды, а также к действию различных кислот, щелочей и др.

Золото обладает высокой пластичностью. Из него можно получить фольгу толщиной 0,08 мкм и менее (в 250 раз тоньше человеческого волоса). Предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве до 40%, температура плавления 1063оС, удельное сопротивление 0,024Х*10-6 Ом* м. Золото образует сплавы со многими металлами.

Применяется как материал для слаботочных коммутируемых контактов, для вакуумного напыления проводников интегральных схем, нейтральных оптических фильтров, в производстве электродов полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов.

Платина – светло-серый металл, практически не соединяющийся с кислородом и стойкий к различным химическим веществам. Обладает высокой пластичностью, что позволяет получать из него микропровод и тонкую фольгу. Предел прочности при растяжении отожженной платины составляет около 150 МПа при относительном удлинении около 30-35%. Температура плавления – 1773оС. Удельное сопротивление – 0,105*10-6 Ом м.

Широко применяется в приборостроении для изготовления термопар (платино-платинородиевые) для измерения температур до 1600оС. Применяют также для изготовления низкоомных переменных резисторов, термометров сопротивления и терморезисторов.

Платину и особенно ее сплавы повышенной твердости используют как материал для слаботочных контактов.

Палладий по многим свойствам близок к платине. Температура плавления – 1554оС, удельное сопротивление – 0,11*10-6 Ом м.

Поскольку он значительно дешевле платины, то он вытесняет ее или используется в сплавах с ней.

Применяют в электровакуумной технике как хороший поглотитель водорода.

Тема 3.6 Материалы для подвижных контактов

Основные сведения и требования

В любой электронной аппаратуре должны осуществляться элек­трическое соединение и разъединение отдельных цепей и блоков, часто требуется производить коммутацию (переключение) элект­рических цепей, поэтому в состав аппаратуры обязательно входят соединительные и коммутационные элементы. Основной частью этих элементов являются электрические контакты. С увеличением сложности аппаратуры значительно возрастает число применяемых электрических контактов, и от их работоспособности во многом зависит надежность всей аппаратуры в целом. Более 50 % выходов из строя аппаратуры вызваны отказами в электрических контак­тах.

Электрическим контактом называется соединение двух провод­ников, приведенных в соприкосновение, с целью передачи элек­трической энергии от одного проводника к другому. Соединяемые проводники называются контактной парой.

В общем случае электрический контакт содержит две поверх­ности проводников, которые механически прижимают друг к другу. Металлы, используемые в контактах, обычно являются поликри­сталлическими веществами. Они состоят из множества малых об­ластей (зерен или кристаллитов) неправильной формы, самым различным образом расположенных относительно друг друга. После механической обработки поверхность металлов становится шеро­ховатой, т.е. состоит из выступов, представляющих собой крис­таллиты и их обломки (высота выступов 10... 100 мкм). Механи­ческой и химической полировкой средний размер неровностей поверхности уменьшают до единиц микрометров. Однако на обра­батываемой поверхности при этом образуется тонкий слой с ме­ханическими и электрическими свойствами, отличными от свойств исходного материала (рис.3.6, а). Этот слой, называемый слоем Бейлби, возникает в результате разрушения наиболее крупных выступов и последующего впрессовывания их обломков во впади­ны микрорельефа. При этом значительная часть кристаллитов окис­ляется, их сопротивление увеличивается, поэтому слой Бейлби является почти аморфным и отличается повышенным удельным сопротивлением и твердостью.


а)

б)

а – до соприкосновения; б – при механическом контактировании; 1 – слой Бейлби; 2 – хрупкий оксидный слой; 3 – пластичный сульфидный слой; 4 – полимерные или водяные пленки; 5 – воздух.

Рисунок 3.6 – Состояние поверхности контактирующих материалов.

На поверхности металла, находящегося в атмосфере промыш­ленных городов, образуются диэлектрические и полупроводнико­вые пленки. Прежде всего следует упомянуть оксидные пленки, толщина которых зависит от скорости диффузии кислорода в ме­талл и металла в оксид пленки, от температуры, давления и со­става окружающей среды. Наиболее часто в качестве материала контакта выступает медь. Скорость диффузии ионов меди в оксид уменьшается по мере увеличения его толщины, поэтому скорость роста пленки с течением времени тоже уменьшается и становится равной нулю. На поверхности меди образуется пленка толщиной h0, постоянная для данных внешних условий (для определенной влажности, температуры и давления кислорода в окружающей среде).

Пленка оксида обладает пассивирующими свойствами, но ее структура разрушается при образовании контакта (рис.3.6, б).

Одновременно возникают так называемые пленки потускне­ния. Они образуются в атмосфере, содержащей сероводород, ак­тивно взаимодействующий с металлами. В результате на поверхно­сти происходит синтез сульфидов, которые по электрическим свой­ствам относятся к полупроводникам или (реже) к диэлектрикам.

К сожалению, такие пленки не обладают пассивирующими свойствами, а их меха­нические свойства допускают значитель­ные деформации без разрушения струк­туры (см. рис.3.6, б). Наружные пленки (полимерные или водяные) влияют на свойства контактов только в режиме мик­ротоков.

Рассмотрим механическое соединение двух металлов (в виде цилиндров с радиу­сом r0) под действием внешнего давления (рис.3.7).

Рисунок 3.7 – Модель прижимного плоско­стного электрического контакта.

Так как соприкасающиеся ме­таллы (контактная пара) имеют шерохо­ватую поверхность, то механическое со­единение элементов контактных пар про­исходит не по всей поверхности контакта So , а только на отдельных участ­ках, называемых контактными пятнами.

К числу основных электрических параметров контакта относится его контактное сопротивление в зоне перехода между двумя металлами.

Помимо контактного сопротивления другим важным парамет­ром электрического контакта является максимальный ток Iмах, который может быть пропущен через контакт без нарушения его работоспособности. При протекании через замкнутый контакт тока Iмах в контакте выделяется мощность, контакт нагрева­ется, что может привести к окислению металла и к увеличеник RK. В результате нагрев контакта будет возрастать вплоть до преры­вания цепи.

При больших токах возможно также оплавление поверхности металла, что вызывает невозможность размыкания контакта из-за сваривания контактных пар. При размыкании контакта под элек­трической нагрузкой возможно также образование электрической дуги между проводниками контактной пары, что при большие токах может привести к окислению, электрической эрозии и свариванию контакта.

При работе контактов в цепях с напряжениями в единицы микровольт или в режиме микротоков следует учитывать термо­ЭДС, возникающую в переходной зоне. Величина и направление термоЭДС определяются электродными потенциалами материа­лов контактов и их температурой. Если температура проводников контактной пары одинакова, термоЭДС равна алгебраической раз­ности электродных потенциалов, которая может произвольно ме­няться во времени по величине.

Малую разность контактных потенциалов необходимо обеспечить также для того, чтобы исключить появление во влажной среде гальванической пары – это может вызвать коррозию проводни­ков контактной пары.

В контакте при протекании по нему тока неизбежно возникают токовые шумы. ТермоЭДС и ЭДС шумов вызывают изменение проходящего через контакт электрического сигнала, что особенно заметно при ма­лых напряжениях и токах.

При длительной эксплуатации происходят процессы механи­ческого и электрического износа контактной пары. После много­кратного сочленения и разъединения контакта возникают изме­нения геометрических размеров и состояния поверхности контак­тных пар. Это обусловлено несколькими процессами, связанными между собой.

Особую разновидность составляют плоскостные скользяща контакты (например, в электродвигателях). В них существенную роль играет абразивный характер износа, связанный с перемещением одного элемента контактной пары по поверхности другого. Так как перемещение производится под нагрузкой, то при токе 0,5... 1 А происходит интенсивная электрическая эрозия, связанная с искрением или дугообразованием. При этом температур отдельных областей в зоне механического контактирования может достигнуть температуры плавления и даже кипения материала контакта. Вследствие этого происходят испарение и разбрызгивание металла.

Все рассмотренные процессы оказывают влияние на износостойкость контакта. Под износостойкостью понимают предельно количество сочленений, после которого величина RK выходит за пределы допустимого значения. В зависимости от назначения контакты должны обеспечивать от 100 до 108 сочленений.

Все контакты делятся на два типа: скользящие и разрывные.

Скользящие обеспечивают переход электрического тока от неподвижной части устройства к подвижной (потенциометры, реостаты, генераторы, двигатели постоянного тока и т.д.

Разрывные обеспечивают управляемое периодическое замыкание и размыкание электрических цепей в течение длительного времени (реле, пускатели, электромеханические преобразователи, прерыватели). Такие условия работы вызывают в них сваривание контактов, эрозию, коррозию, механический износ, что приводит их к разрушению.

Материалы для скользящих контактов должны обладать низким удельным сопротивлением, малым падением напряжения на контактах, высокой стойкостью к истиранию, должны выдерживать работу на высоких скоростях.

Материалы для разрывных контактов работают в наиболее сложных условиях. Они не только должны иметь малое удельное сопротивление, малое падение напряжения на контактах, но и быть стойкими к механическому и электрическому износу.

Эрозия связана с переносом материала с одного контакта на другой за счет искровых или дуговых разрядов. Это явление связано с полярностью контактов, поэтому особенно остро проявляется в цепях постоянного тока. Под влиянием эрозии нарушается форма рабочих поверхностей, на них образуются наросты, кратеры и замыкающие перешейки, в дальнейшем может произойти спекание контактов. Для снижения действия эрозии необходима высокая температура плавления контактного материала, плохая его испа­ряемость за счет высоких значений теплоты плавления и испарения. Луч­шими противоэрозионными свойствами обладают вольфрамовые контакты.

Коррозия обусловлена химическим взаимодействием контактных материалов с окружающей средой, т. е. с появлением на их поверхности оксидных, сульфидных, карбонатных и других пленок с плохой электропроводностью. Все металлические изделия в процессе эксплуатации подвер­жены действию коррозии, однако корро­зия контактных материалов протека­ет значительно активнее за счет разо­грева контактов до высоких темпе­ратур.

Высокой коррозионной стойкостью обладают благородные ме­таллы, особенно те из них, которые длительное время не покрыва­ются оксидными пленками и получили за это название «нетускнеющих». К их числу относят золото, платину и ее сплавы с иридием, родий и другие металлы, не имеющие или имеющие весьма тонкую оксидную пленку, характеризующуюся высокой электропровод­ностью. Для работы таких контактов достаточно усилие в 0,15— 0,25 Н. Для материалов с толстой оксидной пленкой, например, вольфрама, необходимо применение повышенного усилия на кон­такты (до 10Н), что способствует разрушению оксидных пленок при ударе контактов.

Механический износ происходит вследствие приложения опре­деленной силы при ударе контактов и последующего контактного нажатия. Чтобы свести к минимуму растрескивание, истирание частей контактов, необходима высокая твердость и высокая меха­ническая прочность (главным образом вязкость при ударе) кон­тактирующих материалов. В связи с этим целесообразнее благо­родные металлы применять в виде гальванических покрытий. Изве­стно, что твердость и износоустойчивость гальванических покрытий из благородных металлов в несколько раз выше соответствующих показателей массивного благородного металла.

Контактных материалов, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, не существует. Практически удается лишь прибли­зиться в той или иной степени к совокупности наиболее нужных характеристик материала. Во всех возможных случаях устройства с разрывными и скользящими контактами целесообразно заменять соответствующими электронными схемами. Это, как правило, по­вышает срок службы прибора, снижает число отказов, позволяет эксплуатировать приборы в более жестких условиях.

Материалы для скользящих контактов

Материалы для скользящих контактов можно разделить на пружинные металлические и электротехнические угольные.

В качестве пружинных металлических контактных материалов используют, главным образом специальные сорта бронз (кадмие­вые, кадмиево-оловянистые, бериллиевые), обладающие повышенной механической прочностью, стойкостью к истиранию при невысоких значениях р. Основное примене­ние пружинные контактные материалы на­ходят в потенциометрах, переключателях, реостатах и других элементах радиоэлект­ронной аппаратуры.

Электротехнические угольные материалы широко используют для изготовления ще­ток электрических машин, угольных элект­родов для гальванических элементов, дуго­вых печей и т. д. Сырьем для производства электроугольных изделий служит природный графит и сажа.

Природный графит — слоистый материал, одна из разно­видностей чистого углерода. Его физические свойства в направле­нии слоистости и перпендикулярно к ней различны. В направлении слоев электропроводность графита имеет металли­ческий характер (р = 8 мкОм*м, ТКр = -1 – 10-3 К-1). Отдельные чешуйки графита легко отделяются и скользят по его поверхности. Это свойство графита ценно для работы скользящих контактов. Оно используется в технике при изготовлении сухих смазок на ос­нове графита.

Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод с при­месью смолистых веществ. Для них характерен широкий диапазон удельного сопротивления (0,01—400 Ом-м).

Сажу и графит смешивают со связкой (например, каменноуголь­ной смолой, жидким стеклом), прессуют и подвергают термообра­ботке. При высоких температурах обжига (до 2200° С) увеличива­ются размеры кристаллов графита, повышается проводимость материала и снижается его твердость. Этот процесс называют графитированием. Он позволяет направленно регулировать различные свойства электроугольных щеток.

Промышленность выпускает щетки различных марок: угольно-графитные (УГ), графитные (Г), электрографитированные, т. е. подвергнутые графитированию (ЭГ), металлографитные, содержа­щие металлический порошок (Ми МГ).

Удельное давление для всех щеток составляет 20—30 кПа, при коэффициенте трения по меди не более 0,3. Падение напряжения в щеточном контакте при номинальном токе составляет от 0,3 В (щетки МГ) до 3 В (щетки ЭГ). Основное применение электро­угольные щетки находят в электрических генераторах, электродви­гателях, автотрансформаторах и т. д.

Материалы для разрывных контактов

По величине коммутируемого тока контакты этого типа делят на слаботочные (токи до единиц ампер) и сильноточные.

Слаботочные контакты изготовляют обычно из благородных и тугоплавких металлов, преимущественно из серебра, платины, зо­лота, вольфрама и сплавов на их основе типа твердых растворов.

Серебро применяется в широкой номенклатуре контактов в аппаратуре разных мощностей. Исключение составляют особо точные контакты с малой силой контактного нажатия. Серебряные контакты не рекомендуется применять вместе с материалами, со­держащими серу (например, резина, эбонит).

Широко применяют сплавы систем серебро – кадмий, серебро – палладий, серебро – магний – никель, имеющие улучшенные свой­ства по сравнению с чистым серебром. Преимущество сплавов кад­мия с серебром состоит в увеличении скорости гашения дуги, воз­никающей между контактами, за счет паров кадмия и кисло­рода.

Сплавы системы серебро – магний – никель, например СрМгН-99, а также сплавы с добавками золота и циркония удачно сочетают свойства упругого и контактного материалов. Это позво­ляет успешно использовать их как единые детали «контакт – пру­жина», что весьма ценно в малогабаритных и миниатюрных устрой­ствах. Переходное сопротивление этих сплавов практически той же величины, что и переходное сопротивление серебра.

Контакты из серебра и его сплавов широко используют в реле различных назначений, в устройствах электронной техники, рабо­тающих в бездуговом режиме, в радиоаппаратуре, приборах авто­матики, в аппаратуре авиационного и морского оборудования.

Золото в чистом виде применяют лишь для изготовления пре­цизионных контактов, работающих при малом контактном нажатии и низком напряжении. Однако на золотых контактах даже при ма­лых токах в результате эрозии образуются иглы и наросты. Кроме того, золото весьма склонно к дугообразованию. Суще­ственным преимуществом золота является его коррозионная стой­кость против образования сернистых пленок, как при комнатной температуре, так и при нагревании. Золото, как контактный мате­риал используют, главным образом в виде сплавов с платиной (например, ЗлПл-7), серебром, никелем, цирконием, имеющих по­вышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стой­кость. Сплавы золота используют для скользящих контактов по­тенциометров, в измерительных приборах, малогабаритных реле, в телефонной аппаратуре и штепсельных разъемах.

Платина на воздухе не окисляется и не образует сернистых пленок. Это обеспечивает платиновым контактам стабильное пере­ходное сопротивление. В чистом виде платина редко применяется для изготовления контактов, но является одной из лучших основ для группы контактных сплавов. Присадки никеля, серебра, золо­та, иридия сильно повышают твердость и удельное сопротивление платиновых сплавов. Наиболее распространены платино-иридиевые контактные сплавы ПлИ-10 и ПлИ-25. Платиновые контактные сплавы используют в прецизионных реле, работающих без дуговых разрядов, в малогабаритных и миниатюрных реле радиоэлектрон­ной аппаратуры, контрольных peлe авиационного электрооборудо­вания.

Вольфрам является одним из распространенных и давно применяемых контактных материалов. Он наиболее стоек к образова­нию дуги, в несколько раз более стоек к эрозии, чем платина. Вольфрамовые контакты практически не свариваются во время работы (температура плавления 3380°С). Благодаря высокой твердости, они не поддаются заметному механическому износу. Причем наилучшими свойствами обладают контакты из вольфра­мовой проволоки, имеющей продольно-волокнистое строение. Если зерна у нарезанных из проволоки контактов вытянуты вдоль оси контакта, заметно повышается его износоустойчивость.

Легирование молибденом увеличивает твердость вольфрама, его удельное сопротивление и несколько снижает тугоплавкость. Однако у молибдена есть существенный недостаток: он подвержен коррозии в условиях атмосферы с образованием рыхлых, пленок оксидов, способных вызвать нарушение контакта. Поэтому молибден вводят в сплав с вольфрамом в малых количествах.

Применяют вольфрамовые контакты в контрольных реле авиа­ционного оборудования, в преобразователях и прерывателях тока, в вакуумных или газонаполненных выключателях, телеграфных, сигнальных реле и т. д.

Сильноточные контакты преимущественно изготовляют из металлокерамических материалов, получаемых методами порошковой металлургии. тугоплавких металлов (W, Мо и сплавы на их основе).

Металлокерамические материалы для сильноточных контактов должны состоять из невзаимодействующих друг с другом компо­нентов, один из которых обладает значительно большей тугоплавкостью, а другой обеспечивает хорошую проводимость материала. При расплавлении этот компонент удерживается силами поверхно­стного натяжения в порах тугоплавкой фазы. В настоящее время хорошо зарекомендовали себя следующие материалы: серебро – оксид кадмия, серебро– никель, серебро – графит, серебро – вольф­рам, медь – вольфрам, медь – графит.

Серебряная или медная фаза обеспечивают высокую электро- и теплопроводность контактов, а тугоплавкая фаза в виде равно­мерных включений оксидов кадмия, меди, никеля, а также вольфра­ма и графита повышает их износо- и термостойкость и препятствует свариванию контактов. Кроме того, оксид кадмия, разлагаясь при температуре около 900°С на кадмий и кислород, способствует бы­строму гашению дуги. Аналогичные свойства проявляет оксид меди, но при более высоких температурах.

Если исходные компоненты материала измельчены до размеров частиц 0,5 – 2 мкм вместо обычных размеров 50 – 150 мкм, срок службы контактов возрастает в 1,5 – 3 раза. Мелкодисперсные кон­тактные материалы дополнительно маркируются буквой м, напри­мер КМК-20м.

В порядке уменьшения стойкости к свариванию контактные ма­териалы можно расположить в следующем порядке: графит, вольф­рам, сплав вольфрам – молибден, металлокерамика вольфрам – медь (серебро), карбид вольфрама – серебро, сплавы серебро – кадмий, металлокерамика серебро – оксид кадмия (оксид меди), серебро (медь) – графит и т. д. Металлокерамические контакты по сравнению с обычными металлическими более стойки к оплавле­нию, привариванию и износу. Они незаменимы при высоких токо­вых и механических нагрузках, при умеренных нагрузках позволя­ют значительно увеличить срок службы контактов, повысить на­дежность и долговечность аппаратов при значительной экономии металлического серебра (от 10 до 70%).

Сильноточные металлокерамические контакты используют для общепромышленных целей, в аппаратуре морского и авиационного оборудования, в частности в авиационных реле и выключателях среднего и тяжелого режима, а также в автоматических предохра­нителях, пускателях, контакторах, реле сигнализации и т. д.

Тема 3.7 Припои и контактолы

Общие сведения

Неподвижные контакты в радиоэлектронике обеспечиваются пайкой, сваркой, контактолами.

Пайкой называют способ соединения металлов или металлизированных материалов с помощью специальных сплавов или чистых металлов.

Припоями называются металлы или сплавы, вводимые в зазор между соединяемыми деталями, имеющие более низкую температуру начала авто­номного плавления, чем паяемые материалы.

Пайку производят для получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением или механически прочного, а при необходимости и герметичного шва. Соединения металлов пайкой возможны в тех случаях, когда наблюдается способность припоев и металлов к смачиванию, взаимной диффузии и частичному растворению друг в друге.

Паяемость материалов существенно зависит от используемого припоя, к которому предъявляют следующие требования:

  • температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления соединяемых материалов;

  • припой должен обладать хорошей жидкотекучестью, смачивать поверхности соединяемых материалов, растекаться по ним, проникать в узкие зазоры;

  • припой не должен в значительной степени снижать прочность (статическую и вибрационную) и пластичность соединяемых материалов, а также способствовать их хрупкому разрушению;

  • с паяемыми материалами припой не должен образовывать соединений, склонных к коррозии;

  • коэффициенты линейного расширения припоя и соединяемых материалов не должны резко отличаться во избежание образования остаточных напряжений и трещин в паяном соединении.

Помимо общих требований, к припоям в зависимости от их использования предъявляют ряд специфических требований, например, по электропроводности, теплопроводности, коррозионной стойкости в специальных средах, деформации в горячем и холодном состояниях и др.

Для получения качественной пайки применяют вспомогательные составы – флюсы.

Для обеспечения электрических контактов широкое применение находят токопроводящие клеи, пасты, эмали, называемые контактолами.

Контактолы представляют собой синтетические смолы (эпоксидные, кремнийорганические, формальдегидные и др.) с мелкодисперсным токопроводящим наполнителем (порошки серебра, палладия, никеля). На контактируемые поверхности их наносят с помощью шприца, кисти, пульверизатора. Сушка при невысоких температурах, образуется твердое покрытие с хорошей проводимостью и высоким сцеплением с соединяемыми проводниками.

Припои

В зависимости от температуры полного расплавления Тпл (температуры ликвидуса) припои подразделяют на особолегкоплавкие (Тпл ≤ 145 ºС), легкоплавкие (145 ºС < Тпл ≤ 450 ºС), среднеплавкие (450 ºС < Тпл ≤ 1100 ºС), высокоплавкие (1100 ºС  < Тпл ≤ 1850 ºС) и тугоплавкие (Тпл > 1850 ºС).

Особолегкоплавкие и легкоплавкие припои относят к припоям для низкотемпературной (мягкой) пайки (Тпл ≤ 450 ºС), а среднеплавкие, высокоплавкие и тугоплавкие — к припоям для высокотемпературной (твердой) пайки (Тпл > 450 ºС) (ГОСТ 19248–90).

Припои для низкотемпературной пайки (мягкие припои) изготовляют на основе олова, свинца, висмута, цинка, кадмия и индия.

Припои для высокотемпературной пайки (твердые припои) содержат медь, цинк, серебро, никель, кобальт, железо, алюминий и др.

В качестве твердых припоев иногда применяют стандартные сплавы меди с фосфором (ГОСТ 4515 – 81). В некоторых случаях они заменяют дорогостоящие серебряные припои.

Фосфорные припои относятся к группе самофлюсующихся припоев, так как пайка ими меди производится без применения флюса. При нагревании припоя фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который и является флюсом. Однако, при пайке этими припоями латунных деталей с медными применение флюса обязательно. Недостатком фосфорных припоев является хрупкость паяного шва.

Пайка алюминия и его сплавов производится специально разработанными для этой цели припоями и флюсами. Главным препятствием при пайке алюминия является пленка оксида, которая почти мгновенно образуется при ее удалении механическим способом. Она очень стойкая, ее не удается растворить или восстановить обычными флюсами, применяемыми при пайке меди или стали. При пайке алюминия низкотемпературными припоями его поверхность предварительно покрывают никелем.

В радиоэлектронной промышленности применяют припои, состав и назначение которых определяется требованием отраслевого стандарта. К таким припоям относятся большая группа серебряных, золотых, а также небольшое число медно-никелевых, медно-германиевых и других припоев.

Вышеуказанный ГОСТ 19248–90, который соответствует международному стандарту ISO 3677, устанавливает новое обозначение припоев.

Условное обозначение состоит из трех частей.

Первая часть содержит букву В (Brasing), означающую припой.

Вторая часть содержит группу символов — химических элементов припоя. Первым в группе символов указывают основной элемент припоя, определяющий его основные свойства. Затем указывают численное значение его массовой доли в процентах. Остальные химические символы указывают в порядке убывания массовой доли элементов. В случае, если в припое два или более элементов имеют одну и ту же массовую долю, их указывают в порядке понижения атомного номера.

Элементы припоя, массовая доля которых составляет меньше 2 %, не указывают, кроме элементов, оказывающих существенное влияние на свойства припоя, драгоценных и редких металлов, если они не являются примесями.

В обозначении указывают не более шести химических элементов.

Третья часть содержит значение температуры начала и конца плавления. Для эвтектических сплавов указывают только температуру плавления.

Примеры условных обозначений:

1. Эвтектический припой, содержащий 72 % серебра (основной элемент) и 28 % меди, с температурой плавления 780 ºС: B Ag72 Cu 780.

2. Припой, содержащий 63 % никеля (основной элемент), 16 % вольфрама, 10 % хрома, 3,8 % железа, 3,2 % кремния, 2,5 % бора, 0,5 % углерода, 0,6 % фосфора, 0,1 % марганца и 0,2 % кобальта с температурой начала плавления 970 ºС и конца плавления 1105 ºС: B Ni63 W Cr Fe Si B 970 – 1105.

3. Припой, содержащий 25 % олова (основной элемент), 73 % свинца и 2 % сурьмы с температурой начала плавления 185 0С и конца плавления 260 ºС: B Sn25 Pb 185 – 260.

В настоящее время переход на новое обозначение припоев не завершен как в нашей стране, так и за рубежом, и пока используют обозначение припоев по ранее разработанным стандартам на отдельные группы припоев (ПОС 90, ПОССу 61-0,5, ПОСу 95-5, ПСр 72, ПСр МО 68-27-5, ПСр 50 Кд, ПМЦ 36, ПМЦ 54 и др.) или по марке, установленной заводом-изготовителем (ВПр 1, ВПр 9, ВПр 31 и др.).

По существующим стандартам обозначение припоя начинается с буквы П (припой), затем указывают химический символ основного элемента припоя. Дальнейшее обозначение припоя отличается для различных групп припоев.

Для оловянно-свинцовых припоев проставляют все символы элементов, а массовые доли этих элементов в процентах указывают только для олова и сурьмы. Символы элементов обозначают буквами русского алфавита (ГОСТ 21930–76). Например:

1. ПОС 90 – припой – (П) оловянно (О) – свинцовый (С) со средним содержанием олова 90 %.

2. ПОССу 10–2 – припой (П) оловянно (О) – свинцовый (С) сурмянистый (Су) со средним содержанием олова 10 % и сурьмы 2 %.

Для медно-цинковых припоев (ГОСТ 23137–78) после символов элементов указывают содержание только основного элемента.

Например, ПМЦ 36 – припой (П) медно (М) – цинковый (Ц) со средним содержанием меди 36 %.

Для серебряных припоев существуют различные варианты обозначений (ГОСТ 19738–74).

Первый вариант. После буквы П указывают только основной элемент и его процентное содержание (ПСр 72, ПСр 40, ПСр 1). Например:

1 ПСр 72 – припой (П) серебряный (Ср) со средним содержанием серебра 72 %. Второй элемент медь (28 %) не указывают.

2 ПСр 1 – припой (П) серебряный (Ср) со средним содержанием серебра 1 %. Другие элементы – олово (35 %), кадмий (2,5 %), сурьма (0,9 %), свинец (остальное) не указывают. По данному условному обозначению серебряных припоев трудно судить об их составе.

Второй вариант. После буквы П указывают элементы, входящие в состав припоя, а затем их процентное содержание. ПСрМЦКд 45-15-16-24, например – припой серебряный со средним содержанием серебра (Ср) 45 %, меди (М) 15 %, цинка (Ц) 16 % и кадмия (Кд) 24 %. Этот вариант обозначения припоев самый информативный.

Следует отметить, что кадмий в серебряных припоях обозначают двумя буквами «Кд», а для оловянно-свинцовых припоев по ГОСТ21930–76 – одной буквой «К», например, ПОСК 50-18, содержащий 50 % олова (О) и 18 % кадмия (К).

Третий вариант. После буквы П указывают основной элемент, его процентное содержание, а затем – только буквенный символ еще одного элемента, оказывающего существенное влияние на свойства припоя.

Например, ПСр50Кд – припой серебряный с содержанием 50 % серебра (Ср), имеющий в своем составе кадмий (Кд). Кадмий в серебряных припоях сильно снижает их температуру плавления, одновременно увеличивая жидкотекучесть. Для данного припоя символы меди и цинка, их процентное содержание, как и кадмия, не указывают в обозначении припоя. Обозначение припоев по ранее разработанным стандартам не предусматривает указания температур начала и конца плавления. Припои поставляются на монтаж в виде проволоки, ленты, прутков трехгранных и круглых, полос четырехгранных, трубок, заполненных флюсом.

Основным типом мягких припоев являются оловяно-свинцовые (ПОС), содержащие олово от 10% до 90%. Все они содержат эвтектику Sn-Pb с Тпл = 183ºС. По содержанию сурьмы они подразделяются на бессурьмянистые, малосурьмянистые (0,2- 0,5 % Sb ) ПОССу 30-0,5 и сурьмянистые (1- 5 % Sb) ПОССу 40-2. Введение Sb сопровождается повышением прочности припоя и уменьшением его ползучести под нагрузкой. Добавка кадмия к припоям марки ПОС повышает их проводимость и механическую прочность (ПОСК).

Для пайки полупроводниковых приборов, тонкопленочных выводов микросхем, интегральных схем (чувствительных к перегреву) в состав припоев вводят висмут, индий, кадмий для понижения температуры плавления (ПСр -3Ин).

Твердые припои применяют для пайки узлов электровакуумных устройств. Их Тпл должна быть примерно на 100ºС выше температуры прогрева прибора при вакуумной откачке; материал припоя при нагреве не должен испаряться и загрязнять внутренние части устройства, должен обеспечивать прочную пайку в атмосфере инертного газа или в вакууме без участия флюса.

Припои для приборов с Тпр = 450ºС представляют собой сплавы систем Ag-Cu-Sn и Ag-Cu-In. Часто используют в порошке, т.к. хрупкие.

Для приборов с Тпр = 700º С припои представляют собой сплавы на основе меди, золота, палладия и никеля.

Флюсы

Основное назначение флюсов – удаление окислов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвращение их образования.

Свойства флюсов должны отвечать следующим требованиям:

  • вступать во взаимодействие с окислами, прежде чем расплавится припой; для каждого флюса существует температура его активного действия, которая несколько превышает температуру плавления флюса, но она должна быть ниже температуры плавления припоя;

  • смачивать паяемый материал;

  • не вызывать коррозионного влияния на соединяемые детали и припой;

  • оказывать адсорбирующее действие на металл, снижая поверхностное натяжение жидкого припоя и улучшая его растекаемость по паяемой поверхности;

  • не изменять своего химического состава при нагревании вследствие испарения и сублимации отдельных компонентов (не снижать активность в предусмотренном интервале температур пайки);

  • по возможности не содержать дорогостоящих компонентов;

  • быть устойчивым в условиях хранения, транспортирования и применения.

В зависимости от температурного интервала активности паяльные флюсы подразделяются на: низкотемпературные (450 °С); высокотемпературные (> 450 °С). Для пайки мягкими и твердыми припоями.

По природе растворителя паяльные флюсы подразделяются на: водные; неводные.

По природе активаторов определяющего действия низкотемпературные паяльные флюсы подразделяются на: бескислотные (канифоль и флюсы на основе канифоли с добавлением неактивных компонентов – спирт, глицерин); активированные , изготовленные на основе канифоли с добавкой активаторов ( салициловой кислоты,солянокислого диэтиламина и т.д.). Обязательна промывка растворителем мест паек.

По природе активаторов определяющего действия высокотемпературные паяльные флюсы подразделяются на: галогенидные; фторборатные; боридно-углекислые.

В наименовании флюса, содержащего несколько активаторов, необходимо называть все активаторы. Например, канифольно-галогенидный, фторборатно-галогенидный флюс.

По механизму действия паяльные флюсы подразделяются на: защитные; химического действия; электрохимического действия; реактивные.

По агрегатному состоянию паяльные флюсы подразделяются на: твердые; жидкие; пастообразные.

Флюсы могут быть веществами твердыми (соли, оксиды, кислоты), растворами (солей, кислот) и пастами.

Большинство флюсов промышленностью не изготовляются, поэтому их изготовляют на местах.

В марках флюсов буквы означают: Ф – флюс, К – канифоль, Сп – спирт, П –полиэфирная смола, Эт – этилацетат, Д – диэтиламин, Т – триэтиламин, М –муравьиная кислота, У – уксусная кислота, Фс – фосфорная кислота, Гл –глицерин, СК – семикарбазитсоляно-кислый, ЦХ – цинк хлористый, Х – хлористые

Контактолы

По сравнению с мягкими припоями обладают преимуществами: высокая прочность и эластичность, хорошие антикоррозионные свойства, низкая плотность, удельное сопротивление выше в 5-100 раз.

Марку выбирают исходя из значения переходного сопротивления в контактном узле и требований к механическим и физико-химическим свойствам контакта. В зависимости от типа металлического наполнителя различают:

Серебросодержащие контактолы – пасты (К-8,К-13, К-17) обладают высокой удельной проводимостью (ρ =1 – 6 мкОм*м), хорошей адгезией к различным материалам (σотр =4 – 18 МПа). Высокая стабильность свойств при климатических и механических воздействиях. Применяют для монтажа элементов схем различного назначения.

Контактолы – пасты, содержащие палладий (КП-1, КП-2 и др.), обеспечивают высокую стабильность контактных соединений (ρ = 10 – 20 мкОм*м) практически со всеми металлами, применяемыми для изготовления контактов, а также с рядом полупроводниковых материалов (σотр = 15 – 30 МПа).

Контактолы – клеи (ТПК-1,ЭНКС-2 и др.) используют для соединения металлизированных поверхностей, поверхностей, покрытых тонкими металлическими и лакосажевыми пленками, пленками композиционных материалов; применяют также для создания электрического и теплового контакта с полупроводниковыми материалами.

Тема 3.8 Резисторы

Общие сведения о резисторах. Классификация резисторов

Резистором называется элемент электронной техники, облада­ющий свойствами активного электрического сопротивления. Ре­зистор является пассивным структурным элементом электриче­ской цепи, его основная функция заключается в необратимом пре­образовании электромагнитной энергии, регулировании и рас­пределении токов и напряжений между узлами и элементами элек­трической цепи. Часть конструкции резистора, в которой реали­зуется свойство активного сопротивления, называется резистивным элементом. Резисторы являются самыми распространенными элементами электронной техники, они составляют от 20 до 50 % общего числа элементов принципиальных схем, а объем мирово­го производства резисторов превышает 20 млрд. шт. в год.

Линейные резисторы классифицируют по назначению, свой­ствам, конструкции и материалу резистивного элемента.

Резисторы общего назначения используются в ка­честве элементов электрической цепи, в которых происходит вы­деление мощности. По конструктивному исполнению резисторы можно подразделить на проволочные и непроволочные. К последним относятся резисторы поверхностного типа, в которых резистивный элемент изготовляют в виде проводящей пленки на диэлект­рическом основании, и объемные, у которых резистивный элемент представляет собой объемное тело, как правило, с прямоуголь­ным сечением.

В качестве материала резистивного элемента в непроволочных резисторах используются пленки из пиролитического углерода (уг­леродистые резисторы), пленки из металла (сплава), оксида металла или смеси металлической и диэлектрической фаз (металлопленочные, металлооксидные и металлодиэлектрические резисторы), а также пленки и объемные тела, представляющие собой гетеро­генную систему из нескольких компонентов, один из которых является проводящим (композиционные резисторы).

Постоянные резисторы имеют фиксированное, заданное при изготовлении сопротивление. В постоянных резисторах поверхностного типа (рис. 3.8, а) резистивная пленка нанесена на боковую поверхность цилиндрического основания из керамики или стекла, к которому на торцах присоединены контактные узлы из сплава с малым температурным коэффициентом линейного расширения, а к ним припаяны выводы (наружное изолирующее покрытие на рис. 3.8, а не показано). В непроволочных постоянных резистора объемного типа (рис. 3.8, г) проводящая композиция находится внутри стеклокерамической трубки с прямоугольным сечением, а вкладные выводы расположены в торцах трубки. В проволочных резисторах изолированный провод, изготовленный из сплавов высокого сопротивления, намотан на поверхность цилиндрического изоляционного основания.

В процессе настройки, регулировки и эксплуатации аппаратуры возникает необходимость механически изменять сопротивление в отдельных цепях. Для этих целей используются переменные подстроенные (регулируемые при настройке) и переменные регулировочные (соединенные с органами управления) резисторы. Пере­менный резистор в общем случае имеет три вывода: два из них закреплены на концах резистивного элемента (неподвижные кон­такты), а третий соединен с подвижным контактом, перемеща­ющимся по резистивному элементу. Переменное сопротивление Rφ, соответствующее перемещению подвижной части от 0 до φ, измеряют между подвижным контактом и одним из неподвижных контактов. Если резистивный элемент выполнен в виде подковы, по которой перемещается подвижный контакт (рис. 3.9, а), то в этом случае под φ следует понимать угол поворота оси, связанной с подвижным контактом. Если же рабочий элемент имеет форму прямоугольника (рис. 3.9, б), то φ характеризует линейное пере­мещение движка. Переменный резистор может использоваться в схемах как потенциометр или как регулируемое сопротивление (реостат). В первом случае происходит изменение напряжения в цепи (рис. 3.9, в), а во втором - изменяется ток (рис. 3.9, г).




а)


б)

в)


г)

а – поверхностного типа; б – со спиральной нарезкой; в – шайбовый высокочастотный; г – объемного типа; 1 – резистивная пленка; 2 – диэлектрическое основание; 3 – контактный узел; 4 – вывод; 5 – проводящая композиция; 6 – стеклокерамическая трубка; 7 – контактные пло­щадки. Геометрические размеры пленок показаны не в масштабе

Рисунок 3.8 – Конструкции постоянных непроволочных резисторов.

Особенности резисторов специального назначе­ния понятны по их названиям. Измерительные и прецизионные резисторы отличаются высокой точностью величины сопротивления и повышенной стабильностью. Высокочастотные ре­зисторы, предназначенные для работы на частотах выше 10 МГц, должны иметь полное сопротивление, близкое к активному. На высоковольтные резисторы (они заведомо имеют большие габа­ритные размеры) могут быть поданы напряжения до нескольких десятков киловольт. Высокомегаомные резисторы имеют сопротив­ления от 10 МОм до 10 ТОм (их используют для измерения малых токов). Два последних типа резисторов изготовляют на основе ком­позиционных пленок. В резисторах большой мощности, способ­ных рассеивать свыше 10 Вт, используют нихромовую проволоку или объемные проводящие композиции (см. рис. 3.8, г). Безвывод­ные, или чип-резисторы, изготовляют нанесением тонкой резистивной пленки на стеклянную нить (диаметром 0,3 мм) или на ситалловую подложку; такие резисторы используются в микро­электронных устройствах.

Наборы резисторов представляют собой совокупность до нескольких десятков элементов, находящихся в одном корпусе и соединенных, как правило, по определенной электрической схеме.


б


в г

а – с круговым перемещением подвижного контакта; 6 – с линейным переме­щением подвижного контакта; в – схемное обозначение регулировочного рези­стора, используемого как потенциометр; г – схемное обозначение подстроечного резистора, используемого как регулируемое сопротивление; 1 – резистивный элемент; 2 – неподвижные контакты; 3 – подвижный контакт; 4 – траектория перемещения подвижного контакта; 5 – ось вращения подвижного контакта.

Рисунок 3.9 – Переменные резисторы поверхностного типа.

Резисторы общего назначения имеют диапазон номи­нальных сопротивлений от 1 Ом до 10 МОм, допускаемые отклонения от номинального сопротивления ±1, ±2, ±5, ±10, ±20, ±30%, номинальные мощности рассея­ния от 0,062 до 100 Вт.

Переменные регулировочные резисторы допускают из­менение сопротивления в процессе их функционирования в аппаратуре. Сопротивление переменных подстроечных резисторов изменяется, как правило, при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Переменные резисторы вы­полняются одноэлементными и многоэлементными (сдвоен­ные, строенные, счетверенные и спятеренные), с круго­вым и прямолинейным перемещением подвижного контакта, однооборотными и многооборотными, с выключателем и без выключателя, с упором и без упора, с фиксацией и без фиксации положения подвижной системы, с дополни­тельными и без дополнительных отводов.

В зависимости от материала резистивного элемента резисторы подразделяются на проволочные (резистивный элемент из волоченой или литой проволоки с высоким удельным сопротивлением), металлофольговые (резистив­ный элемент из фольги) и непроволочные. Непроволоч­ные резисторы подразделяются на тонкопленочные (металлодиэлектрические, металлоокисные и металлизирован­ные с резистивным элементом в виде композиционного слоя; углеродистые и бороуглеродистые), толстопленочные (лакосажевые, лакопленочные, керметные и на основе про­водящих пластмасс) и объемные. Объемные резисторы обладают большим уровнем шумов, но хорошо выдержива­ют импульсные перегрузки.

Металлоокисные резисторы имеют меньшие значения температурного коэффициента сопротивления, чем углеро­дистые.

Металлопленочные резисторы могут рассеивать отно­сительно большую мощность при небольших размерах, малый уровень шумов и положительный температурный коэффициент.

Проволочные резисторы изготовляются с обычной или безындуктивной намоткой и применяются в тех случаях, когда требуется высокая стабильность и большая рассеи­ваемая мощность. Из-за конструктивных особенностей они не выпускаются на большие сопротивления. При работе с большими токами проволочные резисторы могут сильно нагреваться, поэтому их необходимо располагать на плате так, чтобы можно было обеспечивать вентиляцию и устра­нять влияние высокой температуры на соседние элементы.

В зависимости от способа монтажа постоянные и пере­менные резисторы могут выполняться для печатного и на­весного монтажа (с жесткими или мягкими, аксиальными или радиальными выводами, в виде лепестков), для микро­модулей и микросхем.

В зависимости от способа защиты от внешних воздейст­вий резисторы конструктивно выполняются изолированны­ми, неизолированными (не допускают касания своим корпу­сом шасси), герметизированными (в керамических, метал­лических и пластмассовых корпусах) и вакуумными (в стек­лянных колбах).

В зависимости от вида вольтамперной характеристики резисторы подразделяются на линейные и нелинейные (варисторы, магнито- и терморезисторы).

Варисторами называются полупроводниковые резисторы с нелинейной ВАХ, основное свойство которых заключается в способности значительно изменять свое сопротивление при изменении подаваемого на него напряжения.

Магниторезисторами называются полупроводниковые резисторы,сопротивление которых изменяется под воздействием внешнего магнитного поля.

Терморезистор – это резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от температуры. Все полупроводниковые терморезисторы можно подразделить на термисторы – полупроводниковые терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, и позисторы – полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Условные обозначения резисторов

В соответствии с ОСТ 11.074.009-78 условное обозначение резисторов состоит из следующих элементов:

Первый элемент – буква или сочетание букв, обозначающих подкласс резисторов (Р - резисторы постоянные; РП – резисторы переменные; HP – наборы резисторов ; ВР – варистор постоянный; ВРП – варистор переменный; ТР – терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС); ТРП – терморезистор с положительным ТКС );

Второй элемент – цифра, определяющая группу резисторов по материалу резистивного элемента . Например, цифра 1 обозначает углеродистый и бороуглеродистый, цифра 2 - металлодиэлектрический и металлооксидный, 3 – композиционный пленочный, 4 – композиционный объем­ный, 5 - проволочный.

Третий элемент – цифра , обозначающая регистрационный номер разработки конкретного типа резистора. Между вторым и третьим элементом ставится дефис: Р1 – 4 , РП1 – 46 . Буквенно-цифровая маркировка на резисторах содержит: вид, номинальную мощность рассеяния, номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения, допускаемое отклонение сопротивления в процентах и дату изготовления.

Пример записи условного обозначения при заказе и в конструкторской документации:

Обозначения номиналов резисторов

Первый элемент - цифры, указывающие величину сопротивления в Омах.
Второй элемент - буква русского или латинского алфавита, которая обозначает множитель, составляющий сопротивление и определяет положение запятой десятичного знака (R(E) = 1; К(К) = 103; М(М) = 106; G(Г) = 109; Т(Т) = 1012), если номинальное сопротивление выражено целым числом с дробью, то единицу измерения ставят на месте запятой.
Третий элемент - буква, обозначающая величину допуска в процентах: (Е = ± О.О2; L = ± 0.002; R= ± 0.005: Р = ± 0.01; U= ± 0.02; В(Ж) = ± 0.1; С(У) = ± 0.25; D(Д) = ± 0.5; F(P) = ± 1; G(Л) = ± 2; J(M) = ± 5; К(С) = ± 10; М(В) = ± 20; Н(Ф) = ± 30. Величина допуска может быть нанесена под номиналом сопротивления во второй строке.

Рисунок 3.10 – Примеры маркировки резисторов.

Цветовая маркировка резисторов

На постоянных резисторах в соответствии с ГОСТ 175-72 и требованиями Публикации 62 МЭК (Международной электротехнической комиссии) маркировка наносится в виде цветных колец. Каждому цвету соответствует определенное цветовое значение:
Маркировочные знаки на резисторах сдвинуты к одному из выводов и располагаются слева направо. Если размеры резистора не позволяют разместить маркировку ближе к одному из выводов, ширина полосы первого знака делается примерно в два раза больше других.
Резисторы с малой величиной допуска (0.1%... 10%) маркируются пятью цветовыми кольцами. Первые три - численная величина сопротивления в Омах, четвертое - множитель, пятое кольцо - допуск. Резисторы с величиной допуска ±20% маркируются четырьмя цветовыми кольцами. Первые три - численная величина сопротивления в Омах, четвертое кольцо – множитель .
Незначащий ноль в третьем разряде и величина допуска не маркируются. Поэтому такие резисторы маркируются тремя цветовыми кольцами. Первые два – численная величина сопротивления в Омах, третье кольцо – множитель . Мощность резистора определяется ориентировочно по его размерам.

Цвета знаков маркировки и значения номинального сопротивления и допускаемого отклонения сопротивления от номинального значения должны соответствовать указанным в таблице 3.1.

Таблица 3.1

цвет знака

номинальное сопротивление, Ом

допуск, %

первая цифра

вторая цифра

третья цифра

множитель

серебристый

-

-

-

10-2

±10

золотистый

-

-

-

10-1

±5

чёрный

-

0

-

1

-

коричневый

1

1

1

10

±1

красный

2

2

2

102

±2

оранжевый

3

3

3

103

-

жёлтый

4

4

4

104

-

зелёный

5

5

5

105

±0,5

голубой

6

6

6

106

±0,25

фиолетовый

7

7

7

107

±0,1

серый

8

8

8

108

±0,05

белый

9

9

9

109

-

Пример:

Основные параметры и характеристики резисторов

Основными параметрами, которые учитываются при выборе резисторов для конкретных применений, являются: номинальное сопротивление, номинальная мощность, тем­пературная стабильность, допуски, форма и габаритные размеры корпуса. В некоторых специальных случаях важ­ное значение могут иметь шумы, максимальное рабочее напряжение и диапазон рабочих частот.

Номинальное сопротивление — электрическое сопротив­ление, которое обозначено на корпусе резистора и является исходным для отсчета его отклонений. Установлены следующие диапазоны номиналь­ных сопротивлений: для постоянных — от долей ома до единиц тераом; для переменных проволочных — от 0,47 Ом да 1 МОм; для переменных непроволочных — от 1 Ом до 10 МОм. Иногда допускается отклонение от указанных пределов.

Разница между номинальным и действительным (из-за погрешностей изготовления) сопротивления, отнесенная к номинальному значению, характеризует допускаемое отклонение (допуск) от номинального сопротивления в процентах. Допуски стандартизованы и согласно ГОСТ 9667—74 имеют следующие значения: ± 0,001;± 0,002; ± 0,005; ± 0,01; ± 0,02; ± 0,05; ± 0,1; ± 0,25; ± 0,5; ± 1; ± 2; ± 5; ±10; ±2 0; ± 30. Допуски указывают
максимальное и минимальное сопротивления данного номинала.

Номинальная мощность определяет наибольшую мощ­ность, которую может рассеивать резистор в заданных условиях в течение гарантированного срока службы при сохранении параметров в установленных пределах. При эксплуатации значение номинальной мощности ограничи­вается температурой окружающей среды и электрической нагрузкой. Обычно номинальная мощность приводится для конкретной температуры. С повышением температуры окружающей среды теплоотдача ухудшается и может прои­зойти нагрев резистора до предельно допустимой тем­пературы. В ТУ на резисторы приводятся зависимости допустимой мощности электрической нагрузки от темпера­туры окружающей среды, нагрузки, а также предельная положительная температура, при которой резистор должен работать со снижением электрической нагрузки. Таким образом, если температура окружающей среды оказывается выше пре­дельной, то рассеиваемую мощность необходимо умень­шать.

Номинальная мощность определяется расчетным путем с учетом использованных материалов и конструкции резистора. Мощность, рассеиваемая резистором в конкрет­ной электрической цепи, зависит от проходящего через него тока и падения напряжения:

Согласно ГОСТ 24013—80 и ГОСТ 10318—80 значения номинальных мощностей рассеяния в ваттах устанавливаются следующие: 0,01; 0,025; 0,05; 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 160; 250; 500.

Согласно ГОСТ 24013—80 предельные рабочие напря­жения постоянных резисторов устанавливаются следующие: 25; 50; 100; 150; 200; 250; 500; 750 В и 1; 1,5; 2,5; 3; 4; 5; 10; 20; 25; 35; 40; 60 кВ, а согласно ГОСТ 10318—80 предельные рабочие напряжения переменных резисторов: 5; 10; 25; 50; 100; 150; 200; 250; 350; 500; 750 В и 1; 1,5; 3; 8 кВ.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — величина, показывающая относительное изменение сопро­тивления от изменения температуры на один градус Цельсия (или Кельвина). Он характеризует обратимое изменение сопротивления из-за изменения температуры окружающей среды (от положительной до отрицательной) или изменения электрической нагрузки. Чем меньше значе­ние ТКС, тем лучше температурная стабильность резистора в интервале рабочих температур.

Резисторы характеризуются также уровнем собственных шумов (тепловых и токовых), которые тем выше, чем боль­ше рабочие температура и напряжение. Высокий уровень шумов резисторов ограничивает чувствительность электрон­ных схем и создает помехи при воспроизведении полезного сигнала

Рекомендации по применению резисторов

На надежность, долговечность и сохраняемость резисто­ров влияют различные внешние факторы, климатические и механические нагрузки: температура, влажность, атмо­сферное давление, вибрация, одиночные и многократные удары, биологические факторы, акустические шумы и др. Повышенная температура и ее циклическое изменение спо­собствуют старению проводниковых, контактных и изоля­ционных материалов, нарушению герметичности паяных соединений и тем самым вызывают необратимые измене­ния параметров резисторов. Сочетание повышенной темпе­ратуры и электрической нагрузки усиливает указанные процессы.

При низких температурах ухудшаются механические свойства изоляционных материалов, что также может вызвать нарушение герметичности и прочности контактных узлов.

Повышенная влажность вызывает коррозию металличе­ских частей и контактов резисторов и ухудшает электри­ческие свойства изолирующих материалов; увеличивается сопротивление резисторов (особенно чувствительны углеро­дистые, металлодиэлектрические, металлоокисные, высокоомные).

Пониженное атмосферное давление создает благо­приятные условия для электрического пробоя между прово­дящими деталями резисторов и ухудшает теплоотвод, а повышенное давление улучшает теплоотвод.

Из механических нагрузок наиболее опасными для резисторов являются вибрационные, совпадающие с их собственными резонансными частотами. Механические нагрузки, превышающие предельно допустимые значения, могут вызвать обрывы выводов, разрушение паяных соединений и нарушение герметичности корпусов.

При воздействии эксплуатационных факторов происхо­дит необратимое изменение (уменьшение или увеличение) сопротивления резисторов, так называемое старение резисторов. Более устойчивыми к старению являются все проволочные резисторы (изменение сопротивления 1... 3 %), а также непроволочные: тонкослойные металлодиэлектрические и металлоокисные. Менее устойчивыми — композиционные лакосажевые.

При работе на номинальной мощности нагрузки тонкослойные резисторы обычно увеличивают свое сопро­тивление, а при недогрузке — уменьшают. У толстопле­ночных композиционных резисторов вначале (после 300... 500 ч работы) уменьшается сопротивление, а к концу срока службы увеличивается.

При выборе конкретных типов резисторов для работы в РЭА должны учитываться условия эксплуатации (диапа­зон температур окружающей среды, влажность, атмосфер­ное давление, механические нагрузки), требуемые значе­ния параметров (номинальное сопротивление, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной ха­рактеристики переменных резисторов, ТКС), допустимые рабочие режимы (мощность, напряжение, частота), конструкции резисторов, виды концов валов управления переменных резисторов, способ монтажа, габаритные размеры, масса, показатели надеж­ности, долговечности и сохраняемости. Для повышения надежности резисторы должны использоваться в облег­ченных режимах по сравнению с допустимыми (не более 0,7 номинальных).

В зависимости от конструкции резисторы могут кре­питься на монтажные стойки, платы, панели и шасси с помощью крепежных деталей (винтов, шпилек, скоб, хомутиков, держателей) как горизонтально, так и верти­кально, путем приклейки или пайки выводов. При этом не должны повреждаться корпус и защитные покрытия резисторов и ухудшаться условия теплоотвода, для чего они должны располагаться как можно дальше от тепловыделяющих элементов. Иногда необходимо при­менять принудительное охлаждение.

Для избегания резонансных явлений, когда частота вибрации равна частоте собственных колебаний в резисторе и резистор испытывает при этом максимальную меха­ническую нагрузку, необходимо верхнюю границу диапазо­на частот вибрации ограничивать половиной собственной резонансной частоты или применять амортизирующие устройства.

Выпадение росы на поверхность резисторов увели­чивает поверхностную проводимость, снижает их электри­ческую прочность и уменьшает сопротивление за счет шунтирующего действия воды, но это явление обратимо после испарения росы.

При применении РЭА во влажном тропическом кли­мате необходимо применять резисторы всеклиматического исполнения.

Контрольные вопросы

  1. Как можно классифицировать проводниковые материалы?

  2. Какие свойства меди обусловливают ее широкое применение в элек­тронной технике? Что такое водородная болезнь меди?

  3. Почему мягкая медь обладает более высокой электропроводностью,чем твердая (твердотянутая) медь?

  4. Каковы преимущества и недостатки по сравнению с медью алюминия как проводникового материала? Чем обусловлено широкое применение алюминия в полупроводниковых интегральных схемах при создании контактов и токоведущих элементов?

  5. Какие металлы, и при каких условиях могут переходить в состояние сверхпроводимости?

  6. Как влияет магнитное поле на критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости? Чем отличаются сверхпроводники 1-го и 2-го рода?

  7. Какие металлические сплавы высокого сопротивления, и для каких целей применяются в электронной технике?

  8. Какие функции в электронной аппаратуре выполняют прижимные и неразъемные электрические контакты? К каким типам электрических соединений они относятся?

  9. Перечислите возможные причины выхода из строя соединительных элементов на основе прижимных электрических контактов.

  10. Что понимают под износостойкостью разъемного электрического контакта? Какие физические процессы влияют на износостойкость элек­трических соединений?

  11. Какие материалы и почему используют при изготовлении слаботочных низковольтных и сильноточных высоковольтных контактов?

  12. Что понимают под линейными и нелинейными, постоянными и переменными резисторами? По какому параметру отличаются переменные подстроечные и переменные регулировочные резисторы?

  13. Какова связь между удельной мощностью рассеяния и габаритными размерами резистора? В чем отличие между номинальной и допустимой мощностями рассеяния резистора?

  14. Изменяется ли допустимая мощность рассеяния резисторов, используемых в аппаратуре, испытывающей резкие перепады давления и температуры?

  15. Почему высокоомные постоянные резисторы любых типов обладают большим уровнем собственных шумов?

Раздел 4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Тема 4.1 Классификация диэлектриков

В диэлектриках и полупроводниках зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины.  В диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт. 

При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами. То есть отсутствуют свободные носители, и тело с подобным строением энергетических уровней является совершенным изолятором. При увеличении температуры или ионизации валентные электроны могут переходить в зону проводимости. Вероятность таких переходов экспоненциально увеличивается с ростом температуры.

Вещества с удельным сопротивлением Ом*см относят к изоляторам (диэлектрикам).      

Диэлектрики – это вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

По назначению они делятся на: пассивные и активные диэлектрики.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

По агрегатному состоянию все диэлектрики подразделяются на: твердые, жидкие и газообразные. Имеется особая группа – твердеющие материалы (лаки, компаунды).

По химической основе различают диэлектрики: органические, неорганические и элементоорганические (промежуточные между двумя первыми).

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод, а не содержащие углерод – неорганическими.

Органические диэлектрики более гибки и эластичны по сравнению с неорганическими, но они за редким исключением менее нагревостойки.

Тема 4.2 Поляризация диэлектриков

Диэлектрик, помещенный между электродами, к которым подводится электрическое напряжение, поляризуется.

Поляризация – это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля.

В

Рисунок 4.1 – Процесс

поляризации в диэлектрике.

любом веществе, в том числе и диэлектрике, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. В диэлектрике под действием внешнего электрического поля связанные электрические заряды смещаются со своих равновесных состояний: положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля Е (к отрицательному электроду), отрицательные – в обратном направлении.

Так как в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, нескомпенсированные электрические заряды остаются только на поверхности диэлектрика. При этом у внутренней поверхности отрицательного электрода образуются нескомпенсированные положительные заряды, а у положительного – отрицательные. У диэлектриков, содержащих дипольные молекулы, при поляризации наблюдается также ориентация диполей в электрическом поле.

Поляризация приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного (наведенного) электрического момента μ, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул диэлектрика

μ = ql,

где qабсолютное значение заряда, Кл;

lрасстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов, м.

Образование индуцированного электрического момента в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.

Интенсивность поляризации определяется поляризованностью Р, измеряемой в Кл/м2 и равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объму, когда объем стремится к нулю.

,

где μi – дипольный электрический момент молекулы; Sh=V.

Для большинства диэлектриков поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Такие диэлектрики называют линейными. К ним относятся все применяемые в радиоэлектронике электроизоляционные материалы. У сегнетоэлектриков прямой пропорциональности между поляризованностью и напряженностью электрического поля нет. Такие диэлектрики называют нелинейными. Они находят применение, так как позволяют управлять электрическими и оптическими свойствами материалов путем изменения напряженности электрического поля, температуры и т. д.

Поляризованность – векторная величина, направление которой совпадает с направлением электрического момента – от отрицательного заряда к положительному.

Степень поляризованности диэлектрика оценивается относительной диэлектрической проницаемостью ε. Чем выше ее значение, тем сильнее поляризуется диэлектрик и тем сильнее ослабляется внешнее поле.

Диэлектрик, включенный в электрическую цепь, можно рассматривать как конденсатор определенной емкости.

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при таком же напряжении:

ε =

Заряд конденсатора

,

где Qд – заряд, обусловленный поляризацией.

Таким образом,

Диэлектрическая проницаемость является количественной характеристикой электрических свойств диэлектрика, ее значение всегда больше единицы.

Диэлектрические проницаемости различных веществ значительно отличаются одна от другой. У газов она близка к единице, а у жидких и твердых электроизоляционных материалов равна нескольким единицам, реже десяткам единиц и весьма редко более 100.

Основные виды поляризации

В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие виды поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную и др.

Электронная поляризация представляет собой смещение центра заряда «электронного облака» относительно центра положительно заряженного ядра под действием внешнего электрического поля. Она присуща диэлектрикам, у которых «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают.

В отсутствие внешнего электрического поля у таких диэлектриков дипольный момент отсутствует. При наличии поля «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположные стороны на некоторое малое, по сравнению с размером молекулы, расстояние. Каждая молекула при этом приобретает дипольный электрический момент. При снятии внешнего электрического поля дипольный момент обращается в нуль. Подобные электрические диполи называют «упругими». Примерами подобных диэлектриков являются парафин, бензол, азот, водород.

Рисунок 4.2 – Упрощенная схема моделей атомов водорода.

Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру. Время установления электронной поляризации очень мало (около 10-15с), поэтому она практически не зависит от частоты электромагнитного поля. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков.

Ионная поляризация

Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионной структуры с плотной упаковкой ионов.

При внесении кристаллического диэлектрика в электрическое поле ионы в узлах кристаллической решетки смещаются – положительные по направлению электрического поля, отрицательные – против поля. В результате этого диэлектрик в целом приобретает дипольный момент, направленный по направлению внешнего электрического поля. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. Примерами подобных диэлектриков являются хлористый натрий, хлористый калий.

а— в узлах решетки в отсутствие электрического поля, б — смещенные из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля.

Рисунок 4.3 – Идеализированная схема расположения ионов каменной соли.

Таким образом, ионная поляризация возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояние, меньше постоянной кристаллической решетки. С повышением температуры поляризованность возрастает, так как тепловое расширение, удаляя ионы друг от друга, ослабляет действующие между ними силы взаимодействия. Время установления ионной поляризации около 10-13с.

Дипольно-релаксационная поляризация

Характерна для ряда веществ, у которых «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают друг с другом, и даже при отсутствии внешнего электрического поля, имеется «жесткий» дипольный момент в молекуле вещества.

Заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. При снятии поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул, а поляризованность Р спадает по экспоненциальному закону.

Эта поляризация связана с потерей энергии, так как поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления и существенно зависит от температуры. Это вид поляризации свойственен всем поляризованным диэлектрикам. Примерами подобных диэлектриков являются вода, нитробензол.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием внешнего поля на расстояние, превышающее постоянную кристаллической решетки. При этом виде поляризации возникают потери энергии, и поляризация заметно усиливается с повышением температуры. Эта поляризация наблюдается у неорганических кристаллических диэлектриков ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Этот вид поляризации возможен на низких частотах.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация характерна для диэлектриков с доменным строением, когда до приложения внешнего электрического поля в таких материалах уже имеются небольшие поляризованные области – домены, которые ориентируются внешним электрическим полем.

Наблюдаются большие диэлектрические потери и резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности внешнего эл.поля. Диэлектрическая проницаемость при этом может достигать очень высоких значений (до 100 000).

Проявляется только у одного класса диэлектриков – сегнетодиэлектриков (сегнетова соль, титанат бария (BaTiO2), титанат стронция (SrTiO3) и др.).

В зависимости от механизма поляризации все диэлектрики подразделяют на полярные и неполярные.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, которые не содержат диэлектрических диполей. Они обладают в основном только электронной поляризацией. Применяют их как высококачественные электроизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт-4) и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики — это группа материалов, содержащих постоянные электрические диполи, которые способны к переориентации во внешнем электрическом поле. Это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. Они имеют несколько пониженные электрические свойства по сравнению с неполярными и применяются в качестве электроизоляционных материалоя в области низких частот. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля

В кристаллических средах диэлектриков образующие их ионы разного знака расположены в определенном порядке. Следовательно, может существовать поляризация и при отсутствии внешнего электрического поля. Обычно, при нормальных условиях, эта поляризация не проявляется, так как создаваемое электрическое поле компенсируется полем свободных зарядов, натекающих на поверхность кристалла как извне, так и из объема кристалла. Нарушение электрической компенсации может быть вызвано различными внешними воздействиями.

Пироэлектрики – при изменении температуры кристалла возникает поляризация.

Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, - кристаллические диэлектрики, обладающие в некотором диапазоне температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, причем поляризация существенно изменяется по величине и знаку под влиянием внешних воздействий;

Пьезоэлектрики – при механической деформации возникает наведенная поляризация.

Диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после снятия электрического поля, называют электретами.

В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.

Для линейных диэлектриков с малыми потерями энергии зависимость заряда конденсатора от напряжения (переменной полярности) имеет вид прямой;

для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса.

Функции, выполняемые диэлектриками в РЭА.
Диэлектрики имеют чрезвычайно большое значение для радиоэлектронной техники. В простейших случаях своего применения, диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов. Назначение электрической изоляции сводится к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению электрического тока по путям, нежелательным для работы данной электрической схемы. Однако, помимо пассивных, изолирующих функций, некоторые виды диэлектриков выполняют активные функции, порой более сложные, чем полупроводниковые материалы. Дадим некоторый (не полный) перечень функций, выполняемых диэлектриками в РЭА и элементов, в которых они используются.
Пассивные функции
1) Электроизоляция проводников тока;
2) Поляризационно – изолирующая межобкладочная среда конденсаторов;
3) Подзатворная изоляция полевых транзисторов;
4) Связующая среда магнитодиэтектриков;
Активные функции
5) Вариконды, датчики температуры, нелинейные усилительные элементы (на основе сегнетоэлектриков);
6) Пьезоэлектрические генераторы, резонаторы, трансформаторы. Элементы акустоэлектроники (на основе пьезоэлектриков, акустооптических материалов);
7) Источники постоянного электрического поля (на основе электретов);
8) Электролюминофоры, фотолюминофоры, сцинтилляторы;
9) Модуляторы света;
10) Оптические запоминающие устройства;
11) Индикаторы (на основе жидких кристаллов);
12) Рабочие оптические лазерные среды.


Тема 4.3 Электропроводность диэлектриков

Диэлектрические материалы обладают некоторой электропроводностью, которая связана с направленным перемещением заряженных частиц (электронов, ионов). Образуются эти частицы по различным причинам. Электроны образуются при ионизации молекул вещества и соударения заряженных частиц с поверхностью анода. Ионы создаются при ионизации нейтральных молекул под воздействием внешних факторов.

Ток в диэлектриках называется током утечки.

Ток, протекающий через объем материала, называется объемным, а ток, протекающий по поверхности – поверхностным.

При включении диэлектрика в цепь постоянного напряжения происходит резкий скачок тока, а затем уменьшение его до постоянного значения. Это постоянное значение называется током сквозной проводимости iск. Сквозной ток возникает под действием небольшого количества свободных зарядов.

Спадающий во времени ток, обусловленный перераспределением свободных зарядов, называют абсорбционным iаб. Вызван он релаксационными видами поляризации

Ток, сопутствующий электронной и ионной поляризации, называется током смещения iсм.

Таким образом, ток, проходящий через диэлектрик, представляет собой сумму токов: i = iсм, + iаб + iск.


Рисунок 4.5 – Векторная диаграмма токов в диэлектрике

Рисунок 4.4 – Изменение мгновенных значений токов в диэлектрике после подачи постоянного напряжения


Так как абсорбционный ток быстро затухает, электропроводность изолирующих материалов при постоянном напряжении определяется по сквозному току:

γ = Iск /U.

Удельная проводимость диэлектриков γ в нормальных условиях составляет 10-10 – 10-16 См/м.

В случае переменного напряжения все три вида токов имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Полный ток через диэлектрик равен векторной сумме активной и реактивной составляющих тока:

I = Ia + Ip = (I аб + Ick) + (Iаб + Iсм).

При переменном напряжении активная составляющая определяется как сквозным током, так и активной составляющей тока абсорбции, а при постоянном напряжении – только сквозным током.

Электропроводность диэлектриков оценивается величиной удельного электрического сопротивления постоянному току ρ, Ом х м.

Различают удельное объемное электрическое сопротивление ρv и удельное поверхностное электрическое сопротивление ρs.

Удельное объемное электрическое сопротивление ρv определяет свойства изоляции, когда основные утечки тока происходят через объем материала, например в экранированном электрическом проводе.

Удельное поверхностное электрическое сопротивление ρs является важнейшей характеристикой при оценке изоляционных материалов в таких деталях, как линейные изоляторы.

Оба параметра у твердых диэлектриков зависят от температуры, влажности и приложенного напряжения.

Чем больше примесей содержится в диэлектрике, тем меньше его удельное объемное электрическое сопротивление.

Диэлектрические потери

Рассеянная часть поглощенной диэлектриком электрической энергии называется диэлектрическими потерями.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоянном напряжении, так и при переменном.

При постоянном напряжении

Pa = U2/R = UIck = I2ckR,

где Pa – активная мощность, Вт.

При переменном напряжении

Pa = UIa.

Ia/Ip = tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;

δ – угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз φ между током и напряжением.

Ia = Ip tgδ.

Ip = UωC,

где ω – угловая частота, с-1; С – емкость конденсатора, Ф.

Тогда

Ia = UωC tgδ.

Pa = U2ωC tgδ.

Тангенс угла диэлектрических потерь – важный параметр диэлектрика, который определяет активную мощность, которая теряется в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Чем меньше tgδ, тем лучше диэлектрик, так как в нем будут меньше потери энергии и меньше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.

Для большинства диэлектрических материалов, применяемых в качестве электроизоляционных tgδ = 0,0001– 0,01.

Пробой диэлектрика

Пробоем диэлектрика называют явление, приводящее к потере диэлектриком его электроизоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости.

При пробое почти весь ток течет по узкому каналу, происходит так называемое шнурование тока. При этом в газах по месту пробоя образуется канал газоразрядной плазмы.

В жидких диэлектриках происходит вскипание и газовыделение в месте пробоя.

В твердых диэлектриках ток большой силы прожигает и проплавляет в месте пробоя отверстие.

Если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их, то происходит полный пробой.

Если проводящий канал не достигает хотя бы одного электрода, то происходит неполный пробой.

При частичном пробое пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика.

У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности.

Рисунок 4.6 – Вольтамперная характеристика твердого диэлектрика


Минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика, называется пробивным напряжением Uпр.

Uпр = Eпрh,

где h – толщина диэлектрика в месте пробоя.

Пробивное напряжение растет с увеличением толщины диэлектрика.

Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электрическом поле используют

величину напряженности электрического поля Eпр,

кВ/м, при которой происходит пробой.

Eпр = Uпр / h.

Напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою, называется электрической прочностью.

Электрическая прочность Епр является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала.

Тема 4.4 Тепловые и физико-химические свойства диэлектриков

Важнейшими тепловыми свойствами диэлектриков являются: нагревостойкость, холодостойкость и тепловое расширение.

Нагревостойкость – способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Нагревостойкость оценивают соответствующим значением температуры, при которой проявляются изменения электрических и механических характеристик. Например, в зависимости от температуры линейные полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состояниях.

Теплостойкость определяют по Мартенсону. Испытуемые образцы помещают в термостат, к ним прикладывают изгибающее усилие в 5 МПа. Температура, при которой образец прогнется на 6 мм от первоначального положения или сломается, представляет собой теплостойкость по Мартенсону. Она имеет следующие значения для: полиэтилена + (80 - 90)оС; полистирола +(75 - 90)оС; стеклотекстолита +(150 - 220)оС.

Для электроизоляционных материалов установлено семь классов нагревостойкости.

Таблица 4.1 – Классы нагревостойкости.

Класс нагревостойкости

Пред. допустимая раб. температура, ºС

Материалы

Y

90

Орг. диэлектрики: полистирол, полиэтилен, непропитанные волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картон)

A

105

Волокнистые материалы, но пропитанные полиамидными смолами, масляно-смоляными и поливинилацетатными лаками.

E

120

Пластические массы с органическими наполнителем (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнителями из древесной муки и т. д.). Кроме того, эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые смолы и компаунды.

B

130

Материалы с большим содержанием неорганических компонентов. Это диэлектрики на основе слюды, стекловолокна, асбеста с органическим связующим (стеклоткань, стеклотекстолит).

F

155

Материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста, полученные с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости.

H

180

Кремнийорганические лаки и резины, а также композиционные материалы, состоящие из слюды, стеклянных волокон, асбеста, склеенных с помощью кремнийорганических смол и лаков.

C

Выше 180

Диэлектрики неорганического происхождения (слюда, стекло, кварц, асбест, микалекс).

Теплопроводность. Она влияет на степень нагрева проводников, магнитопроводов, на электрическую прочность самой изоляции и на стойкость материала к термоударам. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности γТ, определяемым как количество тепла, прошедшее через единицу площади в единицу времени. Наибольшее значение теплопроводности имеет оксид бериллия (теплоотводящий диэлектрический материал). Наименьшую теплопроводность имеют пористые диэлектрики с газовыми включениями.

Тепловое расширение. Это свойство диэлектрика, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения – ТКl.

Хладостойкость – способность электрической изоляции работать при низких температурах без недопустимого ухудшения эксплуатационных характеристик. При низких температурах электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако ряд механических свойств ухудшается. Например, резина теряет гибкость, пластмассы, лаковые пленки растрескиваются. Для фторопласта - 4 t = -269оС, для лавсана t = - (50 - 60)оС, для картона t = -20оС.

Гигроскопичность. Это способность материала впитывать в себя влагу из окружающей среды. Зависит от строения и химической природы материала. Сильнопористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.

Г = (m2-m1)/m1100%,

где Г – гигроскопичность, %; m1 – масса сухого образца, кг; m2 – масса образца после выдержки его в условиях относительной влажности 96-98%.

Водопоглощаемость — это способность материала поглощать воду. Водопоглощаемость определяется относительным прира­щением массы образца после выдержки его в воде в течение 24 ч:

Влагопроницаемость. Большое практическое значение при оцен­ке защитных покрытий имеет влагопроницаемость — способность материала пропускать сквозь себя пары воды.

Большинство материалов в той или иной степени пропускают воду. Только для стекол, хорошо обожженной керамики и метал­лов влагопроницаемость фактически равна нулю.

Физико-химические свойства

К основным физико-химическим свойствам диэлектриков от­носятся растворимость, химостойкость, кислотное число, свето­стойкость и радиационная стойкость.

Растворимость. Различные материалы при соприкосновении друг с другом в процессе изготовления или эксплуатации изделий мо­гут частично или полностью проникать друг в друга. Такой пере­ход называется растворимостью. Это свойство важно для подбора растворителей лаков или для оценки стойкости электроизоляци­онных материалов к действию различных жидкостей, с которыми они контактируют.

Растворимость материалов значительно повышается с повы­шением температуры и уменьшается с повышением степени по­лимеризации.

Легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие груп­пировки атомов. Полярные вещества легче растворяются в поляр­ных жидкостях. Например, полярные фенолформальдегидные смо­лы растворяются в спирте и других полярных растворителях; не­полярные углеводороды (парафин, каучук) растворяются в жид­ких углеводородах.

Химостойкость. При соприкосновении с химически активными веществами (газами, водой, кислотами, щелочами и солевыми растворами) электроизоляционные материалы могут вступать с ними в химическое взаимодействие и разрушаться. Химостой­кость — это способность электроизоляционных материалов про­тивостоять химически активным веществам.

Для определения химостойкости образцы материалов поме­щают в среду, близкую к эксплуатационной или более суровую по концентрации химически активных элементов, температур­ным условиям, и выдерживают определенное время. После этого определяют изменения массы, внешнего вида и других показа­телей.

Кислотное число. Для масел и смол измеряют кислотное число, характеризующее содержание в материале свободных кислот, ко­торые ухудшают свойства диэлектриков. Кислотное число опреде­ляется количеством миллиграммов едкого кали (КОН), которое требуется для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1г испытуемого материала (например, 0,5 мг КОН/г).

Кислотное число определяет технологические особенности материала и его способность вызывать коррозию соприкасающих­ся с ним тел. В трансформаторном масле большое кислотное число является признаком плохой очистки масла при его изготовлении или признаком старения масла.

Светостойкость. Способность материалов сохранять свои эксп­луатационные характеристики под действием светового облуче­ния называется светостойкостью.

Световые, особенно ультрафиолетовые, лучи могут вызывать фотопроводимость, химические изменения в некоторых органи­ческих материалах, а также стимулировать процессы, которые ухудшают их механическую прочность и эластичность. Под дей­ствием светового облучения также ускоряется старение электро­изоляционных материалов.

Радиационная стойкость. Способность диэлектрика сохранять свои эксплуатационные характеристики при воздействии иони­зирующего излучения называется радиационной стойкостью.

К ионизирующему излучению относятся;-

  • корпускулярное излучение (быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, β- и α-частицы),

  • волновое излучение (γ-лучи, жесткое и мягкое рентгеновское излучение), Воздействие излучения может привести к ряду молекулярных преобразований и химических реакций, которые, в свою очередь, приводят к изменению практически всесвойств материала: элект­рических, механических, физико-химических.

Наиболее подвержены действию облучения органические диэ­лектрики, так как в результате длительного или интенсивного облучения может произойти разрушение любого полимера. Неор­ганические диэлектрики, такие как кварц, слюда, оксиды берил­лия и циркония, менее подвержены влиянию облучения.

Радиационное излучение может не только вызывать ухудше­ние свойств диэлектриков, но и придавать им новые свойства (радиационная сшивка полимеров, легирование полупроводни­ков и т.д.).

Тема 4.5 Электрические свойства твердых диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость

В неполярных диэлектриках наблюдается только электронная поляризация, поэтому они имеют наименьшее значение диэлектрической проницаемости ε. Так у политетрафторэтилена ε = 1,9 – 2,1; у парафина ε = 2,1 – 2,2; у полистирола ε = 2,4 – 2,6. Кроме того, у этих диэлектриков нет заметной зависимости ε от частоты внешнего эл. поля.

Для оценки температурной зависимости ε диэлектрических материалов пользуются температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКε, измеряемого в К-1:

αε = 1/εo1 – ε0)/(T1 – T0);

TKε = 1/ε dε/dT,

где αε – среднее значение ТКε в интервале температур Т1 – Т0; ε1 – диэлектрическая проницаемость при температуре Т1; ε0 – диэлектрическая проницаемость при начальной температуре Т0. Эта зависимость позволяет вычислить изменение ε при изменении температуры на один кельвин.

Полярные диэлектрики

В них наблюдается дипольно-релаксационная поляризация. Поэтому диэлектрическая проницаемость ε у них больше, чем у неполярных и в большей степени зависит от частоты и температуры. При повышении частоты ε сначала остается неизменной, но, начиная с некоторой критической частоты, когда поляризация не успевает установиться за полпериода, начинает снижаться, приближаясь при высоких частотах к значениям, характерным для неполярных диэлектриков:

fkp = 1/2πτ0 = кТ/8πηr3,

где τ0 – время релаксации, с; fkpкритическая частота, Гц; к – постоянная Больцмана, равная 1,38 10-23 Дж/К; Т – температура, К; η – динамическая вязкость вещества, Па с; r – радиус молекулы вещества, условно принимаемый за шарообразную, м.

При повышении температуры не только возрастает Т в числителе, но и уменьшается η в знаменателе и соответственно fkp возрастает.

В диэлектриках с ионной структурой с плотной упаковкой ионов диэлектрическая проницаемость изменяется в широких пределах. ТКε у этих материалов положителен.

В диэлектриках с ионной структурой с неплотной упаковкой ε характеризуется невысоким значением, но большим положительным ТКε. Например, электротехнический фарфор имеет ε = 6 - 8; ТКε = (350-500)10-6К-1.

В сегнетоэлектриках ε достигает очень высоких значений.

Электропроводность

Электропроводность в твердых диэлектриках может носить ионный, электронный и смешанный характер. В большинстве случаев электропроводность имеет ионный характер, так как ионы часто оказываются слабо закрепленными в узлах решетки. На электропроводность твердых диэлектриков большое влияние оказывают различные примеси, которые обычно легче диссоциируют с образованием свободных ионов, чем основной диэлектрик.

Сквозной ток Iск , проходящий через твердый диэлектрик, слагается из объемного сквозного тока Iv и поверхностного сквозного тока Is:

Ick = Iv+Is.

Объемная электропроводность при низких температурах обусловлена передвижением слабо закрепленных ионов, в частности ионов примеси. При повышенных температурах проводимость обусловлена переносом ионов основного вещества диэлектрика.

Поверхностная электропроводность диэлектрика зависит от состояния его поверхности, а именно от степени ее увлажнения и загрязнения.

Для снижения поверхностной проводимости электроизоляционных материалов их покрывают влагостойкими несмачиваемыми веществами, например кремнийорганическими лаками, глазурью и т. д.

Электрический пробой однородных диэлектриков по своей природе является чисто электронным процессом, заключающемся в образовании в диэлектрике электронной лавины из небольшого числа электронов под действием сильного электрического поля. Пробой протекает в течение 10-7 – 10-8 с.

Причиной пробоя является разрушение диэлектрика под влиянием тепла, выделяющегося в результате диэлектрических потерь.

Согласно условию теплового равновесия

Uпр=,

где tg δкр – соответствует критической температуре tкр;

С – емкость диэлектрика, Ф;

ω – угловая частота, с-1;

S – площадь поверхности диэлектрика, м2;

Kσ – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К);

tраб – температура поверхности диэлектрика, оС;

tо – температура окружающей среды, оС.

Диэлектрические потери

В твердых неполярных диэлектриках, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы (tgδ = 10-4). К этим материалам относятся неполярные полимеры: полиэтилен, полистирол, парафин и др. Нашли применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

В твердых полярных диэлектриках из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации диэлектрические потери больше (tgδ = 10-2 -10-4). К ним относятся полярные полимеры: поливинилхлориды, полиметилметакрилат, полиамиды (капрон, нейлон), полиуретаны, лавсан, каучуковые материалы, фенолформальдегидные, эпоксидные смолы и лаки на их основе. Они называются низкочастотными диэлектриками, так как применение их в высокочастотных цепях не возможно.

В диэлектриках с ионной структурой с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей диэлектрические потери весьма малы и приближаются по своему значению к потерям в неполярных диэлектриках. К этим диэлектрикам относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в производстве электротехнической керамики.

У диэлектриков с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов высокие диэлектрические потери связаны с релаксационным типом поляризации. К этим материалам относят муллит, входящий в состав изоляторного фарфора, кордиерит – компонент керамики с малым значением ТКl.

В сегнетоэлектриках из-за присущей им спонтанной поляризации диэлектрические потери велики.

Тема 4.6 Синтетические полимеры

К органическим диэлектрикам относятся материалы, в состав которых входит углерод.

В качестве органических диэлектриков в электроизоляционной технике применяют как синтетические полимеры, получаемые методом химического синтеза, так и природные полимеры.

Синтетические полимеры могут быть получены двумя способами: полимеризацией и поликонденсацией.

Полимеризация – это химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получают высокомолекулярное соединение (полимер) без изменения элементарного химического состава вещества.

Поликонденсация – это химическая реакция между разнородными низкомолекулярными соединениями (мономерами), при которой образование высокомолекулярного соединения идет с выделением побочных веществ, например воды, водорода, аммиака и др.

Диэлектрики, получаемые в результате реакции поликонденсации, как правило, обладают несколько пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, полученными полимеризации. Основной причиной является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ, которые, разлагаясь на ионы, увеличивают электропроводность материала.

По характеру строения молекул полимеры делят на линейные и пространственные.

Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, изогнутых и переплетенных друг с другом.

Молекулы пространственных (трехмерных) полимеров развиты в пространстве в различных направлениях более равномерно, так что имеют более компактную форму.

Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны; многие из них при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем расплываются, например капрон, нейлон. Относятся к термопластичным материалам.

Пространственные обладают большей жесткостью; размягчение их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них еще до достижения температуры размягчения химически разрушаются. Относятся к термореактивным материалам. Например, фенолформальдегидные смолы.

Линейные полимеры растворяются в подходящих по составу растворителях.

Пространственные растворяются с большим трудом, а многие вообще не растворимы.

По тепловым свойствам полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные материалы.

Термопластичные материалы (термопласты) при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в густые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов пользуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также при изготовлении деталей методом литья под давлением. Это полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др. Термопластичные материалы составляют 75% всех потребляемых мировой электроникой.

Термореактивные материалы при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают с необратимым изменением свойств, т. е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом способность плавиться и растворяться. Это резольные смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит) кремнийорганические и эпоксидные смолы и др.

Полимеризационные синтетические полимеры

Получают в процессе полимеризации под действием теплоты, давления, ультрафиолетовых лучей, а также под действием инициаторов и катализаторов.

Наибольшее распространение получили блочный, эмульсионный, лаковый и газовый способы полимеризации.

Блочный способ состоит в том, что предварительно очищенный от примесей мономер смешивают с катализатором, заливают в нагретую до определенной температуры форму и выдерживают при этой температуре до полного окончания процесса полимеризации. В результате получают твердые блоки материала, которые идут в дальнейшую переработку.

Таким способом получают полистирол, полиметилметакрилат (оргстекло).

Эмульсионный способ состоит в том, что исходный жидкий мономер с помощью эмульгатора превращают в мельчайшие капельки, взвешенные в другой жидкости, которая не растворяет мономер. В полученную эмульсию вводят инициатор (зачинатель хим.реакции) и массу нагревают до температуры, при которой начинается хим.реакция. В процессе полимеризации эмульсию постоянно перемешивают. В результате получают порошкообразный полимер, который подвергают грануляции.

Таким способом получают поливинилхлорид, нитрон.

Лаковый способ осуществляется непосредственно в мономере, который растворяется в определенном растворителе.

Таким способом получают поливинилацетат.

При газовом способе полимеризация осуществляется в газовой фазе в присутствии катализатора при температуре около 200ºС и высоком давлении. Этот способ применяют, когда мономеры не полимеризуются ни по одному из перечисленных способов.

Таким способом получают полиэтилен высокого давления.

К полимеризационным синтетическим полимерам относятся полимерные углеводороды, фторорганические полимеры, кремнийорганические полимеры.

Полимерные углероды. К ним относятся полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид и др.

Полистирол твердый прозрачный материал. Он является неполярным диэлектриком, с чем и связаны его высокие электроизоляционные свойства. Полистирол – термопластичный диэлектрик, размягчающийся при температуре 110 – 120оС. он является продуктом полимеризации мономерного стирола в присутствии различных инициаторов (перекисей, гидроперекисей).

Недостатки: хрупкость при пониженных температурах, склонность к образованию поверхостностных трещин, малая стойкость к действию растворителей (бензолу, толуолу, четыреххлористому углероду) и невысокая нагревостойкость.

В промышленности полистирол применяется главным образом в качестве высокочастотной изоляции, благодаря малому значению tgδ. Ударопрочный полистирол применяют для изготовления каркасов индуктивных катушек, оснований и изоляторов для электроизмерительных приборов, корпусов радиоприемников, телевизоров и т. д.

Из блочного размягченного полистирола способом вытягивания получают электроизоляционные нити и гибкие полистирольные пленки.

Полиэтилен – неполярный, термопластичный диэлектрик белого или светло-серого цвета, получаемый в результате реакции полимеризации газа этилена.

  1. Существует два промышленных способа получения полиэтилена: Полимеризация этилена при высоком (до 300 МПа) давлении и температуре около 200оС (полиэтилен высокого давления - ПЭВД).

  2. Полимеризация этилена при низком давлении (0,3 – 0,6 МПа) и температуре около 80оС (полиэтилен низкого давления – ПЭНД).

  3. Существует также полиэтилен среднего давления (ПЭСД), изготовляемый при давлении 3 -7 МПа и температуре 160 – 275оС.

Полиэтилен практически не гигроскопичен, гибок. Электроизоляционные свойства такие же, как и у полистирола, и отличаются высокой стабильностью.

Полиэтилен обладает высокой морозостойкостью, высокой влагостойкостью, устойчив к действию крепких кислот, щелочей, и многих растворителей. Газонепроницаем, стоек к истиранию и вибрациям, предельная рабочая температура составляет 100оС.

Недостатками являются тепловое старение, при температурах свыше 80оС он растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, в сильных электрических полях снижается качество изоляции.

Полиэтилен нашел широкое применение при изготовлении деталей радиотехнической аппаратуры, электроизоляционных пленок, его используют в качестве изоляции в различных проводах и кабелях.

Полипропилен – это линейный неполярный полимер, получаемый из газа – пропилена.

Его свойства аналогичны полиэтилену, но он более хладостоек и гибок. Его используют в бумажно-пленочных диэлектриках силовых конденсаторов, обмоточных проводах и т. д.

Поливинилхлорид (ПВХ) – линейный термопластичный полимер, получаемый в результате полимеризации газообразного мономера винилхлорида в присутствии эмульгаторов и инициаторов. Это белый мелкодисперсный порошок.

Не растворяется в воде, бензине, спирте; при нагревании выше 140 оС под действием света разлагается с выделением хлористого водорода, который вредно действует на организм человека и вызывает коррозию аппаратуры.

Горячим прессованием порошкообразного поливинилхлорида получают твердый, химически стойкий материал – винипласт, который применяют для изготовления различных электроизоляционных деталей, стойких к ударным нагрузкам. Изделия из винипласта можно окрашивать, склеивать, сваривать (в струе горячего воздуха) и он легко поддается всем видам механической обработки. Недостаток – низкая хладостойкость и нагревостойкость.

Пленки из винипласта применяют для изоляции водопогруженных электродвигателей, разделения катодных и анодных пластин, в аккумуляторных батареях.

В качестве конструкционного материала винипласт используют для изготовления гальванических ванн, кислотостойкой посуды.

Поливинилхлоридный пластикат применяют для изготовления пленок, изолционных лент, монтажных и телефонных проводов, трубок.

Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – это прозрачный бесцветный материал, получаемый в результате полимеризации эфиров метакриловой кислоты.

Это полярный термопластичный диэлектрик с малой гигроскопичностью и значительной химической стойкостью.

Хорошо поддается механической обработки, легко сваривается в специальных условиях при температуре 140 -150оС и склеивается полярными растворителями.

Применяют для изготовления корпусов приборов, шкал, линз, а также в качестве дугогасящего материала.

Фторорганические полимеры

Существенным недостатком органических синтетических полимеров является пониженная теплостойкость. Для большинства органических полимеров допус­тимые рабочие температуры находятся в диапазоне от -60 до +120 °С. Кроме того, углерод, составляющий основу органических поли­меров, на воздухе, а тем более при нагревании, может окислять­ся, что приводит к разрушению полимера. Для повышения тепло­стойкости в качестве основы для органических полимеров исполь­зуют кроме углерода фтор, кремний, титан и др. Наибольшее рас­пространение из этих материалов получили фторорганические (фторопласты) и кремнийорганические полимеры (полисилоксаны).

Фторопластыкристаллические полимеры фторпроизводных этилена, где атомы водорода замещены фтором. Введение в моле­кулу полимера фтора, который прочно связывается с углеродом, повышает теплостойкость и химическую стойкость получаемого материала. Их получают в автоклавах полимеризацией газообраз­ных низкокипящих мономеров при повышенном давлении.

В радиоэлектронике наиболее часто используют фторопласт-4 (политетрафторэтилен) и фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен).

Фторопласт-4белый или сероватый материал с более высо­кой плотностью, чем у других органических полимеров. Цифра 4 обозначает число атомов фтора в молекуле мономера. Он выпус­кается также под называнием «фторлон-4», а за рубежом — под названием «тефлон»:

Фторопласт-4 — наиболее химически стойкий материал из всех известных полимеров. Его устойчивость к химическому воздей­ствию выше, чем у золота, платины, стекла, фарфора, эмали, т.е. тех материалов, которые применяют для защиты от коррозии в самых сильнодействующих агрессивных средах. Фторопласт-4 об­ладает следующими свойствами: диапазон рабочих температур от -250 до +250 °С; высокие диэлектрические свойства, мало завися­щие от температуры; хорошие вакуумные свойства; не смачивается водой и не набухает в ней; не растворяется ни в одном растворите­ле; не горит; по электроизоляционным свойствам принадлежит к лучшим из известных диэлектриков; абсолютно стоек в тропичес­ких условиях и не подвержен действию грибков; диэлектрическая проницаемость при частоте 50... 1010 Гц = 1...2,2; тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 50... 1010Гц tgδ = (2...2,5) 10-4.

К недостаткам фторопласта-4 относятся низкая радиационная стойкость; сложная технология переработки; высокая стоимость; выделение ядовитого газообразного фтора в результате разложе­ния при температуре выше 400°С; сравнительная мягкость и склон­ность к хладотекучести.

Из фторопласта-4 изготавливают тонкие конденсаторные и электроизоляционные пленки толщиной 5...200 мкм. В зависимо­сти от способа изготовления выпускаются ориентированные и нео­риентированные пленки.

В радиоэлектронике из фторопласта изготавливают химичес­кую посуду для выполнения технологических операций в агрес­сивных средах; оснастку для температурных испытаний, так как он хорошо переносит резкую смену температур в широком диапа­зоне; вакуумные вентили.

Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) — полимер трихлорэтилена. В результате замены в элементарном звене одного атома фтора на атом хлора он превращается в полярный диэлектрик:

Фторопласт-3 обладает следующими свойствами: нижний пре­дел рабочей температуры 195 °С; более высокие механические свой­ства, чем у фторопласта-4; влагостойкость выше, чем у фторопласта-4; нагревостойкость ниже, чем у фторопласта-4 (составляет 125 °С); диэлектрическая проницаемость при частоте 50 Гц ε = 3,0, при частоте 103 Гц — 2,8, при частоте 106 Гц — 2,7...2,5; тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 50 Гц tgδ = 0,015, при частоте 103 Гц — 0,024, при частоте 106 Гц — 0,010. Он обладает высокой химической стойкостью, но более низкой, чем у фто­ропласта-4; хорошей влагостойкостью; высокой дугостойкостью; уступает фторопласту-4 по электрическим свойствам; дешевле фторопласта-4; технология получения фторопласта-3 проще, чем фотропласта-4. Выпускается фторопласт-3 в виде порошка белого цвета или полупрозрачного роговидного поделочного материала.

Применяется он главным образом в виде суспензий для анти­коррозионных покрытий. Спиртовые суспензии фторопласта-3 используют для получения покрытий на металлах, в том числе на меди и керамике. Эти покрытия сохраняют свои свойства при температуре выше 100°С. Изоляция проводов и кабелей из фто­ропласта-3 позволяет эксплуатировать их при температуре 150°С во влажных и агрессивных средах.

Кремнийорганические полимеры (полисилоксаны). Они представ­ляют собой материалы, которые являются промежуточным звеном между органическими и неорганическими материалами. В их со­став помимо характерного для органических полимеров углерода (С) входит кремний (Si). Основу строения их молекул образует силоксанная цепочка чередующихся атомов кремния и кислорода:

Атом кремния связан с кислородом и уже не способен окис­ляться дальше.

Атомы углерода в кремнийорганических материалах находятся только в боковых цепях молекул и поэтому при окислении угле­рода не вызывают разрушения основной цепи молекулы.

Присутствие в полимере кремния приближает его по свойствам к неорганическим материалам, а присутствие углерода — к орга­ническим.

Кремнийорганические полимеры могут быть как термоплас­тичными с линейным строением, так и тсрморсактивными с об­разованием пространственных структур. Энергия силоксановой связи Si—О больше, чем энергия связи между двумя атомами углерода С—С, что и определяет более высокую нагревостой­кость кремнийорганических полимеров по сравнению с большин­ством из рассмотренных. Кроме того, атом кремния связанный с кислородом, не может окисляться дальше, поэтому молекулы об­разовавшегося полимера при нагревании не распадаются и веще­ство обладает повышенной нагревостойкостью.

Кремнийорганические полимеры обладают следующими ха­рактеристиками: высокие электроизоляционные свойства; высокая дугостойкость; высокая теплостойкость (спо­собны длительно выдерживать температуру до 200°С и кратковре­менно — до 500 °С); водостойкость (гидрофобны), практически не смачиваются водой, так как образуют на поверхности тончай­шую пленку, которая не впитывается и не пропускает воду; ус­тойчивость к действию грибковой плесени; морозостойкость; пло­хая адгезия к большинству других материалов; низкая маслостойкость; высокая стоимость.

В зависимости от исходных веществ и технологии изготовления получают кремнийорганические пластмассы, клеи, лаки, компа­унды.

Поликонденсационные синтетические полимеры

Это в основном различные смолы (полиэфирные, кремнийорганические, эпоксидные, фенолформальдегидные, полиамидные, полиуретановые).

Полиэфирные смолы – продукт поликонденсации различных многоатомных спиртов (гликоля, глицерина и др.) и органических кислот (фталевой, малеиновой и др.) или их ангедридов. По физическим свойствам они близки к природным смолам (канифоль, шеллак). К полиэфирным смолам относят полиэтилентерефталат, поликарбонаты, глифталевые смолы и др.

Полиэтилентерефталат (лавсан) – прозрачный высокополимерный диэлектрик кристаллического или аморфного строения. Лавсан кристаллического строения получают в результате реакции поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. Лавсан имеет значительную механическую прочность и высокую температуру размягчения (около 260оС). Применяют для изготовления синтетических волокон, пряжи, тканей, тонких электроизоляционных пленок.

Лавсан аморфного строения получают в результате реакции поликонденсации между терефталевой кислотой, этиленгликолем, глицерином и отвердителем (бутилтитанатом). Его используют для производства электроизоляционных лаков, применяющихся при изготовлении эмалированных проводов. Пленки лавсановых лаков не размягчаются при нагревании, они термореактивные.

Поликарбонаты – полиэфиры угольной кислоты, обладающие хорошими механическими и электрическими свойствами и относительно высокой температурой размягчения (около 140оС). Они имеют хорошую химическую стойкость и высокую гигроскопичность.

Применяют для изготовления слоистых пластиков, компаундов. Пленки из поликарбоната используют в конденсаторном производстве и в качестве изоляции в электрических машинах и аппаратах.

Глифталевые смолы получают в результате реакции поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида при избытке последнего. Эти смолы термореактивные и имеют ярко выраженные дипольно-релаксационные потери. Обладают высокой клеящей способностью при хороших электрических характеристиках, стойкостью к поверхностным разрядам и высокой нагревостойкостью (до 130оС).

Применяют как основу для клеящих пропиточных и покрывных лаков, пленки которых оказываются стойкими к нагретому минеральному маслу. Клеящие глифталевые лаки применяются для склеивания слюды в производстве твердой и гибкой слюдяной изоляции (миканитов, микалент).

Кремнийорганические полимеры представляют собой соединения, основу которых составляет цепь чередующихся атомов кремния и кислорода. Свободные связи кремния заполнены органическими радикалами (метильными, этильными, фенильными и др.) Молекулы кремнийорганических полимеров могут иметь линейную структуру (термопластичные смолы) и пространственную структуру (термореактивные смолы).

Они обладают высокой нагревостойкостью (до +250оС) и хладостойкостью (до -60оС). Имеют очень малую гигроскопичность, химически инертны, являются слабополярными диэлектриками с хорошими электрическим параметрами, которые мало меняются при нагреве.

Промышленность выпускает большое число кремнийорганических смол, применяющихся для изготовления электроизоляционных материалов. Например, смолы К-4, К-9 используют для изготовления стеклотекстолитов, смолы К-40, К-42 используют для изготовления слюдяной изоляции, смолу К-47 применяют для приготовления компаундов, а смолу Ф-9К для получения кремнийорганического лака.

Эпоксидные смолы представляют собой группу синтетических смол, полученных в результате хлорирования глицеринов с двухатомными или многоатомными фенолами в щелочной среде.

Эпоксидные смолы в чистом виде – термопластичные жидкие и низкоплавкие материалы. Они легко растворяются во многих растворителях (ацетоне, толуоле, хлорированных углеводородах), но не растворяются в воде и мало растворимы в спиртах. При добавлении в них отвердителя сравнительно быстро из жидкого состояния переходят в твердое, приобретая пространственное строение. Процесс отвердения представляет собой реакцию полимеризации, без выделения воды и других низкомолекулярных веществ. В качестве отвердителей используют алифатические и ароматические амины, ангидриды кислот. Отверженные эпоксидные смолы являются термореактивными материалами.

Применяют для приготовления компаундов, клеящих и токопроводящих лаков, используемых в электронной технике. На основе эпоксидных смол изготовляют литую изоляцию для высоковольтных приборов и аппаратов. Промышленность выпускает эпоксидные смолы марок ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22, Т-10 и др., а также отвердители Л-18, УП-575, АФ-2 и др.

Фенолформальдегидные смолы. Они делятся на резольные и новолачные.

Резольные смолы (бакелитовые) получают путем поликонденсации фенола или крезола с избытком формальдегидом в присутствии щелочи. Являются термореактивными материалами, и в конечной стадии тверды, хрупки, малогигроскопичны. Являются полярными диэлектриками. Обладают стойкостью к минеральным маслам и к воде, но не стойки к действию искровых разрядов.

Применяют при производстве слоистых пластиков (текстолита, гетинакса и др.) и композиционных пресс-материалов.

Новолачные смолы, как и резольные, получают в результате реакции поликонденсации между фенолом и формальдегидом, но при избытке фенола в присутствии кислых катализаторов. Являются твердыми, хрупкими, прозрачными термопластичными материалами.

Применяют для изготовления быстропрессующихся пластмассовых изделий (корпусов приборов, плат, разъемов, ручек, кнопок и т.д.), в качестве лака. величину

Полиамиды – типичные термопласты. Обладают высокой механической прочностью, эластичностью, малым коэффициентом трения, высокой химической стойкостью. Растворяются лишь в крезоле и расплавленном феноле. Являются полярными диэлектриками.

Недостатки: высокая гигроскопичность, малая радиационная стойкость и низкая светостойкость.

Среди полиамидов наиболее распространены капрон и нейлон. Используют для изготовления синтетических волокон, гибких пленок, пластмасс.

Из полиамидов изготавливают устойчивые к коррозии изолирующие крепежные винты, гайки, шайбы, детали выключателей.

Полиуретаны – линейные термопластичные и отверждающиеся термореактивные полимеры. Из них изготовляют нити, пряжу, ткани. Применяют для изоляции эмалированных проводов, изготовления покрывных лаков, заливочных компаундов. Их применяют также для получения пенопластов, каучуков, клеев, пленок, антикоррозионных покрытий и др.

Эластичный пористый полиуретан (поролон) применяют в качестве тепло- и звукоизоляции, в качестве мягких покрытий. Жесткий полиуретан называют пенопластом и применяют в качестве заполнителя.

Наиболее широкое применение получили пенополиуретаны, обладающие хорошими электрическими свойствами, достаточной механической прочностью, высокой тепло- и звукоизоляцией. Используют для герметизации радиоблоков, и малогабаритных устройств, для защиты последних от вибрации, тепла и механических перегрузок.

Полиимиды относятся к числу наиболее нагревостойких органических полимеров (до 300оС). Они также обладают хорошей холодостойкостью (до -269оС).

Полиимидные пленки применяют в конденсаторах, в нагревостойких кабельных изделиях, а лаки для эмалирования проводов и пропитки катушек.

Тема 4.7 Компаунды, лаки и эмали

Компаундыэто электроизоляционные материалы, состоящие из смеси различных смол, битумов, масел и др. В момент применения имеют жидкое состояние, а затем затвердевают и становятся монолитом. Компаунд можно из твердого состояния превратить в жидкое путем разогрева.

Распространение получили синтетические компаунды (эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.). В состав компаундов входят наполнители и пластификаторы.

Обозначают: Д – компаунд на основе диановых эпоксидных смол; ЭЗК – эпоксидно-заливочные компаунды; ЭПК – эпоксидно-пропиточные; ПЭ – полиэфирные; КП – компаунды пропиточные.

Эпоксидные компаунды – продукты модификации эпоксидных смол отвердителями, пластификаторами и наполнителями. Отличаются хорошей адгезией к металлам, керамике, пластмассам и к волокнистой изоляции. Имеют повышенную механическую прочность и имеют малую усадку (0,5 – 2,5%). В зависимости от отвердителя ЭК могут переходить из жидкого состояния в твердое при высоких температурах (120-140оС) или при комнатной температуре. Свою текучесть они сохраняют в течение 40-120 мин. Очень редко до 4 часов. Это важно в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Применяют в качестве заливочных составов для создания литой изоляции, т. е. герметизации различных типов трансформаторов, работающих в тяжелых условиях, блоков сопротивлений и т. д.

Кремнийорганические компаунды изготовляют на основе кремнийорганических смол. Обладают малой вязкостью, высокими пропитывающей способностью, нагревостойкостью (до 350оС) и холодостойкостью (до -60оС). Компаунды НК-1, КМ-9 широко применяются в электронной промышленности, так как позволяют герметизировать полупроводниковые приборы и интегральные схемы методом трансферного прессования и заливки в формы. Изготовляют корпуса приборов.

Полиэфирные компаунды изготовляют на основе ненасыщенных полиэфиров. Они хуже эпоксидных компаундов, так как дают 6% усадку.

Электроизоляционные лаки и эмали

Лаки – это смолы, битумы, высыхающие масла, разбавленные растворителями (бензолом, толуолом, спиртом, ацетоном и др.). При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя лаковую пленку. Она может быть гибкой или хрупкой в зависимости от пленкообразующих веществ. Для создания высококачественного лака подбирают несколько пленкообразующих веществ и несколько растворителей. В состав лака могут входить пластификаторы (например, касторовое масло), сиккативы – для ускорения высыхания лака, красители, разжижители – для получения требуемой консистенции.

По назначению лаки разделяются на группы: пропиточные, покрывные и клеящие. Некоторые лаки могут выполнять все эти три назначения.

Лаки и эмали маркируют буквенно-цифровыми обозначениями. Буква обозначает химическую природу основного компонента лака, первая цифра указывает назначение лака, а последующие цифры – его порядковый номер в соответствующей группе. Например, ПЭ-993: ПЭ – полиэфирный, 9 - электроизоляционный, 93 – порядковый номер в группе полиэфирных лаков.

Пропиточные лаки применяют для пропитки пористой и волокнистой изоляции (бумаги, ткани и др.). Пропитку осуществляют с целью повышения влагостойкости и нагревостойкости изоляции, улучшения ее теплопроводности, увеличения механической и электрической прочности. К пропиточным лакам относятся кремнийорганические лаки КО-921 (для пропитки стеклянной обмотки проводов и кабелей) и КО-810, используемый при изготовлении стеклотекстолита; битумно-масляные лаки БТ-980, БТ987, применяемые при изготовлении лакотканей; масляно-алкидный ГФ-95 и др. требования к пропиточным лакам: необходимые изоляционные свойства; хорошие пропитывающие и цементирующие свойства; быстрое отвердение и нормальное функционирование в диапазоне рабочих температур.

Покрывные лаки служат для образования поверхности лакируемых изделий механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки. Например, для создания защитного покрытия на печатных платах, а также для покрытия металлов и различных изоляционных деталей из гетинакса, стеклотекстолита и т. д. К покрывным лакам относятся кремнийорганические лаки КО-938В, КО-961П, применяемые для защиты p-n-переходов полупроводниковых приборов; КО-830, используемый для теплостойких прозрачных покрытий и покрытий полупроводниковой техники; КО-928, применяемый для изготовления нагревостойких обмоточных проводов со стеклянной изоляцией, лак ВЛ-941 – на поливинилацетатной основе, используемый для изготовления эмалированных проводов типа ПЭМ и МЭМП. К покрывным лакам предъявляются следующие требования: высокие электроизоляционные свойства; высокая теплостойкость; радиационная стойкость; хорошая адгезия к покрываемым поверхностям; высокие гидрофобность и плотность и др.

Клеящие лаки применяют для склеивания между собой твердых материалов (фольгированных диэлектриков, листов пакетов трансформаторов и т.д.). Требования: высокая клеящая способность; хорошие электрические и механические свойства; высокая адгезия к склеиваемым материалам и технологичность. К клеящим относятся полиуретановые лаки, отличаются высокой влагостойкостью. Применяют для склеивания пластмасс, стекол, керамики, тканей, резин, металлов. применяют до температуры 150 оС. Применяют также эпоксидные клеи, клеи на основе фенолформальдегидной смолы, карбонильные клеи.

По режиму сушки электроизоляционные лаки подразделяются на:

  • лаки холодной сушки. Хорошо высыхают при комнатной температуре;

  • лаки горячей сушки. Приобретают требуемые свойства при температуре свыше

70 оС.

Нагревание требуется для сушки лаков, основу которых составляют термореактивные смолы. Лаки с термопластичной основой не требуют сушки при высокой температуре. Если в состав лака входит высокотемпературный растворитель, то горячая сушка обязательна независимо от основы.

Эмали

Представляют собой разновидность покрывных лаков, в состав которых вводится неорганический наполнитель – пигмент.

Пигменты повышают твердость, теплопроводность, влагостойкость покрытий и придают им соответствующий цвет. Эмали используют в основном в качестве защитных покрытий поверхностей различных деталей и элементов радиоэлектроники, а также для декоративной отделки корпусов электрорадиотехнических приборов.

Лакокрасочные покрытия

Нанесение жидких лаков, компаун­дов и эмалей с последующим их отвердением является одним из первых методов защиты поверхности материалов и относится к наиболее простым и широко распространенным способам защи­ты поверхности материалов при сборке изделий электронной тех­ники.

К защитным лакокрасочным покрытиям предъявляются следу­ющие требования:

  • большое удельное электрическое сопротивление р;

  • малая химическая активность;

  • хорошая сцепляемость с поверхностями защищаемых изделий;

  • высокая механическая прочность;

  • способность сохранять свои свойства в широком интервале температур от -60 до +150 °С;

  • не должны иметь слишком большое время сушки и полиме­ризации;

  • время жизни и время хранения должны быть удобны для производства.

Выбор покрытия опре­деляется конкретными данными прибора и условиями его эксп­луатации.

Лакокрасочные покрытия классифицируют по материалу по­крытия, внешнему виду поверхности покрытия (класс покрытия) и условиям эксплуатации (группа покрытия).

Для окраски используют декоративно-покрывные и узорно-декоративные лаки, образующие гладкие поверхности.

К декоративно-покрывным относятся перхлорвиниловые, глифталевые, нитроцеллюлозные и другие лаки.

Кристаллический лак «Мороз», муар-лак и молотковую эмаль, которая обладает значительной прочностью и имеет красивый вид (напоминает следы чеканки молотком), используют как узорнодекоративные.

По внешнему виду покрытия подразделяют на глянцевые, полуглянцевые и матовые.

Группа покрытия выбирается по условиям эксплуатации: атмосферостойкие, химически стойкие и маслостойкие.

Технологический процесс получения лакокрасочных покрытий состоит из подготовки поверхности под покрытие, грунтовки, шпатлевки, нанесения основного слоя лакокрасочных покрытий и сушки.

Обычно лакокрасочными покрытиями покрывают металличе­ские изделия: каркасы приборов и устройств, кожухи, рамы, пла­стины, крепежные детали, а также поверхности полупроводни­ковых кристаллов с р-п – переходами.

Тема 4.8 Слоистые пластики и фольгированные материалы

Слоистые пластики это разновидность пластмасс, где связующим веществом служит полимер, а наполнителем – листовые волокнистые материалы. Наиболее широкое применение получили: стеклотекстолит, гетинакс и текстолит.

Стеклотекстолит – слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев стеклоткани, пропитанной различными термореактивными связующими. Производят следующие марки: СТ-Б, СТ-1 на основе фенолоформальдегидной смолы; СТЭФ-1 и СТЭФ-Р на эпоксидно-феноловом связующем; СТК на кремнийорганическом связующем. Стеклотекстолит обладает повышенной влагостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению с текстолитом и гетинаксом, но хуже обрабатывается механически. Из стеклотекстолита изготовляют платы печатных схем, антенные обтекатели и другие радиодетали.

Гетинакс – листовой слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Электротехнический гетинакс выпускают восьми марок. В зависимости от марки в качестве связующего вещества применяют фенолформальдегидные смолы или эпоксидную смолу типа ЭД-16. Гетинакс является анизотропным материалом, поэтому электрическая прочность гетинакса вдоль слоев в 5-8 раз ниже, чем поперек, а удельное сопротивление ниже в 50-100 раз. Гетинакс легко обрабатывается механически, а тонколистовые сорта хорошо штампуются, особенно в подогретом состоянии. Из гетинакса изготовляют детали радиотехнического и электротехнического назначения. Гетинакс используется для изготовления наиболее дешевых печатных плат.

Текстолит – слоистый пластик, в котором в качестве наполнителя используют хлопчатобумажную ткань, пропитанную термореактивной смолой фенолформальдегидного типа. Выпускают четырех марок: А, Б, Г – на основе сравнительно грубых тканей – бязи и миткаля и ВЧ (для высоких частот) – на основе шифона.

Дороже гетинакса, так как стоимость ткани значительно дороже стоимости бумаги. Листовой текстолит применяют как конструкционно-изоляционный материал для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателей).

Фольгированные материалы

Это слоистые пластики или синтетические пленки, облицованные с одной или двух сторон металлической (обычно медной) фольгой. Их используют в качестве оснований для печатных схем. Они должны удовлетворять следующим требованиям: иметь высокое удельное сопротивление и электрическую прочность, большой диапазон рабочих температур, малые значения ТКl и ε, обладать повышенной влагостойкостью, достаточной механической прочностью, хорошей сцепляемостью с токопроводящим покрытием, минимальным короблением в процессе производства и эксплуатации, легко поддаваться технологической обработке.

Фольгированный стеклотекстолит – это стеклотекстолит, облицованный с одной или двух сторон медной фольгой. Выпускают: СФ-1-35, СФ-2-50 и др., СФ-1-Н-50, СФ-2Н-50. Буквы СФ означают: стеклотекстолит фольгированный, первая цифра означает толщину листа в милиметрах, буква Н – нагревостойкость материала, вторая и третья цифры – указывают толщину фольги в мкм. Первые две марки применяют для изготовления печатных плат с повышенными электрическими свойствами и влагостойкостью. Две последние марки применяют при изготовлении печатных плат с высокой нагревостойкостью (+180оС) и повышенной прочностью сцепления фольги с основанием. Выпускают: СФГ-200-2 (гальваностойкий) и СФ-200-2 (нагревостойкий) до +200оС. Применяют на частотах до 106 Гц.

Фольгированный стеклотекстолит - прессованный электроизоляционный материал на основе медной фольги и стеклотканей, пропитанных  эпоксидными или эпоксибромированными  смолами и применяемый для изготовления печатных плат.


а) односторонний б) двухсторонний

  • металлическая фольга

  • клеевой слой

  • изоляционная подложка из слоистого пластика

Схема строения фольгированного слоистого пластика

Фольгированный гетинакс является менее прочным, чем стеклотекстолит, и достаточно ломким, но имеет лучшие электроизоляционные свойства и в 4 раза дешевле стеклотекстолита, поэтому он находит применение в изготовлении печатных плат для аппаратуры массового производства, при изготовлении которой одной из задач разработчика является минимальная стоимость прибора.

Фольгированный стеклотекстолит имеет гораздо лучшие механические свойства по сравнению с гетинаксом (не ломается и с трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной, измерительной и прочей прецизионной аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора, либо стойкость к механическим нагрузкам.

Применяемые для изготовления печатных плат фольгированные пластики делятся на односторонние и двусторонние. Учитывая современные тенденции постоянного уменьшения габаритов электроаппаратуры и внедрения поверхностного (chip-) монтажа, двусторонние печатные платы занимают приоритетное положение над односторонними. Односторонние печатные платы имеет смысл применять для реализации простейших небольших электрических схем.

Помимо этого, изготовление современных сложнейших вычислительных и бытовых приборов требует применения многослойных печатных плат. Это связано с усложняющейся с каждым годом схемотехникой современной аппаратуры.

Фольгированный армированный фторопласт – 4 (ФАФ-4) представляет собой слоистую пластину, спрессованную из стеклолакоткани, пропитанной суспензией фторопласта -4Д и облицованную с двух сторон медной фольгой толщиной 50 мкм. Он имеет толщину 1,0 – 3,0 мм и предназначен для печатных плат, работающих при температурах -60÷+250оС в диапазоне частот до 1010 Гц.

Фольгированный гетинакс выпускают марок ГФ-1-35, ГФ-2-50 и др.

Получают штамповкой и поддается всем видам механической обработки и используется для изготовления печатных плат радиоэлектронной аппаратуры широкого применения в диапазоне частот до 106 Гц.

Технология получения слоистых пластиков

Как уже отмечалось, слоистые пластики состоят из волокнистого наполнителя, пропитанного связующим - как правило, фенолформальдегидной смолой или эпоксидной. При этом, если применяют пропитанную бумагу, материал называют гетинаксом, если ткань из синтетических волокон – текстолитом, если стеклоткани – стеклотесктолитом. В качестве клеевого слоя для приклейки фольги при создании фольгированных слоистых пластиков применяют синтетические термореактивные клеи как таковые или используют клеящие свойства связующего, содержащегося в пропитанном наполнителе.

Стекловолокнистые наполнители. Стекловолокна для изготовления стекловолокнистых наполнителей производят по следующей схеме.

Из исходных компонентов (песок, глинозем, мел, кальцинированная сода, борная кислота и некоторые другие) путем смешения приготовляется шихта. Шихта плавится в печах для получения расплава стекла. Из расплава отформовываются стеклянные шарики, которые затем загружаются в платиновый тигель, имеющий в своем днище от 100 до 1200 и более отверстий (фильер) малого диаметра. После расплавления стеклянных шариков в тигле до получения вязкой массы (температура 1200—1400 С) из нее через фильеры вытягиваются непрерывные волокна, собирающиеся затем в пучок, который наматывается на приемную бобину. Перед намоткой пучка на бобину производится так называемое «замасливание» этого пучка так, чтобы нити в нём имели необходимое сцепление между собой. Для этого сразу по выходе элементарных волокон из фильер и сбора этих нитей в пучок устанавливается замасливающее устройство (в простейшем виде это наклонный лоток), в которое непрерывно поступает замасливатель. В результате на бобину наматывается комплексная нить со склеенными в ней элементарными волокнами. Скорость вытягивания элементарных стекловолокон при этом достигает 50 м/с и более.

Полученные комплексные нити затем разматываются с бобины, складываются друг с другом в нужном числе сложений и подвергаются кручению (до 150 витков на 1 м) для получения нитей, из которых затем на ткацких станках изготовляются стеклоткани. Для некоторых рулонных наполнителей после сложения комплексных нитей или совсем не производят крутку, или делают минимальное число витков. Такие нити называют ровницей или жгутом. Из жгутов на специальных станках изготовляют так называемые нетканые наполнители.

Для получения штапельного волокна по выходе стеклянных волокон из фильер на них из специального сопла с большой скоростью подается струя воздуха или нагретого пара, которая разбивает непрерывные волокна на короткие отрезки. Из этого волокна затем прядут нити с последующим изготовлением штапельных стеклотканей или эти волокна принимаются на конвейерную ленту и превращаются в рулонный материал в виде стекловойлоков, называемых также матами.

Состав стёкол, применяемых для изготовления стеклотканей

Вид стекла

Состав, %

SiO2

Al2O3

B2O3

CaO

MgO

Fe2O3

Na2O

Алюмоборосиликатное (бесщелочное)

53-54

14

8-12

16

4

0.2-0.7

0.5-0.7

Известково-натриевое (щелочное) для изготовления кремнеземного

72

0.5

нет

6

4

0.08

17-18

Изготовление фольгированных слоистых пластиков

Фольгирование листовых слоистых пластиков может производиться двумя методами. По первому из них металлическая фольга приклеивается к уже готовому слоистому пластику, по второму приклейка фольги осуществляется одновременно с формованием подложки. Однако приклейка металлической фольги к готовому слоистому пластику вызывает трудности, связанные с недостаточно ровной поверхностью последнего, с отклонениями в толщинах склеиваемых материалов, а также с существованием допусков в расстоянии между плитами гидравлических прессов. Всё это, в конечном счете, затрудняет создание необходимого надёжного контакта между металлической фольгой и готовым слоистым пластиком. При этом применение повышенной толщины клеевого слоя для устранения неровностей приводит, как правило, к уменьшению прочности сцепления фольги и слоистого пластика ввиду возникновения на границе раздела слоёв повышенных скалывающих напряжений.

В этом отношении приклейка металлической фольги к изоляционной подложке в процессе формования фольгированного материала позволяет использовать для выравнивания поверхности текучесть связующего в пропитанном наполнителе во время его нагревания при прессовании. Поэтому второй способ является основным в производстве фольгированных слоистых пластиков.

Для изготовления слоистых пластиков в зависимости от их назначения применяют: медную, никелевую или константановую фольгу. Медная и никелевая фольга применяется главным образом для фольгированных слоистых пластиков электротехнического назначения в целях изготовления печатных плат, константановая – для слоистых пластиков, предназначенных для изготовления реостатных и нагревательных элементов.

Выбор материалов для подложки и клеевого слоя, так же как и при изготовлении обычных слоистых пластиков, зависит от рабочей температуры фольгированного материала и от ряда специфических требований, предъявляемых к последнему.

Процесс изготовления фольгированного слоистого пластика по второму, наиболее принятому способу, сводится к пропитке наполнителей соответствующими связующими, сушке, если был применён лаковый раствор связующего, разрезке пропитанного наполнителя на нужные размеры, сборке заготовок, сборке пачек и пакетов для прессования, прессованию последних в гидравлическом прессе и обрезке торцов готового материала.

Пропитку наполнителей лаковыми растворами связующих ведут так же, как и для обычных слоистых пластиков. Нанесение клеевого слоя на металлическую фольгу производят на машинах, где осуществляется схема лакировки фольги. Эти машины аналогичны машинам для лакировки бумаги.

В качестве клеевого слоя иногда применяют специальные клеевые плёнки. В этом случае исключается процесс нанесения клея на металлическую фольгу, и клеевая плёнка укладывается перед прессованием в пачку.

Тема 4.9 Твердые неорганические диэлектрики

К твердым неорганическим диэлектрикам относятся: стекла, ситаллы, оксидные электроизоляционные пленки, керамические электроизоляционные материалы, слюда и материалы на ее основе.

Стекла

Это неорганические аморфные вещества, представляющие собой сложные системы различных оксидов. По роли в процессе стеклообразования и по положению в структуре стекла, оксиды делят на три основные группы:

  1. оксиды-стеклообразователи, т. е. такие оксиды, каждый из которых в чистом виде способен
    сам по себе образовывать стекло (SiО2, B2O3, Р2О5, GeО2 и др.). По названию стеклообразующего оксида
    называют и сами стекла. Например, SiО2 – называют силикатными.

  2. оксиды-модификаторы, которые входят в состав стекла по технологическим соображениям,
    например для снижения температуры варки, повышения вязкости, улучшения обрабатываемости. К ним
    относят CaO, BaO, Na2O, K2O и др.

  3. промежуточные оксиды, например Аl2Оз, ТiO2, PbO, ZnO, сами по себе не образуют стекол,
    но способны придать стеклам те или иные специальные свойства. Например, СоО - синюю, UO2 -
    желтую, наличие примесей оксидов железа в технических стеклах позволяет им сильно поглощать
    ультрафиолетовое излучение.

Стекла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагревании его вязкость уменьшается и оно постепенно переходит в жидкое состояние. Переход происходит в некотором температурном интервале t1…t2. t1 — температура, при которой стекло теряет (при размягчении) и приобретает (при

охлаждении) хрупкость. t2- температура, при которой можно вытягивать нити. Чем больше температурный интервал, тем хуже диэлектрические свойства.

Стекло получается при быстром охлаждении расплавленной смеси оксидов. В этом случае молекулы не успевают образовать кристаллическую решетку и остаются закрепленными в случайных положениях в момент повышения вязкости.

Параметры стекол определяются их химическим составом и режимом тепловой обработки и поэтому колеблются в весьма широких пределах. Так, при нормальной температуре, удельное сопротивление стекол р = 1О6-1О15 Ом-м.

Плотность от 2 до 8 г/см3. Силикатные стекла - 2,5 г/см3, тяжелые свинцовые стекла имеют плотность железа - 8 г/см , самое легкое кварцевое стекло - 2,3 г/см3.

Механические свойства

Твердость - это способность стекла сопротивляться царапанию. Стекло обладает значительной твердостью, но плохо переносит ударные нагрузки. Наибольшая твердость у боросиликатных стекол, самые мягкие - свинцовые стекла.

Электрические свойства зависят от химического состава и термообработки. Большое содержание оксидов щелочных металлов уменьшают объемное сопротивление. При t = 200°С уменьшается в 104 раз по сравнению с сопротивлением при нормальной температуре.

Диэлектрическая проницаемость зависит от состава и температуры. Начиная со 110 °С у щелочных стекол ε резко возрастает.

Тепловые свойства

Тразмягчения = 350... 1700 °С. 1700 °С – для кварцевого стекла. Стекло плохо проводит тепло. При повышении температуры теплопроводность повышается. ТКl стекла = 5,5 10-7 до 150 10-7 К-1. Чем меньше ТКl, тем выше стойкость стекла к термоударам. Значение ТКl необходимо учитывать при соединении стекла с другими материалами и при нанесении стеклоэмалей. ТКl должны быть примерно одинаковыми. Химическая стойкость зависит от состава. У стекол сравнительная высокая химическая стойкость, но вода, кислоты и щелочи постепенно разрушают поверхность. С повышением температуры этот процесс усиливается. По химической стойкости силикатные стекла делятся на три группы:

  1. Щелочные без тяжелых оксидов (оконные и бутылочные);

  2. Щелочные с большим содержанием тяжелых оксидов (бариевые, свинцовые - электроизоляторные);

  3. Бесщелочные (кварцевое стекло) или с малым содержанием щелочных оксидов.

Предел прочности при растяжении невелик (100-300 МПа) и увеличивается с повышением содержания в нем оксидов кремния SiО2и СаО. Щелочные оксиды снижают прочность стекол. Стекло противостоит сжатию гораздо лучше, чем растяжению, предел прочности при сжатии составляет 6000-21000 МПа

Типы стекол

В зависимости от назначения различают следующие основные виды электротехнических стекол: электровакуумные, конденсаторные, изоляторные, стеклоэмали и др.

Электровакуумные применяют для изготовления баллонов электронных и газоразрядных ламп, оболочек рентгеновских ламп, горловин кинескопов, ЭЛТ и т. п. Кроме того, их применяют в полупроводниковой промышленности для получения металлостеклянных спаев в корпусах маломощных приборов.

Электровакуумные стекла делят на группы по признаку спаиваемости с определенным металлом или сплавом. Названия стекол «молибденовые», «вольфрамовые», «платиновые» определяются не составом стекла, а значением ТКl стекол по близости к ТКl молибдена, вольфрама, платины.

Изоляторные используют в качестве герметизированных вводов в некоторые типы конденсаторов, терморезисторов, в полупроводниковом производстве.

Боросиликатные и алюмосиликатные стекла применяют для изготовления изоляционных подложек, которые служат основой для расположения активных и пассивных элементов интегральных микросхем. Кроме того, их используют при изготовлении литого микропровода в стеклянной изоляции.

Стеклоэмалями называют стекловидные покрытия, наносимые на поверхность изделий с целью защиты от коррозии. При эмалировании порошок стекла измельчают, наносят на поверхность изделия и обжигают. Стеклоэмали применяют в качестве электроизоляционного материала для трубчатых резисторов, в которых на наружную поверхность керамической трубки нанесена проволочная обмотка.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бесщелочного алюмоборосиликатного. Расплавленная стекломасса под действием собственного веса медленно вытекает из платиновых лодочек» через фильеры диаметром около 1 мм. Выходящая из фильеры нить наматывается с большой скоростью (около 30 м/с) на барабан и, не успевая охладиться, вытягивается в тонкое волокно диаметром в несколько микрон. При вытягивании происходит ориентация молекул, способствующая повышению гибкости и механической прочности стекла.

Из стеклянных нитей изготовляют световоды, изоляцию монтажных обмоточных и микропроводов, стеклянные ткани, используемые в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов и для изготовления пластмасс.

Световоды представляют собой световедущее волокно, состоящее из двух слоев: световедущей жилы с высоким показателем преломления и изоляционной оболочки с меньшим показателем преломления. Световодные волокна из оптического стекла применяют для передачи информации в вычислительной технике, телевидении, фототелеграфии.

Ситаллы - от слов «силикат» и «кристалл».Silex - кремень.

Ситаллы — это стеклокристаллические материалы, получаемые путем стимулированной кристаллизации стекол специально по­добранного состава. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой. Недостатком этих стекол считают возможные процессы локальной кристаллизации — расстекловывание, что приводит к появлению неоднородностей и ухудшению свойств стеклянных изделий. Если в состав стекол, склонных к кристаллизации, ввести одну или несколько добавок веществ, дающих зародыши кристаллизации, то удается стимули­ровать процесс кристаллизации стекла равномерно по всему объему изделия и получить материал с однородной микрокристалличе­ской структурой. Ситаллы в отличие от стекол непрозрачны или частично пропускают свет.

Технология получения ситаллов включает в себя несколько опе­раций. Сначала получают изделие из стекломассы теми же спосо­бами, которые используют для формовки обычных стекол. Затем отформованное изделие подвергается чаще всего двухступенчатой термической обработке при температурах 500... 700°С и 900... 1 100°С. На первой ступени происходит образование заро­дышей кристаллизации, на второй — развитие кристаллических фаз. Во избежание деформации или расплавления изделий темпе­ратура на первой стадии термообработки не должна превышать температуру стеклования отформованного изделия. Длительность и температура второго этапа кристаллизации обусловливают раз­меры кристаллических зерен.

Свойства ситаллов определяются природой оксидов, образу­ющих кристаллическую и стекловидную фазы, а также количе­ственным соотношением объемов этих фаз. Содержание кристал­лической фазы может составлять от 25 до 95 %, а размеры опти­мально развитых кристаллитов должны находиться в пределах 0,05... 1 мкм. Усадка изделий при кристаллизации обычно не пре­вышает 1 ...2 %.

Таким образом, ситаллы отличаются от стекол тем, что в ос­новном имеют кристаллическое строение, а от керамики – значительно меньшим размером кристаллических зерен и отсутствием пористости. Благодаря мелкозернистой кристаллической структуре ситаллы обладают высокой механической прочностью (про­чность на изгиб и растяжение в несколько раз больше, чем у ще­лочных силикатных стекол), высокой твердостью и устойчиво­стью к истиранию.

Кристаллизация стекла может быть обусловлена фотохимиче­скими и каталитическими процессами. В первом случае центрами кристаллизации служат мельчайшие частички металлов (серебра, золота, меди, алюминия и др.), выделяющиеся из соответству­ющих оксидов, входящих в состав стекла, под влиянием облуче­ния с последующей термообработкой для проявления изображе­ния. Для инициирования фотохимической реакции обычно ис­пользуют ультрафиолетовое излучение. При термообработке про­исходит образование и рост кристаллитов вокруг металлических частиц. Одновременно при проявлении материал приобретает опре­деленную окраску. Стеклокристаллические материалы, получаемые таким способом, называют фотоситаллами.

Если облучать не всю поверхность изделия, а лишь определен­ные участки, то можно вызвать локальную кристаллизацию в за­данном объеме. Закристаллизованные участки значительно легче растворяются в плавиковой кислоте, нежели примыкающие к ним стеклообразные области. Это позволяет травлением получать в из­делиях отверстия, выемки и т. п.

Технология изготовления ситаллов упрощается, если в каче­стве катализаторов кристаллизации использовать соединения, ог­раниченно растворимые в стекломассе или легко кристаллизу­ющиеся из расплава. К числу таких соединений относятся TiO2, Р2О5, В2О3, Сr2О3, V2O5, ZrO2, SnO2, FeS, а также фториды и фосфаты щелочных и щелочно-земельных металлов. При катали­тической кристаллизации необходимость в предварительном об­лучении отпадает. Получаемые при этом стеклокристаллические материалы называются термоситаллами.

По внешнему виду ситаллы представляют собой плотные мате­риалы белого и от светло-бежевого до коричневого цветов. Они могут иметь как большой, так и очень незначительный темпера­турный коэффициент линейного расширения, являются водоус­тойчивыми и газонепроницаемыми материалами, характеризуют­ся достаточно высокой теплопроводностью и удовлетворительны­ми электрическими свойствами. Механическая прочность их мало изменяется при нагревании до температуры 700... 800 °С. Диэлектрические потери в ситаллах во многом определяются свойствами остаточной стек­ловидной фазы.

Ситаллы на основе системы Li2O - A12O3 - SiO2 прозрачны в оптическом диапазоне спектра, а ситаллы типа CdO - In2O3 - SiO2 обладают повышенной стойкостью к радиации, активно погло­щают нейтроны. Недостатком многих ситаллов является относи­тельно невысокая химическая стойкость, что связано с неодно­родностью структуры и наличием оксидов щелочных металлов.

Путем изменения состава исходного стекла ситаллам удается придавать самые разнообразные свойства. Поэтому области их при­менения весьма многообразны: от конструкционных и строитель­ных объектов (например, конусы обтекателей ракет или трубы для газотурбинных двигателей) до микродеталей радиоэлектро­ники. Ситаллы, применяемые в электронике, по техническому назначению подразделяются на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы широко используются в качестве подло­жек тонкопленочных и гибридных интегральных схем, панелей печатных плат, высоковольтных изоляторов, подложек дискрет­ных пассивных элементов (например, тонкопленочных резисто­ров), деталей СВЧ-приборов и некоторых типов электронных ламп. Доступность сырья и простая технология обеспечивают невысо­кую стоимость изделий из ситаллов.

Достоинством ситалловых конденсаторов является повышен­ная электрическая прочность по сравнению с керамическими кон­денсаторами.

Оксидные электроизоляционные пленки

В качестве неорганического электроизоляционного материала в электролитических конденсаторах и элементах интегральных микросхем, а также для изоляции алюминиевых проводов и лент нашли широкое применение пленки оксидов алюминия (Al2O3), тантала (Та2О5), титана (TiO2), ниобия (Nb2О5) и др.

Пленка может быть получена двумя способами: 1) в результате химической или электрохимической реакции поверхностного слоя проводникового материала, 2) путем осаждения диэлектрика на поверхность изолируемого материала.

Наиболее широко применяют оксидную изоляцию в электролитических конденсаторах. Они при малых размерах и массе имеют высокую емкость, благодаря малой толщине (до 1 мкм) диэлектрика и значительной диэлектрической проницаемости. Оксиды кремния, тантала, ниобия применяют также для изготовления тонкопленочных конденсаторов, диэлектриком в которых является пленка из этих оксидов, наносимая методом вакуумной технологии на проводящую подложку.

Алюминиевые провода и ленты, покрытые оксидной пленкой, полученной анодированием, применяют как заменители обмоточных медных проводов с обычными видами изоляции. Они имеют высокую нагревостойкость (до 600°С), малую толщину оксидной изоляции, высокую теплопроводность.

В полупроводниковой технологии пленки применяют для защиты р-п – переходов от воздействия окружающей среды (влаги, кислорода).

Керамические электроизоляционные материалы
Общие сведения. Под керамикой понимают большую группу материалов с разнообразными свойствами, объединенных общ­ностью технологического цикла.

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что зна­чит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом «керами­ка» понимают не только глиносодержащие, но и другие неоргани­ческие материалы, обладающие сходными свойствами. При изго­товлении изделий из них требуется высокотемпературный обжиг.

Достоинствами керамических диэлектриков являются высокая нагревостойкость, малая гигроскопичность, достаточно высокая механическая прочность, хорошие электрические свойства и бо­гатые возможности управления ими путем изменения состава ис­ходной шихты.

При массовом производстве керамических изделий основные операции технологического процесса могут быть полностью авто­матизированы. Важными факторами являются доступность и де­шевизна исходного сырья и отсутствие ограничений на изготов­ление изделий необходимых размеров и форм.

В общем случае керамический материал состоит из нескольких фаз. Основными фазами являются кристаллическая и стекловидная. Кристаллическую фазу образуют различные химические со­единения (чаще всего оксидные) или твердые растворы этих со­единений. Основные свойства керамики — диэлектрическая про­ницаемость, диэлектрические потери, электрическая проводи­мость, механическая прочность, теплопроводность – во многом зависят от особенностей кристаллической фазы. В структуре неко­торых видов керамики может содержаться не одна, а сразу не­сколько кристаллических фаз. Изменяя объемное соотношение между ними, можно в широких пределах управлять свойствами материала.

Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, свя­зывающего кристаллическую фазу. Технологические свойства ке­рамики – температура спекания, степень пластичности керами­ческой массы при формовании – в значительной мере определя­ются количеством стекловидной фазы. От ее содержания зависят также плотность, степень пористости и гигроскопичность мате­риала. Некоторые виды радиокерамики вообще не содержат стек­ловидной фазы.

Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механиче­ской и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений.

При изготовлении радиокерамики в качестве основных кристаллообразующих компонентов наряду с природными минерала­ми, такими как кварц, глинозем, тальк, широко используют спе­циально получаемые оксиды и карбонаты различных металлов. Для получения керамики с особыми свойствами в качестве основы используют тугоплавкие бескислородные соединения. К их числу относятся нитриды, бориды, силициды и карбиды различных металлов.

Особенности технологического цикла. Выбор метода изготовле­ния керамического изделия зависит от свойств применяемого ма­териала, особенностей конструкции изделия и массовости заказа. Однако любая технологическая схема керамического производ­ства в качестве обязательных включает в себя следующие опера­ции:

  • тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных ком­понентов;

  • пластификация массы и образование формовочного полуфаб­риката;

  • формование заготовок из пластифицированной массы;

  • спекание изделий (высокотемпературный обжиг).
    Измельчение и смешивание сырьевых компонентов производят в ротационных шаровых и вибрационных мельницах. В производстве радиокерамики применяют тонкодисперсные порошки с размером частиц порядка 1 мкм. Характеристики порош­ков оказывают существенное влияние на последующие стадии тех­нологического цикла.

Мельница тонкого помола представляет собой стальной бара­бан, футерованный изнутри износостойкой керамикой (обычно глиноземистой) или износостойкой резиной. В качестве мелющих тел используются керамические или стальные шары различного диаметра (чаще всего 5 ...8 мм). Мелющие тела приводятся в дви­жение относительно друг друга путем вращения или вибрации цилиндрического барабана. Измельчение шихты происходит в ре­зультате ударного воздействия шаров, раскалывания частиц или истирания массы между шарами.

Помол может быть «сухим» или «мокрым», т.е. с использованием водной среды. Более тонкое измельчение достигается при «мокром» помоле. Интенсивность измельчения повышается, если в водную среду вводят поверхностно-активные вещества. Последние препятствуют слипанию частиц, способствуют развитию трещин, т. е. оказывают расклинивающее действие на частицы. Процесс помола очень энергоемок, длительность его может составлять десятки часов.

Пластификация требуется для дальнейшего формования изделий. Для этого полученный тонкодисперсный порошок пла­стифицируют путем введения органических добавок, называе­мых пластификаторами. Их подразделяют на водорастворимые и расплавляемые. Наиболее часто используют поливиниловый спирт и парафин.

Формование изделий осуществляется методами прес­сования, пластической протяжки (выдавливанием) через мундш­тук, горячим литьем под давлением, а также путем розлива жид­кого шликера (формовочной суспензии) на движущуюся подложку (при получении пленок). Крупногабаритные изделия сложной кон­фигурации формуют путем литья водной суспензии в гипсовые формы, которые разбирают при извлечении заготовок.

Спекание (обжиг) изделий является наиболее ответствен­ной технологической операцией, которую проводят в муфельных или туннельных электрических печах при температурах 1300 °С и выше. Туннельные печи представляют собой конвейерные агрега­ты непрерывного действия. В зависимости от состава материала спекание может производиться не только в окислительной, но и в нейтральной и даже в восстановительной атмосфере.

При спекании происходит выжигание пластификатора, завер­шаются химические реакции между компонентами. В результате слияния частиц фиксируется форма изделия, материал приобре­тает необходимую механическую прочность и заданные физические и электрические свойства. Особенно высокая интенсивность спекания достигается в том случае, когда на спекаемый объект одновременно действует вы­сокое внешнее давление. Такой метод изготовления керамических изделий получил название горячего прессования. Этим методом из порошковой композиции можно синтезировать материал плотно­стью, близкой к теоретической, т.е. практически без пористости. При этом в случае горячего прессования температура спекания, как правило, выбирается более низкой, чем при традиционных режимах спекания.

В процессе обжига вследствие испарения влаги, выгорания пла­стификатора и уплотнения материала происходит усадка изделий, т. е. уменьшение их размеров. В зависимости от состава шихты, ко­личества пластификатора и режима обжига усадка изменяется в широких пределах и может превышать 20 %. Принимая во внима­ние это обстоятельство, необходимо при формовке заготовок да­вать им завышенные размеры. Заранее оценить усадку довольно трудно, поэтому допуски на размеры керамических изделий, осо­бенно крупногабаритных, сравнительно велики (до 5 % от линей­ного размера).

В некоторых случаях керамические изделия (особенно фарфо­ровые) подвергают глазурованию, т. е. покрывают тонким слоем глазури толщиной 0,1...0,3 мм. Глазурь по составу близка к стек­лу, которое расплавляется при обжиге и, обволакивая изделие, формирует на нем глянцевую защитную поверхность. Нанесение глазури не только улучшает внешний вид изоляторов, но и повы­шает их механическую прочность, препятствует проникновению влаги в поры, способствует самоочищению поверхности изолято­ров от атмосферных загрязнений в процессе их эксплуатации, за­лечиванию мелких трещин. Все это положительно отражается на удельном поверхностном сопротивлении и напряжении поверх­ностного разряда. Для надежной работы глазурь должна иметь со­гласованный с керамическим диэлектриком температурный ко­эффициент линейного расширения. Путем введения в шихту ок­сидов различных металлов глазурям придают желаемую окраску.

Классификация и свойства керамических материалов. Керами­ческие материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техническому назначению можно подразделить на установочные и конденса­торные.

Установочную керамику применяют для изготовления разного рода изоляторов и конструкционных деталей: опорных, проходных, подвесных, антенных изоляторов радиоустройств, под­ложек гибридных ИС, микромодулей, корпусов интегральных мик­росхем, ламповых панелей, внутриламповых изоляторов, деталей СВЧ-приборов, корпусов резисторов, каркасов катушек индук­тивности, оснований электрических печей и др.

По электрическим свойствам установочную керамику подраз­деляют на низкочастотную и высокочастотную. Из низкочастот­ных установочных материалов наиболее распространен изолятор­ный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шпат. При обжиге глина теряет кристаллизационную воду и, взаимодействуя с кварцем, образует основную кристаллическую фазу – муллит Al2O3 - 2SiO2. Промежутки между кристаллическими зернами за­полняются стекловидной фазой, возникающей после расплавле­ния полевого шпата. Наличие стеклофазы обусловливает низкую пористость и высокую плотность фарфора, его водонепроницае­мость, достаточно высокую электрическую и механическую проч­ность. Однако из-за большого содержания щелочных оксидов в стеклофазе материал обладает значительными диэлектрическими потерями (tgδ = 10-2 на частоте 50 Гц), что затрудняет его исполь­зование на высоких частотах. Из фарфора в широком ассортимен­те изготовляют низковольтные и высоковольтные изоляторы мас­сового спроса, в частности подвесные изоляторы для линий элек­тропередачи.

Промежуточное положение между высокочастотными и низ­кочастотными диэлектриками занимает радиофарфор. Улучшение его электрических свойств по сравнению с изоляторным фарфо­ром достигается путем введения в состав исходной шихты оксида бария, резко снижающего диэлектрические потери и проводи­мость стекловидной фазы. По изоляционным свойствам радиофарфор превосхо­дит обычный электротехнический фарфор примерно на два по­рядка величины удельного сопротивления.

В связи с высоким содержанием глины (до 40 %) радиофар­фор отличается большой пластичностью массы, что позволяет изготавливать из него как мелкие, так и крупногабаритные изде­лия.

Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор, относящийся к группе материалов с высоким со­держанием глинозема (более 80).

Ультрафарфор является высокочастотным диэлектриком, в котором сочетаются низкие диэлектрические потери с высокой механической прочностью и удовлетворительными для промыш­ленного производства технологическими параметрами. Такое со­четание свойств во многом объясняется наличием в нем бариево­го стекла, которое, с одной стороны, способствует улучшению электрических свойств материала, а с другой — ускоряет спека­ние, образуя жидкую фазу в процессе обжига. В результате удается получить плотную керамику при сравнительно невысоких темпе­ратурах спекания (1360... 1370°С).

В качестве установочного материала большое распространение получил ультрафарфор УФ-46, отличающийся простотой техно­логии и высокой пластичностью массы.

Материал УФ-53 при достаточно хорошей пластичности обла­дает более высокими по сравнению с УФ-46 электрическими свой­ствами и механической прочностью и предназначается для установочных деталей и конденсаторов, к которым предъяв­ляются повышенные требования по надежности. Последующие разработки керамики типа ультрафарфор обладают еще более бла­гоприятным комплексом электрических и физико-механических свойств.

Корундовая керамика с содержанием глинозема 95...99% по­лучила название алюминоксида. Этот материал отличается низки­ми диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот и при повышенных температурах обладает весьма высокой нагревостойкостью (до 1600 °С), а также большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Удельная теплопро­водность алюминоксида в 10 – 20 раз выше, чем у изоляторного фарфора. Однако он имеет неблагоприятные технологические ха­рактеристики, обладает большой абразивностью, непластичен, отличается высокой температурой спекания (до 1750 °С). Высокая абразивность затрудняет механическую обработку сырых загото­вок и шлифование обожженных деталей.

Керамика из алюминоксида используется в качестве вакуум-плотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов, под­ложек гибридных интегральных схем, из нее изготовляют корпуса интегральных микросхем и СВЧ-приборов, а также внутриламповые изоляторы с пористой структурой. Пористая керамика выгод­на тем, что при конденсации металлического геттера, используе­мого для получения высокого вакуума, а также при осаждении паров бария и тория, образующихся при работе катодов элект­ронных ламп, на поверхности керамических внутриламповых изо­ляторов не возникает сплошной токопроводящей пленки. Кроме того, пористая керамика легко выдерживает значительные пере­пады температур, которые неизбежны при изготовлении электро­вакуумного прибора.

Разновидностью алюминоксида является поликор, обладающий особо плотной мелкозернистой структурой. Кроме корунда в состав по­ликора входят небольшие модифицирующие добавки MgO (0,3 % по массе). Такой состав предопределяет высокую температуру спекания (1800... 1900 °С). В отличие от обычной корундовой керамики по­ликор прозрачен. Поэтому его применяют для изготовления колб некоторых специальных источников света и высокотемператур­ных оптических окон. Благодаря высокой плотности поликора можно обеспечить высокую чистоту обработки поверхности. По­этому поликор является ценным материалом для осаждения пле­ночных пассивных элементов гибридных интегральных микросхем.

Существенным преимуществом керамических подложек по срав­нению со стеклянными и ситалловыми является их высокая теп­лопроводность. Скорость отвода тепла от тонкопленочных элемен­тов во многом определяет допустимые значения рассеиваемой в них электрической мощности. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью (200...250 Вт/(м*К)) об­ладает оксид бериллия. Керамика на основе оксида бериллия (95...99 % ВеО) получила название брокерита. Ее теплопровод­ность в 200 — 250 раз превышает теплопроводность стекол и стеклокристаллических материалов. К тому же она имеет высокие электрические параметры: р = 1016 Ом • м; tgδ < 3 • 10-4 (на ча­стоте 1 МГц). Металлизация изделий из брокерита обеспечива­ет получение вакуумных спаев керамики с медью и коваром.

Помимо подложек для интегральных микросхем брокеритовую керамику применяют в особо мощных СВЧ-приборах. Недостат­ком этого материала является токсичность порошкообразного ВеО, что требует соблюдения строгих мер техники безопасности на всех этапах технологического цикла изготовления керамических изде­лий.

Низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочас­тот обладает также цельзиановая, стеатитовая и форстеритовая керамика. В состав цельзиановой керамики входят предварительно синтезированные соединения ВаО • А12О3 • 2SiO2, называемое цельзианом, углекислый барий ВаСО3 и каолин А12О3-2SiO2-2Н2О, которые при обжиге изделий образуют дополнительно кристалли­ческую фазу цельзиана и высокобариевое алюмосиликатное стекло.

Характерными особенностями цельзиановой керамики явля­ются очень низкий температурный коэффициент линейного рас­ширения, незначительный температурный коэффи­циент диэлектрической проницаемости и повышен­ная по сравнению с другими материалами электрическая прочность (до 45 МВ/м). В нормальных условиях преобладает электронная электропроводность, ионная составляющая электропроводности становится заметной лишь при температурах свыше 600 °С.

Цельзиановую керамику используют для изготовления карка­сов высокостабильных индуктивных катушек, изоляторов и высо­кочастотных конденсаторов большой реактивной мощности. Не­достатком цельзиановой керамики является сравнительно неболь­шая механическая прочность.

Стеатитовую керамику получают на основе природного мине­рала – талька 3MgO -4SiO2- H2O, который отличается высокой пластичностью. Основной кристаллической фазой, образующейся при обжиге заготовок, является клиноэнстатит MgO*SiO2. Пре­имуществами стеатитовой керамики являются ее малая абразивность и незначительная усадка при обжиге (1,0... 1,5%). Поэтому из нее можно изготовлять мелкие детали с повышенной точнос­тью в размерах. Стеатит применяют в качестве высокочастотных проходных изоляторов, опорных плат, изолирующих колец, дета­лей корпусов полупроводниковых приборов, а также в виде пори­стой вакуумной керамики для внутриламповых изоляторов.

Недостатками стеатита являются невысокая стойкость к рез­ким перепадам температуры и очень узкий температурный интер­вал спекания (1330... 1350 °С). При низкой температуре обжига изделие получается пористым с пониженной механической проч­ностью. При превышении оптимальной температуры спекания на­блюдается резкое возрастание количества жидкой фазы в череп­ке, сопровождаемое снижением ее вязкости. В результате спека­емое изделие деформируется в процессе обжига.

Форстеритовую керамику 2MgO * SiO2 применяют для изготов­ления изоляторов вакуумных и полупроводниковых приборов, когда требуется вакуум-плотный согласованный спай с металлом, обладающим повышенным температурным коэффициентом ли­нейного расширения, например с медью. Вместе с тем форстеритовая керамика характеризуется недостаточной стойкостью к термоударам. Поэтому иногда ее из­готовляют пористой для использования в электровакуумных при­борах.

Особую группу материалов образуют установочные керамиче­ские диэлектрики с высокой нагревостойкостью. Такая керамика предназначена для использования в экстремальных условиях. Ее получают по обычной порошковой технологии из тугоплавких оксидов без добавления глинистых компонентов и минерализу­ющих добавок. К числу наиболее тугоплавких оксидов (с темпера­турой плавления 2500...3000°С) причисляют соединения ThO2, BeO, UO2, CeO2, MgO, CaO, А12О3. Как правило, тугоплавкая керамика обладает высокими электроизоляционными, механиче­скими и теплофизическими свойствами. Она применяется, напри­мер, для футеровок камер сгорания, элементов ядерного реакто­ра, магнитогидродинамических генераторов, изоляторов свечей зажигания авиационных двигателей и т. п. В сухом воздухе и в кис­лых средах керамика из чистых оксидов сохраняет стойкость по­чти до температуры плавления.

Тугоплавкие керамические диэлектрики могут быть синтези­рованы и на бескислородной основе. В качестве базовых соедине­ний в этом случае используют карбид кремния SiC, а также нитриды алюминия A1N и бора BN. Все эти соединения имеют темпе­ратуру плавления выше 3000 °С, а керамика на их основе характе­ризуется не только высокой нагревостойкостью, но обладает так­же высокой устойчивостью к химически агрессивным средам, высокой твердостью и износоустойчивостью, стойкостью к тер­моударам. Керамика из карбида кремния по удельной теплопро­водности превосходит алюминоксид и даже брокерит и лишь не­много уступает меди. Нитридная керамика благодаря химической устойчивости широко применяется в технологии чистых веществ в качестве тигельного материала.

Конденсаторная керамика позволяет создавать емкост­ные элементы, выделяющиеся простотой конструкции, низкой стоимостью, высокой надежностью и работоспособностью в са­мых жестких условиях эксплуатации. Керамические конденсаторы позволяют перекрыть диапазон емкостей от долей пикофарада до сотен микрофарад. На их долю в мировом производстве всех конденсаторов приходится свыше 60 %.

Подобно установочной керамике, конденсаторные керамиче­ские диэлектрики подразделяются на высокочастотные и низко­частотные материалы. К первой группе относят диэлектрики, у которых е = 10...260, а значение tg δ на частоте 1 МГц не превы­шает 0,0006. Для обеспечения температурной стабильности емко­сти желательно, чтобы конденсаторный материал обладал неболь­шим температурным коэффициентом диэлектрической проница­емости. Высокочастотные конденсаторы предназначены прежде всего для использования в резонансных контурах, когда малые поте­ри и температурная стабильность емкости играют определяющую роль.

Низкочастотные материалы характеризуются гораздо более высокой диэлектрической проницаемостью (ε > 900), но и суще­ственно более высокими диэлектрическими потерями; для них на частоте 1 000 Гц tg δ = 0,002...0,025. На их основе создают конден­саторы, предназначенные для использования в цепях фильтра­ции, блокировки и развязки, где малые значения tg δ не име­ют первостепенного значения.

Специально для применения в высокочастотных конденсато­рах были разработаны титанатовые керамические диэлектрики, за которыми впоследствии закрепилось название тикондов. Кристал­лическая фаза таких диэлектриков формируется на основе титаносодержащих оксидных химических соединений – рутила TiO2, перовскита СаTiО3, титаната стронция SrTiO3, тетратитаната ба­рия BaO*4TiO2, титаната циркония ZrTiO4 и др. Среди материа­лов этой группы наиболее широкое применение нашли керами­ческие диэлектрики промышленных марок Т-80 и Т-150 (цифра указывает значение ε в нормальных условиях).

Керамика Т-80 представляет собой практически чистый рутил с небольшими минерализующими добавками диоксида циркония, образующего твердый раствор с TiO2. Минерализующие добавки вводятся для понижения температуры спекания и повышения пластичности формовочной массы. Важными достоинствами рутиловой керамики являются ее низкая стоимость и высокая тех­нологичность. Спекание такой керамики осуществляется практи­чески без образования стеклофазы, что предопределяет низкие диэлектрические потери.

Термостабильная керамика с пониженными температурами спекания (1100... 1150°С) может быть изготовлена на основе полититанатов бария, среди которых наиболее перспективны для применения в высокочастотных конденсаторах соединения BaTi4O9 и Ba2Ti9O20. Уникальным сочетанием свойств обладают керами­ческие диэлектрики, у которых кристаллическую фазу формиру­ют барийлантаноидные тетратитанаты. Состав таких соединений выражают общей формулой BaTi4O9Me2O3, где под символом Me понимают редкоземельный элемент цериевой подгруппы (La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu).

Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свой­ствами. Благодаря присущей сегнетоэлектрикам доменной поляризации конденсаторная сегнетокерамика обладает весьма высо­кой диэлектрической проницаемостью (ε = 900...20000), которая однако не отличается температурной стабильностью и зависит к тому же от частоты и напряженности электрического поля. Сегнетокерамику применяют для получения конденсаторов с большой удельной емкостью. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает своего максимального значения при характери­стической температуре, называемой точкой Кюри. Изменяя состав исходной шихты, добиваются такого соотношения между кон­центрациями компонентов в твердом растворе, чтобы точка Кюри примерно соответствовала температуре эксплуатации конденса­тора.

Содержит в своем составе непластичные и пластичные кристаллообразующие компоненты.

Слюда и материалы на ее основе

Слюда представляет собой природный материал с кристаллической структурой, который легко расщепляется по плоскостям спайности на пластинки толщиной до 5 мкм. Существует более 30 разновидностей слюды, все они являются водными алюмосиликатами щелочноземельных металлов. Для электрической изоляции применяют лишь две разновидности: мусковит – алюмосиликат калия (прозрачный) и флогопит – магнезиальный силикат калия темный.

Вода в них является кристаллизационной, т.е. входящей в состав кристаллической решетки. При нагревании кристаллизационная вода начинает выделяться, что вызывает вспучивание оды. увеличение ее толщины за счет расслаивания по плоскостям спайности. Кроме того, она теряет прозрачность, резко снижает электрические и механические свойства.

Температура начала обезвоживания и резкого ухудшения свойств у мусковитов 500-600°С, у фгопитов 800-900°С.

Слюда является широко распространенным минералом и составляет 3,8% массы земной коры, первоначальная обработка слюды состоит в ее очистке от посторонних примесей. Затем слюду скалывают на пластины толщиной 0,1-0,6 мм и обрезают дефектные участки. В дальнейшем пластины расщепляют на листки толщиной 1-5 мкм. Такую слюду называют щипаной. Ее применяют для клееной слюдяной изоляции, а из лучших сортов мусковита готовят конденсаторную и телевизионную слюду, представляющую собой листочки прямоугольной формы толщиной 20-55 мкм, длиной 7-60 мм, шириной 4-50 мм. Ее применяют для изготовления слюдяных конденсаторов постоянной емкости типа: КСО (конденсатор слюдяной отпрессованный), СГМ (слюдяной герметизированный малогабаритный).

Телевизионная слюда применяется как диэлектрическая основа для фотокатодов и мишеней в передающих телевизионных трубках.

Слюду также применяют в виде штампованных фасонных изделий для крепления и электрической изоляции внутренней арматуры в электронных лампах и других электронных приборах. Кроме природной слюды в настоящее время в технике получила распространение синтетическая слюда - фторфлогопит, отличающаяся от природной тем, что в кристаллической решетке атомы

Н2О замещены фтором. Она химически устойчивее обычного флогопита, обладает более высокими электрическими параметрами, более нагревостойка, практически не вспучивается при нагревании. Выдерживает смену температур от -70° до +1000°С.

Получают в результате выращивания кристаллов из расплавленной шихты, содержащей кварцевый песок, оксиды алюминия, магния, фтористые соединения калия и магния. Высокая стоимость, поэтому ограничена в применении. Используют для изготовления окон волноводов, счетчиков частиц высокой энергии, конденсаторов с высокой рабочей температурой.

Слюдяные электроизоляционные материалы изготовляют из пластинок щипаной слюды или синтетической слюды.

Миканиты - отдельные пластинки слюды, склеенные лаком, спрессованные. Применяют для изоляции коллекторных пластин. Прокладочные миканиты - для твердых прокладок в электрических машинах. Из формовочных миканитов изготовляют фланцы, каркасы катушек.

Гибкий миканит изгибается при нормальной температуре. Выпускается в виде рулонов и листов толщиной от 0,15- 0,6мм. Используется для межвитковой и пазовой изоляции в электрических машинах. Жаропрочные миканиты используют для изоляции нагревательных приборов.

Слюдиниты имеют более высокую рабочую температуру и электрическую прочность. Изготовляют из отходов мусковита. Применяют там же, где и миканиты.

Слюдокерамика - получают обжигом спрессованной мелкокристаллической слюды со связующими компонентами. Применяют в качестве термостойкой изоляции установочных и вакуумных деталей, элементов, корпусов полупроводниковых приборов и ИС, изоляторов радиоламп.

Прессмика — получают горячим прессованием измельченной синтетической слюды без связующих. Изготовляют проходные и антенные изоляторы, конденсаторы, работающие при температуре 400 °С.

Микалекс получают термической обработкой и последующим отжигом смеси порошкообразной слюды с боратом свинца. Негигроскопичен, огнестоек, позволяет сложные технологии обработки, (прессовку металлических стержней). Изготовляют платы переключателей, панели малогабаритных воздушных конденсаторов, гребенки катушек индуктивности.

Тема 4.10 Активные диэлектрики

Эти диэлектрики отличаются от обычных диэлектриков тем, что их электрическими свойствами можно управлять в широком диапазоне, воздействуя на них электрическими, магнитными, тепловыми полями. К ним относятся: сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы для лазеров и мазеров.

Лазер аббревиатура английских слов фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света в результате вынужденного излучения.

Мазер - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление микроволн сверхвысокой частоты (СВЧ) в результате вынужденного излучения

Сегнетоэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешними воздействиям, например, электрическим полем. Характерные особенности сегнетоэлектриков:

1. Они обладают доменной структурой. Домен - это макроскопическая область в диэлектрике, имеющая пространственно-однородное упорядочение дипольных моментов элементарных кристаллических ячеек. При воздействии внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются преимущественно в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, а следовательно, высокое и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

2. Сильная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (с максимумом при температуре, называемой сегнетоэлектрической точкой Кюри) и от напряженности электрического поля.

3. Поляризация сегнетоэлектриков связана с достаточно большими затратами энергии. В
переменном электрическом поле имеет место гистерезисная петля «переполяризации».

4. Сильная зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь от частоты, особенно в области СВЧ.

Сегнетоэлектрической точкой Кюри называют температуру, при которой возникает (при охлаждении) и исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация.

По характеру химической связи и виду поляризации сегнетоэлектрики подразделяют на ионные и дипольные.

Ионные сегнетоэлектрики представляют собой кристаллы со значительной степенью ионной связи. У ионных спонтанная поляризация является следствием смещения (упорядоченного) ионов из положения равновесия. К ним относятся многие соединения со структурой типа перовскита (минерал СаTiO3), титанат бария, титанат свинца, ниобат калия и др.

Дипольные сегнетоэлектрики представляют собой соединения, в которых существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы. К ним относят сегнетову соль, триглицинсульфат, нитрит натрия и др.

Сегнетокерамика

Конденсаторная сегнетокерамика. К ней относят титанат бария ВаТiO3 и большое количество сегнетоэлектриков, созданных на его основе.

Титанат бария отличается высоким значением диэлектрической проницаемости и резко выраженной ее зависимостью от температуры и напряженности электрического поля. Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля ε = f (~E) имеет нелинейный характер, следовательно, в конденсаторах из титаната бария имеет место нелинейная зависимость емкости от напряженности поля. Сегнетоэлектрики этого типа применяют для низкочастотных конденсаторов, обладающих большой удельной емкостью.

Нелинейная сегнетокерамика. Имеет более резко выраженную нелинейную зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, чем титанат бария. Эти свойства используют в специальных конденсаторах - варикондах, емкость которых зависит от приложенного напряжения. Конструктивно вариконды выполняют в виде плоских керамических конденсаторов – дисковых или пленочных.

Различают два вида нелинейности варикондов: эффективную и реверсивную.

Эффективная нелинейность варикондов - это изменение емкости в зависимости от амплитуды приложенного напряжения (синусоидального, импульсного или любой другой формы). Эта нелинейность существует лишь на низких частотах. Используют в стабилизаторах переменного напряжения, устройствах искрогашения для увеличения контрастности изображения индикаторов, телевизионных экранов.

Реверсивная нелинейность варикондов - это изменение емкости в переменном поле другим, управляющим электрическим полем.

Терморезистивная сегнетокерамика. Эту керамику можно отнести к полупроводникам. Но она обладает рядом свойств, не присущих обычным полупроводникам, например, позисторным эффектом, заключающемся в резком возрастании удельного сопротивления при повышении температуры. Позисторный эффект наблюдают только в определенном интервале температур вблизи точки Кюри. Он характерен для твердых растворов титаната бария - стронция, титанстаната бария и др.

Позисторы имеют номинальное сопротивление от 10 Ом до 10 кОм. Температурный интервал с наибольшим ТКр составляет около 30°С. Используют для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации радиосхем, в стабилизаторах тока и т. п.

Пьезоэлектрики – это твердые, анизотропные кристаллические вещества, поляризующиеся под действием механических напряжений.

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и электрической поляризации внутри его, происходящие в результате воздействия механического напряжения, называют пьезоэлектрическим эффектом.

Возникающая поляризация Р прямо пропорциональна приложенном механическому напряжению σ

Р = d σ,

где d - коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлектрическим модулем или пъезомодулем.

Пьезомодуль определяет поляризацию кристалла при заданном приложенном механическом напряжении. Поляризованность измеряют в Кл/м, а механическое напряжение – в Н/м, поэтому пьезомодуль измеряют в Кл/Н. Изменение знака σ (замена растяжения сжатием) приводит к переполяризации, т. е. изменению знака Р.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в изменении по линейному закону размеров диэлектрика в зависимости от величины напряженности электрического поля. Если пьезоэлектрик поместить в электрическое поле, то амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного поля; при совпадении частоты поля с собственной (резонансной) частотой пьезоэлектрика амплитуда приобретает максимальное значение. Следовательно, пьезоэлектрик можно представить в виде пьезоэлектрического резонатора, характеризуемого механической добротностью QM.

Пьезоэффект используют в технике для преобразования механических смещений или напряжений в электрические сигналя (звукосниматели, приемники ультразвука, датчики деформаций и др.). Обратный пьезоэффект используют для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука и др.).

Пьезокерамика

В зависимости от назначения пьезокерамические материалы подразделяют на четыре класса.

Материалы класса I применяют для изготовления высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения слабых механических колебаний.

Материалы класса II предназначены для пьезоэлементов, эксплуатирующихся в условиях сильных электрических полей или высоких механических напряжений, например в мощных источниках ультразвука, системах зажигания.

Материалы класса III применяют для изготовления пьезоэлементов с повышенной температурой и временной стабильностью частотных характеристик. Такие элементы используют, например, в фильтрах частотнозадающих генераторах.

Материалы класса IV используют для изготовления высокотемпературных пьезоэлементов.

К пьезокерамическим материалам относят три группы материалов: титанат бария и его производные, ниобат бария - свинца, цирконат-титаната свинца и его производные. Марки пьезокерамики обычно обозначают начальными буквами основных химических компонентов и порядковым номером. Например, Т - титанат, Ц - цирконий, Н - ниобий, С - свинец или стронций, Б -оарий, К - кальций, Л - лантан и т. д.; буквы ТБ обозначают титанат бария; ЦТС - цирконат-титаната свинца, НБС - ниобат бария-свинца.

Пьезокерамику из-за поликристаллической структуры трудно использовать или почти невозможно на частотах свыше 50 МГц ввиду высоких значений ε, tgδ и механических потерь. В ВЧ и СВЧ-диапазонах применяют только монокристаллические пьезоэлектрики, а именно кварц SiO2, ниобат лития, танталат лития, сфалерит ZnS, сульфид кадмия CdS, оксид цинка ZnО и др.

Кварц - широко распространенней в природе минерал. Кристалл кварца представляет собой гексагональную призму, увенчанную двумя пирамидами. Ось Z - оптическая, проходит вдоль кристалла через вершины пирамид. Три оси X, называемые электрическими, проходят через вершины шестиугольника в плоскости, перпендикулярной оси Z. Три оси Y, проходящие перпендикулярно сторонам того же шестиугольника, называют механическими.

Пластины, применяемые при изготовлении устройств, вырезают ориентированными относительно осей X,Y,Z. Срезы, перпендикулярные Z, не обладают пьезоэффектом. Продольный пьезоэффект имеется только вдоль оси X.

Кристаллы кварца обладают сильной анизотропией. Наряду с природным кварцем используют синтетический. Свойства кварца используют в технике ультра- и гиперзвуковых волн, для стабилизации и фильтрации радиочастот и для измерения механических величин (пьезометрия).

Электреты - это диэлектрики, длительно создающие в окружающем пространстве электростатическое поле за счет предварительной электризации или поляризации. Таким образом, электреты являются аналогами постоянных магнитов.

Электреты представляют собой смеси восков и смол, расплав которых охлаждают в постоянном электрическом поле. При застывании поверхность, обращенная к аноду, сохраняет отрицательный заряд, противоположная - положительный.

Электреты разрушаются при плавлении или воздействии переменного электрического поля, звука и поля высокой частоты.

Хранят органические электреты в закороченном состоянии (упакованными в фольгу). При неправильном хранении или при повышении влажности заряд быстро уменьшается.

В зависимости от способа формирования заряда различают термоэлектреты, фотоэлектреты, радиоэлектреты, электроэлектреты, трибоэлектреты.

Термоэлектретами принято называть электреты, получаемые охлаждением расплавленного или нагретого диэлектрика в сильном электрическом поле. После охлаждения диэлектрика в электрическом поле подвижность полярных молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и диэлектрик может длительно сохранять сформированную остаточную поляризацию и заряды.

Фотоэлектреты получают из материалов, обладающих фотопроводимостью (сера, сульфид кадмия, сульфид цинка и др.), при совместном воздействии электрического поля и световой энергии. С окончанием воздействия световой энергии носители разноименных зарядов оказываются «замороженными» у противоположных сторон диэлектрика, который становится электретом. Фотоэлектреты при условии их хранения в темноте способны удерживать заряды в течение нескольких месяцев.

Радиоэлектреты получают воздействием на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). В результате ударной ионизации поверхностного слоя или внедрения в поверхностный слой диэлектрика ускоренных заряженных частиц поверхность диэлектрика оказывается заряженной.

Электроэлектреты получают воздействием на диэлектрик только электрического поля при комнатной температуре. В зазоре между электродом и диэлектриком свободные носители заряда (ионы и электроны), ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая тем самым заряженный поверхностный слой.

Трибоэлектриками называют электреты, получаемые контактной электризацией, т. е. трением двух диэлектриков. Образование поверхностного заряда объясняется различной работой выхода электронов. При плотном контакте двух диэлектриков электроны диэлектрика с меньшей работой выхода переходят в диэлектрик с большей работой выхода.

Время, в течение которого значение стабилизированного заряда уменьшается в 2,72 раза, называется временем жизни электрета. Оно может составлять десятки и сотни лет.

В качестве электретных материалов могут быть использованы как органические, так и неорганические диэлектрики.

Природные электреты (канифоль, янтарь, эбонит и т.п.) в радиоэлектронике не применяются, так как у них малое время жизни, низкая стабильность заряда.

Из синтетических материалов применяют тонкие слабополярные или нейтральные полимерные пленки (полиэтилентетрафталат, поликарбонат, полипропилен). Применяют в качестве мембран в микрофонах, в вибропреобразователях.

Применяют также электреты из неорганических материалов (титаносодержащая керамика, ситаллы, различные стекла).

Электреты представляют собой источники постоянного электрического поля, в качестве которых они могут быть использованы в различных приборах. Например, в электростатических вольтметрах, элементов дискретной памяти, дозиметров проникающей радиации. Фотоэлектреты используют для световой записи информации на диэлектрическую пленку (подобно записи на магнитную пленку).

Тема 4.11 Диэлектрики для оптической генерации

Принцип действия квантовых приборов для генерации и усиления электромагнитного излучения основан на возбуждении атомов (молекул) от внешнего источника энергии (накачка) с последующим одновременным вынужденным излучением путем перехода атомов из возбужденного состояния с большой энергией в состояние с меньшей энергией.

В качестве активных элементов квантовых приборов наряду с полупроводниковыми материалами используют твердые (кристаллические и аморфные), жидкие и газообразные диэлектрики, содержащие активирующие примеси.

В качестве активного элемента твердотельных лазеров используют кристаллические диэлектрики. Наибольшее применение из монокристаллов нашли рубин, гранат и флюорит.

Рубин представляет собой кристалл Al2O3, в котором часть ионов алюминия замещена ионами хрома. В квантовых генераторах обычно используют бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0.05%, что соответствует концентрации активных частиц (ионов хрома).

Основная длина волны накачки составляет 0,560 мкм, а основная длина волны излучения - 0,6943 мкм. Бледно-розовый рубин имеет высокий квантовый выход - 70%, обладает механической прочностью, стойкостью к воздействию мощного излучения, а также возможностью выращивания крупных оптически однородных кристаллов.

Кроме рубина используют иттрийалюминиевый гранат, легированный неодимом и является одним из наиболее перспективных материалов с диной волны излучения 1,06 мкм.

Материалы для жидких лазеров. Они имеют существенное преимущество по сравнению с твердыми, поскольку позволяют создать любой объем активной среды, а от него зависит мощность излучения. Чем больше объем, тем выше предельная мощность. Другим важным преимуществом жидкой среды является отсутствие потерь излучения, обусловленных неоднородностью и дефектностью структуры активного вещества. Жидкие среды обладают постоянными оптическими характеристиками. Кроме того, они проще и дешевле по сравнению с твердыми.

В качестве активных сред в жидких лазерах используют растворы дикетонатов редкоземельных элементов (европия, тербия) в органических растворителях, растворы флюоресцирующих органических красителей, растворы неорганических соединений редкоземельных элементов.

Материалы для газовых лазеров. Основное отличие от твердотельных заключается в малой плотности газовой среды, вследствие чего энергетические уровни в спектре газов очень узкие. Малая плотность газовой среды обеспечивает и высокую оптическую однородность, пучок света в газе практически не рассеивается. Поэтому излучение газовых лазеров характеризуется высокой монохроматичностью и направленностью.

Однако малая плотность газовой активной среды ограничивает возможность получения больших мощностей излучения. В газовых лазерах в качестве активной среды используют пары меди, марганца, инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон), а чаще смеси газов (гелий - неон, гелий - пары кадмия, гелий - пары селена и др.), а также углекислый газ, аммиак.

Электрооптические материалы

Для эффективного использования оптического излучения лазеров и других генераторов света необходимо управлять этим излучением. Изменение основных параметров излучения: амплитуды, частоты, фазы и вектора поляризации осуществляется с помощью специальных устройств, называемых модуляторами. Принцип действия модуляторов основан на электрооптическом эффекте.

Электрооптический эффект заключается в изменении показателей преломления диэлектрика под воздействием электрического поля. Зависимость изменения показателей преломления от напряженности электрического поля может быть линейной и квадратичной, а соответственно материалы, в которых имеет место электрооптический эффект, подразделяются на материалы с линейным электрооптическим эффектом и материалы с квадратичным электрооптическим эффектом.

Материалы с линейным электрооптическим эффектом. Это кристаллы, не имеющие центра симметрии. Их используют широко в промышленности в качестве модуляторов лазерного излучения. Получили распространение дигидрофосфат калия, дидейтерофосфат калия, ниобат лития, танталат лития.

Кристаллы дигидрофосфата и дидейтерофосфата калия выращивают из пресыщенных водных растворов. Они достигают больших размеров и высокого оптического качества, стойки к лазерному излучению, обеспечиваю модуляцию и прохождение световых потоков свыше 3-1012 Вт/м2.

Кристаллы ниобата и титаната лития выращивают методом вытягивания из расплава. Они, по сравнению с предыдущими, боле устойчивы к воздействию внешней среды, требуют меньших являющих напряжений.

Материалы с квадратичным электрооптическим эффектом. Этот эффект характерен для кристаллов, имеющих центр симметрии, и для изотропных сред. Это кристаллы перовскитов: танталат-ниобата калия, тинтаната бария, а также некоторые жидкости: нитробензол, сероуглерод и др.

Материалы с динамическим электрооптическим эффектом рассеяния света.

Это материалы, у которых под воздействием внешнего электрического поля непрерывно хаотично изменяется показатель преломления диэлектрика. Это жидкие кристаллы.

Жидкокристаллическое состояние - это термодинамически устойчивое агрегатное состояние, при котором вещество находится в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и сохраняет анизотропию физических свойств твердого кристалла и текучесть жидкостей.

Существует лишь в интервале температур между температурой кристаллизации и температурой превращения вещества в изотропную жидкость. Образуются органическими соединениями, молекулы которых имеют удлиненную палочкообразную форму.

Применяют ЖК для изготовления медицинских термометров, датчиков температуры для контроля температуры перегрева деталей и узлов, СОИ в калькуляторах, часах, компьютерах, преобразователях невидимого инфракрасного излучения в видимое.

Тема 4.12 Конденсаторы

Конденсатор - это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком и предназначенный для использования его ёмкости.

Ёмкость конденсатора – есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

Классификация и система условных обозначений конденсаторов

Конденсатор - это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделённых диэлектриком и предназначенный для использования его ёмкости. Ёмкость конденсатора - есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

В качестве диэлектрика в конденсаторах используются органические и неорганические материалы, в том числе оксидные плёнки некоторых металлов.

В зависимости от назначения конденсаторы разделяются на две большие группы: общего и специального назначения.

Группа общего назначения включает в себя широко применяемые конденсаторы, используемые в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ней относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования.

Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся: высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и др.

В зависимости от способа монтажа конденсаторы могут выполняться для печатного и навесного монтажа, а также в составе микромодулей и микросхем или для сопряжения с ними.

Выводы конденсаторов для навесного монтажа могут быть жёсткие или мягкие, аксиальные или радиальные из проволоки круглого сечения или ленты, в виде лепестков, с кабельным вводом, в виде проходных шпилек, опорных винтов и т. п.

По характеру защиты от внешних воздействий конденсаторы выполняются: незащищёнными, защищёнными, неизолированными, изолированными, уплотнёнными и герметизированными.

Незащищённые конденсаторы допускают эксплуатацию в условиях повышенной влажности только в составе герметизированной аппаратуры.

Защищённые конденсаторы допускают эксплуатацию в аппаратуре любого конструктивного исполнения.

Неизолированные конденсаторы (с покрытием или без него) не допускают касаний своим корпусом шасси аппаратуры.

Изолированные конденсаторы имеют достаточно хорошее изоляционное покрытие и допускают касания корпусом шасси аппаратуры.

Уплотнённые конденсаторы имеют уплотнённую органическими материалами конструкцию корпуса.

Герметизированные конденсаторы имеют герметичную конструкцию корпуса, который исключает возможность сообщения окружающей среды с его внутренним пространством. Герметизация производится с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб.

По виду диэлектрика все конденсаторы можно разделить на группы: с органическим, неорганическим, газообразным и оксидным диэлектриком.

Конденсаторы с органическим диэлектриком

Эти конденсаторы изготовляют намоткой тонких длинных лент конденсаторной бумаги, плёнок или их комбинации с металлизированными или фольговыми электродами.

По назначению конденсаторы можно разделить на: низкочастотные и высокочастотные.

К низкочастотным плёночным относятся конденсаторы на основе полярных и слабополярных плёнок (бумажные, металлобумажные, полиэтилентерефталатные, комбинированные, лакоплёночные, поликарбонатные и полипропиленовые). Они способны работать на частотах до 104-105Гц при существенном снижении амплитуды переменной составляющей напряжения с увеличением частоты.

К высокочастотным плёночным относятся конденсаторы на основе неполярных плёнок (полистирольные и фторопластовые). Они допускают работу на частотах до 105-107Гц. Верхний предел по частоте зависит от конструкции обкладок, контактного узла и от ёмкости. К этой группе относят некоторые типы конденсаторов на основе слабополярной полипропиленовой плёнки.

Высоковольтные конденсаторы можно разделить на высоковольтные постоянного напряжения и импульсные.

В качестве диэлектрика высоковольтных конденсаторов постоянного напряжения используют: бумагу, полистирол, политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат и сочетание бумаги и синтетических плёнок.

Конденсаторы высоковольтные, импульсные делают на основе бумажного и комбинированного диэлектриков.

Основное требование к высоковольтным конденсаторам - это высокая электрическая прочность изоляции. Импульсные конденсаторы наряду с высокой электрической прочностью и сравнительно большими ёмкостями должны допускать быстрые разряды.

Дозиметрические конденсаторы работают в цепях с низким уровнем токовых нагрузок, поэтому они должны обладать малым саморазрядом, большим сопротивлением изоляции, а, следовательно, и большой постоянной времени.

Помехоподавляющие конденсаторы предназначены для ослабления электромагнитных помех в широком диапазоне частот. Они имеют малую индуктивность, в результате чего повышается резонансная и полоса подавляемых частот. Эти конденсаторы делают бумажные, комбинированные и плёночные.

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком

Конденсаторы с неорганическим диэлектриком можно разделить на три группы: низковольтные, высоковольтные и помехоподавляющие. В качестве диэлектрика в них используется керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика, слюда. Обкладки выполняются в виде тонкого слоя металла, нанесённого на диэлектрик путём непосредственной его металлизации, или в виде тонкой фольги.

Группа низковольтных конденсаторов включает в себя низкочастотные и высокочастотные конденсаторы.

По назначению они подразделяются на три типа:
Тип 1- конденсаторы, предназначенные для использования в резонансных контурах, где малые потери и высокая стабильность ёмкости имеют существенное значение.
Тип 2- конденсаторы, предназначенные для использования в цепях фильтров, блокировки и развязки или в других цепях, где малые потери и высокая стабильность ёмкости не имеют существенного значения.
Тип 3-керамические конденсаторы с барьерным слоем, предназначенные для работы в тех же цепях, что и второго типа, но имеющие меньшее значение сопротивления изоляции и большее значение тангенса угла диэлектрических потерь, что ограничивает область применения низкими частотами.

Слюдяные и стеклоэмалевые конденсаторы относятся к конденсаторам первого типа, стеклокерамические могут быть первого и второго типов, керамические - всех типов.

Высоковольтные конденсаторы большой и малой реактивной мощности

По назначению они могут быть 1 и 2 типов и так же, как низковольтные, они разделяются на высокочастотные и низкочастотные. Основным параметром является удельная энергия, поэтому керамику для них подбирают с большой диэлектрической проницаемостью. Для увеличения реактивной мощности выбирают керамику с малыми потерями, а конструкцию и выводы конденсаторов рассчитывают на возможность прохождения больших токов. Высоковольтные слюдяные конденсаторы делают фольговыми, т. к. они предназначены для работы при повышенных токовых нагрузках.

Помехоподавляющие конденсаторы разделяются на опорные и проходные, их основное назначение – подавление индустриальных и высокочастотных помех, создаваемых промышленными и бытовыми приборами, т. е. они являются фильтрами нижних частот.

Опорные конденсаторы - это конденсаторы, одним из выводов которых является опорная металлическая пластина с резьбовым креплением.

Проходные конденсаторы делают коаксиальными - один из, выводов которых представляет собой тонко несущий стержень, по которому протекает полный ток внешней цепи и не коаксиальными - через выводы которых протекает полный ток внешней цепи.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком
В качестве диэлектрика в них, используется оксидный слой, образуемый электрохимическим путём на аноде - металлической обкладке из некоторых металлов. В зависимости от материала анода оксидные конденсаторы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые.

Конденсаторы группы общего назначения имеют униполярную проводимость, их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде.

Неполярные конденсаторы могут быть включены в цепь постоянного и пульсирующего тока без учёта полярности, а также допускать смену полярности в процессе эксплуатации.

Высокочастотные конденсаторы широко применяются в источниках вторичного питания, в качестве накопительных и фильтрующих элементов, они работают в диапазоне частот пульсирующего тока от десятков до сотен Кгц.

Импульсные конденсаторы используются в цепях с относительно длительным зарядом и быстрым разрядом.

Пусковые конденсаторы используются в асинхронных двигателях, в которых ёмкость включается только на момент пуска двигателя.

Основные электрические параметры и характеристики конденсаторов

Номинальная ёмкость - ёмкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в нормативно-технической документации и является исходным для отчёта допускаемого отклонения.

Номинальное напряжение - значение напряжения, обозначенное на конденсаторе или указанное в НТД, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.
Амплитуда переменного напряжения не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности.

Тангенс угла потерь характеризует потери энергии в конденсаторе и определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определённой частоты.

Ток утечки – это ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках в установившемся режиме.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)
Величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью ёмкости от температуры и равная относительному изменению ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина), называется температурным коэффициентом ёмкости.

Диэлектрическая абсорбция конденсаторов
Явление, обусловленное замедленными процессами поляризации в диэлектрике, приводящее к появлению напряжения на электродах после кратковременной разрядки конденсатора, называется диэлектрической абсорбцией.

Специфические электрические параметры и характеристики подстроечных и вакуумных конденсаторов

Подстроечные и переменные конденсаторы наряду с основными параметрами, имеют дополнительные, учитывающие особенности их функционального назначения и конструктивное исполнение.
Вместо параметра номинальная ёмкость используются параметры максимальная и минимальная ёмкости. Это максимальное и минимальное значение ёмкости конденсатора, которое может быть получено перемещением его подвижной системы.

Момент вращения - минимальный момент, необходимый для непрерывного перемещения подвижной системы конденсатора.

Цикл перестройки ёмкости - перестройка ёмкости от минимальной до максимальной и обратно.

Износоустойчивость - это способность конденсатора сохранять свои параметры (противостоять изнашиванию) при многократных вращениях подвижной системы.

Электрическая прочность - способность конденсаторов выдерживать определённое время (до нескольких минут) приложенное к нему напряжение выше номинального без изменения его эксплуатационных характеристик и пробоя диэлектрика.

Система условных обозначений конденсаторов

Сокращенное условное обозначение конденсаторов в соответствии с ГОСТ 11076-69 и ОСТ 11.074.008-78 содержит три элемента.

Первый элемент (одна или две буквы) обозначает группу конденсаторов:

    • К - конденсатор постоянной емкости;

    • КТ - конденсатор подстроечный;

    • КП - конденсатор переменный;

    • КС - конденсаторная сборка.

Второй элемент – число, обозначающее разновидность конденсаторов: например,

1 – вакуумный; 2 – воздушный; 3 – с газообразным диэлектриком; 40 – бумажные на номинальное напряжение до 2 кВ с обкладками из фольги; 41 – бумажные на номинальное напряжение 2 кВ и выше с обкладками из фольги; 54 – металлические оксидные; 60 – воздушные; 61 – вакуумные; 71 – полистирольные; 72 – фторопластовые; 73 – полиэтилентерефталатные;

Третий элемент – порядковый номер конденсатора, присваиваемый при разработке, в состав которого может входить и буквенное обозначение:

П – для работы в цепях постоянного и переменного токов;

Ч – для работы в цепях переменного тока;

У – для работы в цепях постоянного тока и в импульсных режимах;

И – для работы в импульсных режимах.

Сокращенные условные обозначения и области применения конденсаторов приведены в таблице 1.

Полное условное обозначение состоит из следующих элементов:

Первый элемент – сокращенное обозначение;

Второй элемент – обозначения и значения основных параметров и характеристик, необходимых для заказа и записи в конструкторской документации (вариант конструктивного исполнения, номинальное напряжение, номинальная емкость, допускаемое отклонение емкости, группа и класс по температурной стабильности);

Третий элемент – обозначение климатического исполнения;

Четвертый элемент – обозначение документа на поставку (ТУ, ГОСТ).

Приведенная система не распространяется на условные обозначения старых типов конденсаторов, за основу которых брались различные признаки: конструктивные разновидности, технологические особенности, эксплуатационные характеристики, области применения и т.п., например:

КБГИ – конденсаторы бумажные герметизированные изолированные;
БМ – бумажный малогабаритный;
КД – керамический дисковый;;
КМ – керамический монолитный;
КСО – слюдянной опресованный;

СГМ – слюдяные герметизированные малогабаритные;
ЭТО – электролитические танталовые объёмно-пористые;

Параметры и характеристики, входящие в полное условное обозначение, указываются в следующей последовательности:
1. Обозначение конструктивного исполнения;
2. Номинальное напряжение;
3. Номинальная ёмкость;
4. Допускаемое отклонение ёмкости;
5. Группа и класс по температурной стабильности ёмкости;
6. Номинальная реактивная мощность;
7. Другие, необходимые дополнительные характеристики.

Пример полного условного обозначения: К75-10-250В-1,0 мкФ ±5%-2-ОЖО.484.465 ТУ соответствует комбинированному конденсатору К75-10 с номинальным напряжением 250 В, номинальной емкостью 1,0 мкФ и допустимым отклонением по емкости ±5%, всеклиматического исполнения В.

Маркировка конденсаторов

Существует два способа маркировки или обозначения на конденсаторах их значений и допусков. Одни из них – цветовой, второй – буквенно-цифровой. В цветовом коде используются четыре цветные полоски или точки.

1 и 2 полоса – номинальная ёмкость, пф;
3 полоса – отклонение номинальной емкости;
4 полоса – напряжение.

На конденсаторах достаточно большого размера обозначаются тип, номинальная емкость и допустимое отклонение емкости от номинальной в процентах, номинальное напряжение, маркировка завода изготовителя, месяц и год выпуска. Если конденсатор данного типа выпускаются только одного класса точности, то допуск не маркируют. На слюдяных и некоторых других конденсаторах указывают группу ТКЕ.
Для маркировки конденсаторов применяют обозначения, установленные ГОСТ 11076-69 (СТ СЭВ 1810-79).

В зависимости от размеров конденсатора применяются полные или сокращенные (кодированные) обозначения.

Полное обозначение номинальной емкости должно состоять из значения номинальной емкости по ГОСТ 2519-67 и обозначения единицы измерения.

Кодированное обозначение номинальной емкости должно состоять из трех или четырех знаков, включающих две или три цифры и букву.

В буквенно-цифровом коде для обозначения кратности используются буквы. На самих конденсаторах могут использоваться русские и латинские буквы для обозначения множителя величины емкости: П или р – пикофарады (10-12 Ф); Н или n – нанофарады (10-9 Ф); М или μ – микрофарады (10-6 Ф); И или m – миллифарады (10-3 Ф); Ф или F – фарады. Например, 1,5пФ – 1р5, 33,2 пФ – 33р2.

На практике применяется четыре способа кодировки номинальной емкости.

  1. Кодировка 3-мя цифрами

Первые две цифры указывают на значение емкости в пикофарадах (пф), последняя – количество нулей. Когда конденсатор имеет емкость менее 10 пФ, то последняя цифра может быть "9". При емкостях меньше 1,0 пф первая цифра "0". Буква R используется в качестве десятичной запятой. Например, код 010 равен 1,0 пф, код 0R5 – 0,5 пФ.

  2. Кодировка 4-мя цифрами

Возможны варианты кодирования четырехзначным числом. Но и в этом случае последняя цифра указывает количество нулей, а первые три – емкость в пикофарадах (pF).

Примеры:

Маркировка ёмкости в микрофарадах

Вместо десятичной точки может ставиться буква R.

4. Смешанная буквенно-цифровая маркировка ёмкости, допуска, ТКЕ, рабочего напряжения

В отличие от первых трех параметров, которые маркируются в соответствии со стандартами, рабочее напряжение у разных фирм имеет различную буквенно-цифровую маркировку.

Кодированные обозначения допускаемого отклонения емкости приведены в таблице 3. Например, емкость 1,5 мкФ с допустимым отклонением ±20% сокращенно обозначается 1M5B.

Допус-тимое отклонение

%

Кодированное обозначение

Допус-тимое отклонение

%

Кодированное обозначение

Допустимое отклонение

%

Кодированное обозначение

новое

старое

новое

старое

новое

старое

±0.001

E

-

±0.25

C*

-

±30

N

Ф

±0.002

L

-

±0.5

D*

Д

-10...+30

Q

-

±0.005

R

-

±1.0

F*

Р

-10...+50

T

Э

±0.01

P

-

±2.0

G

Л

-10...+100

Y

Ю

±0.02

U

-

±5.0

J

И

-20...+50

S

Б

±0.05

X

-

±10

K

С

-20...+80

Z

А

±0.1

B*

Ж

±20

M

В

+100

-

Я

Таблица 4.2 – Кодированное обозначение допустимых отклонений емкости от номинальных значений

*

Допустимые отклонения емкости, выраженные в пикофарадах, кодируются такими же буквами.

Таблица 4.3 – Кодированное обозначение номинального напряжения конденсаторов

Номиналь-ное напряжение, B

Кодированное обозначение

Номинальное напряжение, B

Коди-рованное обозначение

Номиналь-ное напряжение, B

Кодированное обозначение

1.0

I

25

G

160

Q

1.6

R

32

H

200

Z

2.5

M

40

S

250

W

3.2

A

50

J

315

X

4.0

C

63

K

350

T

6.3

B

80

L

400

Y

10

D

100

N

450

U

16

E

125

P

500

V

20

F

 

 

 

 

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) - характеризует относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей на 1º С.
Знак ТКЕ может быть отрицательным (обозначается буквой "М"), положительным (П), близким к нулю (МП). Буква "Н" в условном обозначении группы обозначает, что для этих конденсаторов ТКЕ не нормируется. Следующие за буквой "Н" цифры, указывают на предельно допустимые изменения емкости в интервале рабочих температур.

Примечания:

  1. Кодированное обозначение номинальной емкости и допустимых отклонений емкости маркируют на конденсаторе одной строчкой без разделительных знаков. На малогабаритных конденсаторах обозначение допустимых отклонений емкости может быть в другой строке (под обозначением номинальной емкости).

  2. Кодированные обозначения других данных проставляются после буквы, обозначающей допустимые отклонения емкости, в порядке, установленном ГОСТ или ТУ на конкретные конденсаторы.

На корпусе конденсатора может указываться также кодированное обозначение даты изготовления и знак завода – изготовителя.

Таблица 4.4 – Кодированное обозначение даты изготовления

Год

Код

Год

Код

Год

Код

1983

R

1991

В

1999

L

1984

S

1992

С

2000

M

1985

Т

1993

D

2001

N

1986

U

1994

E

2002

P

1987

V

1995

F

2003

R

1988

W

1996

H

2004

S

1989

X

1997

J

2005

T

1990

A

1998

K

2006

U

Месяц

Код

Месяц

Код

Месяц

Код

Январь

1

Май

5

Сентябрь

9

Февраль

2

Июнь

6

Октябрь

0

Март

3

Июль

7

Ноябрь

N

Апрель

4

Август

8

Декабрь

D

Контрольные вопросы

  1. Назовите основные функции, выполняемые пассивными диэлект­риками в электронной аппаратуре. Что понимают под активными ди­электриками?

  2. Какие вещества называют полимерами? Чем отличается реакция полимеризации от реакции поликонденсации? Приведите пример ве­ществ, получаемых по реакции того и другого типа.

  3. Объясните различие свойств линейных и пространственных поли­меров. Приведите примеры таких материалов. Какими особенностями химических связей можно объяснить гибкость линейных полимеров?

  4. Объясните взаимосвязь между симметрией в строении мономерных звеньев молекулярной цепи и электрическими свойствами полимеров.

  5. Укажите различия в свойствах полиэтилена низкого и высокого дав­лений.

  6. Почему полистирол проявляет неполярные свойства, несмотря на отсутствие симметрии в строении мономерных звеньев?

  7. Почему кремнийорганические полимеры обладают более высокой стойкостью к окислению и более высокой термостойкостью по сравне­нию с полимерами на основе углеводородов?

  8. К какому классу диэлектриков (по виду поляризации) относят слоистые пластики? Можно ли эти материалы использовать в диапазоне радиочастот? Какой из слоистых пластиков является наилучшим мате­риалом для изготовления оснований печатных плат?

  9. Какие вещества легко образуют стеклообразное состояние?

  10. Объясните влияние добавок щелочных оксидов на электрические свойства и технологические характеристики силикатных стекол.

  11. Как подразделяются и маркируются электровакуумные стекла? Ка­кими особыми свойствами обладает молибденовое стекло, и какие основные компоненты входят в его состав?

  12. В чем сходство и отличие между стеклом и ситаллом? Какова технология изготовления ситаллов и для каких целей они применяются? Какие вещества используются в качестве каталитических добавок при получении термоситаллов?

  13. Охарактеризуйте основные операции технологического цикла при изготовлении керамических диэлектриков. Каковы достоинства керамического производства?

  14. Каковы области применения высокочасточной установочной керамики? Какой из высокочастотных керамических диэлектриков обладает наименьшей абразивностью? Какими другими достоинства обладает этот материал?

  15. Какие диэлектрики называют активными? Каким образом клас­сифицируют активные диэлектрики по виду управляющего воздействия?

  16. Какая электрическая упорядоченность свойственна сегнетоэлектрикам? Почему сегнетоэлектрики разбиваются на домены?

  17. Что называют сегнетоэлектрической точкой Кюри?

  18. Охарактеризуйте различия свойств сегнетоэлектрических материалов, относящихся к группам ионных и дипольных кристаллов. Привсдите примеры таких соединений.

  19. Укажите достоинства и недостатки сегнетокерамических конденсаторов. Каким образом повышают температурную стабильность диэлекрической проницаемости у сегнетокерамических материалов?

  20. Что называют варикондами и в каких устройствах их применяют?

  21. Каким образом сегнетоэлектрикам придают полупроводниковые свойства? В чем заключается позисторный эффект?

  22. Что понимают под прямым и обратным пьезоэффектами? Почему пьезоэффект проявляет­
    ся только при переменных внешних воздействиях?

  23. Что называют пьезокерамикой? Каковы ее преимущества перед монокристаллами пьезоэлектриков? Укажите наиболее характерные при­менения пьезокерамических преобразователей.

  24. Что называют пироэлектрическим эффектом? В каких материалах он наблюдается? Какими параметрами характеризуют качество пироэлек­трических материалов?

  25. Поясните принцип работы электрооптического модулятора света. Какой поляризацией обладает световой луч, выходящий из кристалла?

  26. В каких материалах сильно выражены нелинейные оптические эффекты?

  27. Сформулируйте основные требования к диэлектрику как материалу для твердотельных лазеров. Какие элементы и почему наиболее часто используются в качестве активаторов люминесценции в твердотельных лазерах?

  28. Какова природа электретного состояния в диэлектриках? Какие факторы определяют время жизни электретов?

  29. Назовите другие применения электретов.

Раздел 5 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тема 5.1 Классификация магнитных материалов

Магнитные вещества

Все вещества в природе являются магнитными, т. е. они взаимодействуют с внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены наличием магнитных моментов у частиц вещества (атомов).

Суммарный магнитный момент атомов в единичном объеме материала называется намагниченностью.

По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. Сила взаимодействия вещества с магнитным полем оценивается безразмерной величиной – магнитной восприимчивостью км:

км = М/Н,

где М – намагниченность вещества под действием магнитного поля, А·м-1; Н – напряженность этого поля, А·м-1.

Слабомагнитные вещества характеризуются величиной км <<1, т. е. изменение намагниченности вещества под действием внешнего поля очень незначительно. К ним относятся диамагнетики и парамагнетики.

 

Рисунок 5.1 - Ориентация магнитных моментов соседних атомов при 0°К в веществах разной магнитной природы

  Диамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость меньше 1. Диамагнетики характеризуются тем, что ослабляют внутри себя то магнитное поле, которое действует извне. Это происходит вследствие того, что их намагниченность направлена против внешнего поля (км < 0). К этим веществам относят большинство органических соединений и ряд металлов: медь, серебро, золото, свинец и др.

Атомы и молекулы не имеют магнитного момента в отсутствии магнитного поля, а намагниченность создается только за счет действия магнитного поля на электроны молекул.
    Парамагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость больше 1. Парамагнетики отличаются тем, что при помещении этих веществ в магнитное поле они усиливают его внутри себя (км>0)..Эти вещества содержат атомы и электроны, имеющие собственный магнитный момент. Парамагнетиками являются кислород, магний, натрий, кальций, титан, палладий, алюминий, платина и др.
      С точки зрения технического применения представляют интерес сильномагнитные вещества (км >>1), к которым относятся ферромагнетики и ферримагнетики.

Ферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше, чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов, хаотически ориентированных в пространстве.

Ферромагнетики характеризуются, во-первых, способностью сильно намагничиваться даже в слабых полях (км =10 3- 105). Вторая их способность состоит в том, что выше определенной температуры, называемой температурой Кюри Тк, ферромагнитное состояние вещества переходит в парамагнитное, т. е. магнитная восприимчивость снижается на три-четыре порядка. К ферромагнетикам относят: железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца и др.

Ферримагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость много больше, чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве. При этом суммарный магнитный момент не равен нулю.  

Ферримагнетики – это вещества, получившие название от сложных оксидных материалов – ферритов (MeO·Fe2O3). Магнитные свойства их тесно связаны с взаимным расположением в кристаллической решетке ионов железа и металла. Они имеют свойства, во многом подобные свойствам ферромагнетиков, но значительно уступают им по величине предельной намагниченности.

Антиферромагнетики - вещества, имеющие магнитную проницаемость немного больше чем 1, которая создается спонтанной намагниченностью кристаллических решеток, попарно антипараллельно ориентированных в пространстве и скомпенсировавших друг друга. Примеры ферримагнетиков и антиферромагнетиков - ферриты, соединения типа Fe2O3 c MeO, где Ме - двухвалентный металл. 

Основные характеристики магнитных материалов

Магнитные свойства характеризуются кривой намагничивания, петлей гистерезиса, магнитной проницаемостью, потерями энергии при перемагничивании.

Кривая намагничивания показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего магнитного поля Н.

Магнитная индукция материала определяется по формуле

В = μ0 М,

где μ0 - магнитная постоянная (μ0 =4π * 10-7 Гн/м);

М – намагниченность, А/м.

Основная кривая намагничивания имеет ряд характерных участков. Процесс намагничивания материала зависит от величины приложенного поля. В слабых полях происходит процесс роста объема тех магнитных доменов, намагниченность которых наиболее выгодно ориентирована по отношению к действующему полю. Если напряженность поля уменьшить до начального значения, то исходное распределение объемов доменов восстанавливается. Таким образом, на этой стадии процесс намагничивания обратим и его называют обратимым процессом смещения границ доменов (участок 1).

Рисунок 5.2 – Кривые намагничивания и размагничивания (а), предельная петля гистерезиса (б) и магнитная энергия (в).

При усилении поля картина намагничивания меняется: векторы намагниченности всех доменов постепенно, по мере усиления поля, поворачиваются в направлении поля в энергетически более выгодное положение. В этом процессе участвует преобладающая часть доменов, поэтому намагниченность образца изменяется значительнее и второй участок кривой намагничивания идет более круто по сравнению с первым. На участке 2 происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля (см. рис.5.2, а). При возвращении к начальному значению поля доменная структура уже не возвращается к исходному состоянию, и образец сохраняет какую-то намагниченность в направлении поля. Второй этап намагничивания происходит необратимо, и его называют необратимым процессом смещения границ доменов.


Рисунок 5.3 Схематическое изображение ориентации спинов в доменах при намагничивании ферромагнетика. 

При дальнейшем росте напряженности поля (третий участок на рис. 5.2) происходит полный поворот векторов намагниченности доменов в направлении поля, называемый процессом вращения. Этот процесс заканчивается состоянием технического насыщения намагниченности материала, когда все векторы намагниченности доменов ориентированы вдоль направления поля.

На процесс намагничивания оказывают влияния такие явления, как магнитострикция, механические напряжения, наличие немагнитных включений, неоднородность и ряд других факторов.

Магнитострикцией называют явление изменения линейных размеров магнитного материала при его намагничивании. Количественной характеристикой величины магнитострикции материала является, например, константа λs, называемая магнитострикционной деформацией насыщения:

λs = Δls /l0,

где Δls изменение длинны образца l0 в направлении поля при увеличении его напряженности от нуля до величины Hs, вызывающей техническое насыщение.

Магнитные свойства материалов

Намагничивание постоянным полем. При циклическом изменении напряженности магнитного поля от 0 до +Нs, от +Нs до –Нs и снова до +Нs кривая изменения индукции (кривая перемагничивания) имеет форму замкнутой кривой – петли гистерезиса. Для слабых полей петля имеет вид эллипса. При увеличении значения Н1 получим серию заключенных одна в другую петель гистерезиса, пока не дойдем до предельной петли гистерезиса – петля, полученная при условии насыщения намагничивания. Является важной технической характеристикой магнитного материала. Предельная петля гистерезиса характеризуется максимальным достигнутым значением индукции Bs, называемым индукцией насыщения. При уменьшении напряженности от +Н до 0 магнитная индукция сохраняет остаточную магнитную индукцию Вс. Чтобы получить Вс = 0, необходимо приложить противоположно направленное размагничивающее поле определенной напряженности –Нс (коэрцитивная сила материала) и т.д.

Площадь гистерезисной петли зависит от свойств материала, его геометрических размеров и частоты перемагничивания.

По предельной петле гистерезиса определяют характеристики магнитных материалов: индукцию насыщения, остаточную индукцию, коэрцитивную силу.

Магнитная проницаемость. Для характеристики поведения магнитных материалов в поле с напряженностью Н пользуются понятиями абсолютной проницаемости μа, измеряемой в Гн/м, и относительной μ магнитной проницаемости (магнитной постоянной μ0, равной 4π *10-7Гн/м):

μа = В/Н; μ = В/( μ0Н) = μа 0

Относительную магнитную проницаемость материала μ получают по основной кривой намагничивания как отношение индукции В к соответствующему значению напряженности поля μ0Н.

Намагничивание переменным током. При намагничивании материала переменным полем петля гистерезиса расширяется, увеличивая свою площадь.

Магнитная проницаемость всех ферромагнитных материалов зависит от температуры и имеет максимальные значения при температурах, близких к точке Кюри Тk. При температурах, более высоких, чем Тk, материал перестает быть ферромагнитным.

Потери энергии при перемагничивании. Потери энергии, возникающие при перемагничивании магнитных материалов, выделяются в материале в виде тепла. Они складываются из потерь на гистерезис и динамических потерь. Динамические потери вызываются вихревыми токами и частично магнитной вязкостью (магнитным последействием).

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания для каждого материала могут быть определены по площади статической петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи зависят не только от магнитных, но и от электрических свойств материала (удельного электрического сопротивления), а также от формы и конструкции магнитного сердечника.

Дополнительные потери, вызванные магнитной вязкостью, определяют обычно как разность между полными потерями Р и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

Рд = Р – (Ргв).

Классификация магнитных материалов

Исходя из различий в коэрцитивной силе принято разделение магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые. Свойствами магнитомягких материалов является малое значение коэрцитивной силы, в связи, с чем они намагничиваются до насыщения даже в слабых магнитных полях. Они обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание, Нс < 800А/м.

Магнитотвердые материалы (для постоянных магнитов) обладают высокими значениями коэрцитивной силы, большой удельной энергией. Эта энергия пропорциональна произведению остаточной индукции на величину коэрцитивной силы, Нс > 4кА/м.

Магнитомягкие, т. е. легко намагничивающиеся материалы, имеют узкую петлю гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции.

Магнитотвердые материалы намагничиваются с трудом, но способны длительное время сохранять сообщенную им энергию. Для них характерна широкая петля гистерезиса большой площади, служат эти материалы для изготовления постоянных магнитов.


Рисунок 5.4 – Пологая (а), крутая (б) и прямоугольная (в) петли гистерезиса

Тема 5.2 Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы используются в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.

Делятся на магнитомягкие материалы для низкочастотных магнитных полей и материалы для радиочастот.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях применяют металлические магнитомягкие материалы: листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы (пермаллои). Эти материалы должны обладать малой коэрцитивной силой, высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями при перемагничивании.

Основным видом потерь в магнитомягких материалах являются потери на вихревые токи. Уменьшение потерь достигается снижением толщины отдельных листов, из которых собирают магнитопровод и применением магнитных материалов с повышенным удельным сопротивлением. Кроме того, отдельные листы магнитопровода изолируют друг от друга, что препятствует сложению отдельных вихревых токов и приводит к снижению общих тепловых потерь.

Электротехнические стали

Применяют две основные разновидности магнитомягких электротехнических сталей: низкоуглеродистые стали и кремнистые стали.

Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь (технически чистое железо). Она выпускается в виде листов, толщиной от 0,2 мм до 4 мм, содержит не выше 0,1% углерода и не выше 0,6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости mmax ~ 4000, коэрцитивной силы Нс~ 65-100 А/м. Выпускается следующих марок: Э, ЭА, ЭАА, ЭП355,ЭП620. В наибольшей степени ухудшают магнитные свойства материала примеси углерода и серы, поэтому их содержание не должно превышать сотых долей процента.

Конструкцию магнитопроводов из низкоуглеродистой стали выбирают в зависимости от частоты перемагничивающего поля. Детали магнитопроводов, работающие в постоянных магнитных полях, обычно изготавливают из массивных заготовок низкоуглеродистой стали. Этот материал отличается низкой стоимостью, технологичностью, легко обрабатывается и штампуется, обладая в тоже время сравнительно высокими магнитными свойствами. В переменных магнитных полях из-за низкого удельного электрического сопротивления в этих сталях возникают большие потери на вихревые токи, особенно при больших значениях индукции. Поэтому низкоуглеродистые стали применяют в слабых магнитных полях. Из них изготавляют сердечники трансформаторов, детали реле, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных измерительных приборов, магнитные экраны.

Кремнистые электротехнические стали. По ГОСТу – электротехническая тонколистовая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Для уменьшения потерь на вихревые токи в листах низкоуглеродистой стали повышают ее удельное электрическое сопротивление. При легировании такой стали кремнием, последний образует с железом твердый раствор и повышает сопротивление стали в 2-6 раз.

Легирование кремнием улучшает магнитные свойства стали: снижается ее магнитострикция, сталь приобретает более крупнозернистую структуру, что приводит к увеличению магнитной проницаемости стали, снижению коэрцитивной силы и потерь на перемагничивание.

Выпускается свыше 35 марок кремнистых электротехнических сталей. Кремнистые стали изготовляют горячей и холодной прокаткой. Буквы и цифры в обозначениях марок кремнистой стали означают: Э – электротехническая сталь, первая цифра – группа стали по содержанию кремния:

  • 1 – слаболегированная;

  • 2 – среднелегированная;

  • 3 – повышеннолегированная;

  • 4 – высоколегированная.

Вторая цифра указывает на гарантированные электромагнитные свойства (Э11 – Э13: Э41-Э43 и т.д.).

По этому признаку различают три группы сталей:

  • Стали, предназначенные для работы в сильных магнитных полях при частоте 50 Гц. В этом случае цифры означают: 1 – нормальные удельные потери, 2 – пониженные, 3 – низкие.

  • Стали, предназначенные для работы в средних полях при частоте перемагничивания 400 Гц, маркируются цифрой 4, которая означает нормальные удельные потери.

  • Стали, предназначенные для работы в слабых (цифры 5, 6) или средних полях (цифры 7, 8).

В этом случае цифры означают:

  • 5 и 7 – гарантированное значение магнитной проницаемости;

  • 6 и 8 – повышенное значение магнитной проницаемости.

Третья цифра в обозначении марки стали показывает степень текстурованности стали: 0 - означает текстурованную холоднокатаную сталь; 00 – малотекстурованную холоднокатаную сталь. Текстурованные стали магнитно анизотропные.

Примеры марок сталей: Э11,Э23,Э44, Э41, Э48, Э310, Э380.

Железоникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритных силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.

Сплавы железа с никелем, называемые пермаллоями, обладают при определенном соотношении компонентов высокими магнитными свойствами. Для сплавов этого состава характерны наивысшие значения магнитной проницаемости, минимальные значения коэрцитивной силы. Наибольшими значениями начальной и максимальной магнитных проницаемостей обладают сплавы, содержащие 70-80% Ni (высоконикелевые сплавы), второй, меньший, максимум наблюдается, если сплав содержит 40-50% Ni (низконикелевые сплавы). По сравнению с электротехническими сталями магнитная проницаемость железоникелевых сплавов в несколько сотен раз выше как в постоянных, так и в переменных магнитных полях. Индукция насыщения высоконикелевых сплавов примерно в 2 раза ниже, чем у электротехнической стали, и в 1,5 раза ниже, чем у низконикелевых сплавов. Отсюда следует, что для магнитопроводов мощных силовых трансформаторов и мощных магнитопроводов других назначений не следует использовать высоконикелевые сплавы.

Удельное электрическое сопротивление низконикелевых сплавов примерно в 2 раза выше, чем у высоконикелевых. Это позволяет использовать низконикелевые сплавы на более высоких частотах.

Большим недостатком всех железоникелевых сплавов является их высокая чувствительность к механическим воздействиям.

Промышленность выпускает свыше 30 марок этих сплавов.

Все марки железоникелевых сплавов разделены на 4 группы:

  1. Нелегированные низконикелевые сплавы 45Н и 50Н с содержанием 45 и 50% никеля (Н) соответственно.

  2. Низконикелевый сплав 50НХС, легированный хромом (Х) и кремнием (С).

  3. Сплавы, обладающие магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса, 50НП, 65НП, 34НКМП с содержанием никеля 50, 65 и 34% соответственно, но сплав 34НКМП легирован кобальтом (К) и молибденом (М). Буква П означает, что в результате особой технологии изготовления и термической обработки сплав может обладать прямоугольной петлей гистерезиса.

  4. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью (Д).

Введение легирующих добавок повышает проницаемость сплавов до значений μн = 100 000, μmax = 600 000 – 1500 000, снижает Нс до 0,2-0,3 А/м.

Славы поставляют в виде горячекатаных листов, прутков и холоднокатаных лент толщиной от 2,5 мм до нескольких мкм. Сплавы поставляют в неотожженном виде. Режимы термообработки сплавов при температуре 1000-1200оС.

Области применения основных марок сплавов в приборостроении:

  • сплав 50Н для изготовления ленточных, витых и штампованных магнитопроводов малогабаритных силовых трансформаторов и трансформаторов звуковых частот, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих в широком диапазоне частот при повышенных магнитных индукциях без подмагничивания;

  • сплав 50НХС для изготовления магнитопроводов аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающих без подмагничивания и импульсных трансформаторов;

  • сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД для магнитопроводов малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле магнитных экранов, магнитных усилителей, бесконтактных реле и т.п.

Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

Ферриты, их параметры и получение

При повышении частоты перемагничивания до десятков мегагерц (диапазон радиочастот) потери на вихревые токи у магнитомягких сплавов настолько возрастают, что их использование становится неэффективным. Эти потери снижаются при увеличении электрического сопротивления материала и уменьшении его индукции. Такими свойствами – малым значением В и высоким значением ρ обладают неметаллические магнитные материалы: ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием смеси оксида железа Fe2O3 с оксидами металлов. По электропроводности относятся к оксидным полупроводникам и имеют удельное сопротивление до 1016 Ом·м.

Ферриты являются химическим соединением оксида железа с оксидами двухвалентных металлов. Могут быть получены различными способами, но освоена промышленностью пока только простая технология термического спекания оксидов. Составленную композицию оксидов подвергают первому помолу в шаровых или вибромельницах до получения однородной массы.

При последующем предварительном обжиге получают массу с частичным или полным образованием феррита.

Второй помол позволяет получить более измельченную и однородную массу, которую используют при производстве изделий.

Формование ферритовых изделий производят прессованием деталей на гидравлических прессах в стальных формах при давлении (1-3)·108 Па или методом экструзии (выдавливания) стержней, трубок через мундштук. Более сложные изделия получают методом горячего литья под давлением.

Завершающей операцией является обжиг (обычно на воздухе), приводящий к спеканию изделия и завершению процесса ферритизации, т. е. образования единого химического соединения различных оксидов.

Ферриты выпускаются: магнитомягкие, магнитотвердые, для СВЧ-диапазона, с прямоугольной петлей гистерезиса и др.

По составу ферриты могут быть одинарными (моноферриты), двойными (биферриты) и многокомпонентными (полиферриты). Наибольшее распространение получили биферриты: марганцево-никелевые, никелево-цинковые, литиево-цинковые.

Марганцево-никелевые обладают следующими свойствами:

  • высокое значение μн = 40 000;

  • малые потери на перемагничивание до частот 108 Гц.;

  • низкая остаточная и относительно большая максимальная индукция;

  • более высокая индукция, большая температура Кюри и меньшее значение температурного коэффициента магнитной проницаемости по сравнению с марганцево-цинковыми ферритами.

Применяют для изготовления сердечников импульсных трансформаторов с узким фронтом импульса и для сердечников аппаратуры дальней связи.

Никелево-цинковые обладают следующими свойствами:

  • малые потери и низкие значения начальной μн в широком интервале температур;

  • высокая временная стабильность μн (составляет десятые доли процента в год);

  • μ зависит от температуры, частоты, величины подмагничивающего поля;

  • μ не зависит от механических воздействий;

  • свойства зависят от состава и технологии изготовления.

Различают четыре группы.

Материалы первой группы с высокой μ и узким диапазоном рабочих температур применяют для изготовления сердечников, работающих при частотах в несколько сот кГц.

Материалы второй группы со средним значением μ, меньшими потерями на перемагничивание, более высоким ρ используют для изготовления сердечников катушек постоянной и переменной индуктивностей (вариометров) и магнитных антенн на частотах до нескольких мегагерц.

Ферриты третьей группы с низким значением μ, высокой т. Кюри и температурным диапазоном применяют на частотах несколько десятков мегагерц.

Ферриты четвертой группы со сверхнизким значением μ, большим ρ, незначительными потерями на перемагничивание применяют для изготовления сердечников высокочастотных катушек индуктивности с частотами до 200 МГц.

Литиево-цинковые ферриты обладают самым низким ТКμ; малыми потерями на вихревые токи до частот до 2 *108 ГЦ; гистерезисными потерями, большими чем у других ферритов. Сердечники контурных катушек из этих ферритов имеют большую добротность по сравнению с другими магнитомягкими материалами.

На основе ферритов реализован перспективный тип элементов – многофункциональные магнитные радиокомпоненты, осуществляющие одновременно трансформацию, стабилизацию, модуляцию и другие виды преобразования электрического сигнала.

Магнитодиэлектрики

Представляют собой пластмассу, состоящую из порошка магнитного материала с малой величиной коэрцитивной силы, причем частицы материала электрически изолированы друг от друга диэлектриком. Основными потерями в них являются потери на магнитное последействие, превышающее в 10-30 раз остальные виды потерь.

Относятся к высокочастотным магнитным материалам, характерной особенностью которых является более высокая стабильность магнитных свойств и, в частности, стабильность магнитной проницаемости при изменении внешнего магнитного поля.

Технология производства сходна с технологией получения пластмасс: получение ферромагнитного порошка, смешивание ферромагнитных порошков и диэлектрика, прессования и термообработки. В качестве диэлектрика применяют бакелит, полистирол, каучуки и др., с помощью термообработки стабилизируют параметры, для чего магнитодиэлектрики выдерживают при повышенных температурах в течение определенного времени. В результате получают изделия более высоких классов точности, чем изделия из ферритов с меньшими затратами. Однако по ряду параметров они уступают ферритам.

В промышленности применяют магнитодиэлектрики на основе альсифера, легированных железоникелевых сплавов, карбонильного железа.

Магнитодиэлектрики на основе альсифера. Альсифер – это тройной сплав алюминия (аль-), кремния (-си) и железа (-фер). Он нековок, хрупок, тверд. Для магнитодиэлектриков применяют сплавы с содержанием кремния 9-11% и алюминия 7,5%, имеющие магнитные параметры: μн=30 000 – 35 000, μmax=120 000, Нс=1,8 А/м при ρ=0,8 мкОм·м. Альсифер дешевый, недефицитный материал. Изделия получают только методом фасонного литья, так как он механически не обрабатывается. Изменяя содержание кремния и алюминия можно регулировать величину ТКμ.

Применяют для изготовления деталей, работающих в постоянных магнитных полях (экраны, детали магнитопроводов).

Магнитодиэлектрики на основе железоникелевых сплавов отличаются от альсиферов высокими значениями μн=200-250 и пониженным значением ТКμ. Исходным сырьем служит пермаллой 79НМ. Присадку серы вводят для придания пермаллою хрупкости, после чего он измельчается до частиц размером в несколько мкм.

Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа. Исходным сырьем служит пентакарбонил железа Fe(CO)5. имеют широкий диапазон частот; минимальную величину магнитных потерь; высокую временную стабильность; высокую влагопоглощаемость, поэтому сердечники должны герметизироваться. Промышленность выпускает два класса карбонильных порошков: для радиоаппаратуры – класса «Р» и для проводной связи – класса «П». Применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности фильтров, контуров.

.

Тема 5.3 Магнитотвердые материалы

Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются: Нс, Вr и максимальная удельная энергия, отдаваемая во внешнее пространство wA. Магнитная проницаемость у этих материалов значительно меньше, чем у магнитомягких. Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе, например в виде тороидального сердечника, практически не отдает энергию во внешнее пространство. Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе делают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации.

Удельная энергия магнитного поля в единице объема, выраженная в Дж/м3, определяется формулой

w = BH/2.

Это выражение справедливо и для воздушного зазора в магнитном материале.

Параметр максимальная удельная магнитная энергия – является важнейшим при оценке качества магнитотвердых материалов.

Вопрос стабильности свойств магнитов в ряде случаев имеет важное значение. Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается (старение магнита). Это явление может быть обратимым и необратимым. Обратимое старение происходит вследствие механических воздействий (ударов, толчков), резких колебаний температуры, действия внешних постоянных полей. После вторичного намагничивания свойства магнита восстанавливаются.

Необратимое старение связано с изменением структуры магнитного материала. Оно не восстанавливается при повторном намагничивании.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения классифицируют:

1) литые – на основе сплавов железо-никель-алюминий и железо-никель-алюминий-кобальт;

2) порошковые, изготовляемые путем прессования с последующей термообработкой;

3) прочие, имеющие ограниченное применение, к которым относят: пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты, магнитные носители информации.

По назначению магнитотвердые материалы различают: для постоянных магнитов, материалы для записи и хранения информации.

Литые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al(Co)

Эти материалы являются основными промышленными материалами для изготовления постоянных магнитов.

Сплавам этой системы свойственно высококоэрцитивное состояние, достигаемое за счет механизма дисперсионного твердения, которое происходит при охлаждении сплава от высоких температур до температур начала распада.

Маркировка этих материалов содержит буквы Ю и Н, соответствующие наличию в них алюминия и никеля. Для улучшения магнитных свойств их дополнительно легируют медью, кобальтом, титаном или ниобием, и в название марки добавляется соответствующая буква Д, К, Т, Б.

Механическая обработка литых магнитов практически исключена (лишь шлифовка с применением алмазного инструмента).

Бескобольтовые сплавы ЮНД, ЮНТ являются самыми дешевыми, но их магнитные свойства невысоки.

Кобальтовые сплавы ЮНДК15 и ЮНДК18 используют, когда необходимы более высокие магнитные свойства, одинаковые во всех направлениях.

Порошковые магнитотвердые материалы

Для изготовления миниатюрных постоянных магнитов достаточно сложной формы широко используют порошковые магнитотвердые материалы. Высококоэрцитивное состояние этих материалов достигается за счет еще большей измельченности исходного материала, чем у литых материалов.

Они разделяются на оксидные, металлопластические, микропорошковые и металлокерамические.

Из оксидных широкое применение нашли материалы на основе ферритов бария, кобальта и железа.

Бариевые магниты обладают следующими свойствами:

  • Вост в 2-3 раза меньше чем у литых магнитов;

  • Большая Нс, что обеспечивает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей , ударов и т.п.;

  • плотность почти в 1,5 раза меньше плотности ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;

  • ρ (104 – 107) в миллионы раз выше сопротивления магнитотвердых сплавов, поэтому их используют в высокочастотных полях;

  • не содержат дорогих и дефицитных металлов, поэтому они примерно в 10 раз дешевле магнитов из ЮНДК;

Недостатком бариевых магнитов является большая величина температурного коэффициента остаточной индукции по сравнению с литыми; плохие механические свойства (высокие хрупкость и твердость). Применение бариевых магнитов ограничено из-за необратимой потери ими магнитных свойств после охлаждения магнита до -60оС и ниже.

Выпускают двух типов: изотропные (БИ) и анизотропные (БА). Технология изготовления не отличается от технологии изготовления ферритов, т. е методом порошковой металлургии.

Кобальтовые не теряют своих магнитных свойств при низких температурах, но при нагревании до температуры выше 80 ºС проявляется магнитный гистерезис.

В силу большой хрупкости и невысоких механических свойств крепление бариевых и кобальтовых магнитов часто осуществляется с помощью клея. Высокая стоимость.

Технология изготовления отличается от бариевых операцией термомагнитной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300…350 ºС в течении 1,5 часов и охлаждении в магнитном поле в течение 2ч.

Микропорошковые магниты марганец – висмут получают прессованием специально подготовленного микропорошка, для чего марганцевовисмутовый сплав дробят до получения частиц однодоменных размеров (5…8мкм), пропускают через магнитный сепаратор, отделяя ферромагнитную фазу от немагнитных частиц, затем прессуют порошок ферромагнитной фазы при температуре примерно 300 ºС в магнитном поле и получают магниты, которые сохраняют свои свойства только до температуры не ниже 20 ºС.

Железные и железокобальтовые магниты из микропорошков железа и железо-кобальта изготовляют с применением химических способов получения частиц нужного размера. Затем порошок прессуют и пропитывают раствором смол для повышения коррозионной стойкости.

Металлокерамические магниты изготовляют методом порошковой металлургии из металлических порошков сплавов ЮНДК, сплавов на основе платины, редкоземельных металлов.

Магнитные свойства металлокерамических магнитов на основе сплавов марки ЮНДК по сравнению с литыми магнитами ниже на 10-20% по параметрам Br и wmax за счет повышенной пористости. По механической прочности они в 3-6 раз превосходят литые.

Прочие магнитотвердые материалы

К ним относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пластически деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для магнитных носителей информации, жидкие магниты.

Пластические обладают хорошими пластическими свойствами и могут подвергаться всем видам механической обработки. Из этих сплавов изготовляют ленты, листы, проволоку. Наиболее распространены сплавы викаллой и кунифе.

Викаллой – кобальт – ванадий применяют в качестве высокопрочной магнитной ленты или проволоки, а также для изготовления очень мелких магнитов сложной конфигурации. Сплав кунифе – медь – никель – железо обладает анизотропностью (намагничивается в направлении прокатки). Часто применяют в виде проволоки малого диаметра, а также штампованных деталей.

Высокая стоимость является основным недостатком этих сплавов.

Эластичные магниты изготовляют в основном на резиновой основе. Основным наполнителем является феррит бария. Эластичные магниты могут быть любой формы, которую допускает технология резины (в виде шнуров, лент, полос и т.д.). Их можно резать ножницами, штамповать, скручивать. Невысокая стоимость. «Магнитную резину» применяют в качестве листов магнитной памяти в ЭВМ, отклоняющих систем в телевидении, корректирующих систем.

Магнитные материалы для носителей информации. Магнитные параметры этих материалов должны отвечать следующим требованиям:

  • остаточная индукция материала должна быть возможно более высокой для повышения уровня считываемого сигнала;

  • величина коэрцитивной силы материала для уменьшения эффекта размагничивания должна быть как можно больше, но с другой стороны, для облегчения процесса стирания информации Нс должна иметь малое значение. Эти требования противоречивы;

  • высокая временная и температурная стабильность магнитных свойств.

Материалами для магнитных носителей информации являются металлические ленты и проволока из магнитотвердых материалов, сплошные металлические, биметаллические или пластмассовые ленты и магнитные порошки, которые наносятся на ленты, металлические диски и барабаны, магнитная резина и др.

Жидкие магниты – это новый тип магнитотвердых материалов. Они представляют собой феррожидкостную систему, т. е. жидкость, наполненную мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жидкие магниты на кремнийорганической основе не расслаиваются под действием даже сильных магнитных полей, сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур (-70 до +150оС).

Тема 5.4 Магнитные материалы специального назначения

К материалам специального назначения, как правило, отно­сятся магнитомягкие материалы: материалы с прямоугольной пет­лей гистерезиса (ППГ), СВЧ-ферриты, термомагнитные и магнитострикционные материалы.

Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. Степень прямоугольности петли гистерезиса оценивается коэффициентом прямоугольности

а = Вс /B max,

где Вс — остаточная (спонтанная) магнитная индукция, соответ­ствующая максимальному значению магнитной индукции Втах.

Для петли гистерезиса с идеальной прямоугольностью а = 1,0; для применяемых на практике материалов а = 0,85...0,98.

Магнитный сердечник с идеальной петлей гистерезиса имеет два устойчивых магнитных состояния, соответствующих положи­тельному (+Вс) и отрицательному (-Вс) значениям остаточной магнитной индукции , и представляет собой магнит­ный элемент для хранения и переработки двоичной информации. Условно принимают состояние намагниченности материала с за 1, а состояние - Вс – за 0.

Свойства материалов с ППГ зависят и от температуры. При повышении температуры площадь петли гистерезиса и ее прямоугольность у таких матери­алов уменьшается, т.е. происходит уменьшение коэрцитивной силы Нс, остаточной индукции Вс и коэффициента прямоугольности а. При охлаждении происходит обратный процесс.

Для характеристики скорости перемагничивания материала используют коэффициент переключения Kg, который характери­зует минимальный импульс магнитного поля, необходимый для полного переключения сердечника, т.е. для его перемагничива­ния из состояния остаточной индукции в противоположное со­стояние максимальной индукции.

Ферриты производят по прецизионной технологии методом оксидов или методом совместного осаждения гидрооксидов. Осо­бенностью технологического процесса является высокая темпера­тура окончательного отжига (примерно 1400 °С) и «воздушная за­калка», состоящая в резком охлаждении на воздухе. Ферриты с ППГ подразделяют на ферриты со спонтанной и индуцированной (наведенной) прямоугольной петлей гистере­зиса.

Литиевые ферриты с ППГ приобретают необходимые свойства при введении в состав феррита натрия, магния, марганца и др. Они обладают коэффициентом прямоугольности а = 0,9 при ма­лых значениях коэффициента переключения Kg = 48...52 Амкс/с; повышенной коэрцитивной силой Нс = 140... 1200 А/м; хорошей термостабильностью электромагнитных параметров.

Марганец-магниевые ферриты с ППГ