Металлокерамические покрытия

Под действием влаги или технологических факторов изделия из металлов или сплавов изменяют цвет, внешний вид, механические и электрические свойства и могут приходить в негодность частич­ную или полную. Это является следствием коррозии, которая раз­рушает металл или сплав вследствие химического или электрохи­мического воздействия окружающей среды.

При равномерной коррозии разрушение происходит с одинако­вой силой по всей поверхности. Равномерной коррозии подверже­ны чистые металлы и однофазные сплавы в агрессивных средах.

Местная коррозия представляет собой разрушение поверхнос­ти на некоторых участках. Наблюдается при нарушении слоя по­крытия.

Интеркристаллитная (межкристаллитная) коррозия - это разру­шение материала по зернам.

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия возникает при воздействии на металл при высокой температуре находящихся в атмосфере газов и па­ров, а также жидких неэлектролитов (минеральное масло, керо­син и др.).

Электрохимическая коррозия возникает в результате воздействия на металл электролитов - растворов солей, кислот, щелочей, дож­девой, речной и морской воды.

Для защиты от коррозии, обеспечения качества, надежной ра­боты и придания эстетичного внешнего вида на детали радиоэлек­тронной аппаратуры наносят защитные и декоративные покрытия.

Наибольшее распространение получили металлические, хими­ческие и лакокрасочные покрытия.

Металлические покрытия представляют собой тонкий слой ме­талла, нанесенный на поверхность.

Химический способ применяют для получения металли­ческих покрытий с помощью специальных растворов без электри­ческого тока.

 

Проводниковые изделия

Для передачи и распределения электрической энергии, соединения различных приборов и их частей, изготовления обмоток электрических машин применяют:

- обмоточные провода:

Обмоточные провода применяют для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов, в качестве проводниковых материалов используют медь и алюминий с эмалевой, волокнистой, пленочной и эмалево-волокнистой изоляцией.

Эмалированные провода - имеют наименьшую толщину изоляции (0,007-0,065 мм) (при использовании в электрических машинах можно увеличить мощность за счет большего числа витков в объеме обмотки), которая наносится в виде гибкого лакового покрытия, для увеличения прочности покрытия основой для эмали служат поливинилацеталеновая, полиэфирная и полиуретановая смолы. Для уменьшения точечных повреждений, возникающих на изоляционном покрытии вследствие наличия заусенцев на проволоке, ее пропитывают электроизоляционным лаком. Основные характеристики проводов: эластичность (определяют по отсутствию растрескивания эмали после испытания на растяжение), нагревостойкость (определяют в результате старения образцов эмалированного провода), электрическая прочность (определяется пробивным напряжение).

Обмоточные провода с волокнистой изоляцией (0,05-0,17мм) - изоляцию изготавливают из: хлопчатобумажных, шелковых, капроновых, асбестовых, лавсановых и стеклянных волокон. Повышение нагревостойкости обеспечивают применением стеклянной и асбестовой пряжи, подклеиваемой к поверхности провода с помощью глифталиевых и кремнийорганических лаков.

Провода с пленочной изоляцией применяют для изготовления обмоток трансформаторов (изоляция - бумажная лента или бумажная лента покрытая хлопчатобумажной или капроновой пряжей, пропитанные минеральным маслом).

Провода с эмалево-волокнистой изоляцией - на слой эмали наносят обмотку из хлопчатобумажной, шелковой, капроновой, лавсановой (повышает прочность) или стеклянной (повышает нагревостойкость) пряжи. Применяют для изготовления тяговых, шахтных электродвигателей, электрических машин и аппаратов, которые эксплуатируются в более тяжелых условиях и требуют защиты эмалевой изоляции.

- монтажные провода:

Состоят из медных или алюминиевых жил, покрытых изоляционной резиной, полихлорвиниловым пластикатом, хлопчатобумажной, шелковой или капроновой пряжей, синтетической пленкой. Многопроволочные провода, состоящие из нескольких тонких проволок имеют хорошую гибкость. Провода с лужеными медными жилами облегчают их пайку. Провода с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией используют в электрических устройствах и аппаратах с напряжением до 380В переменного тока и до 500В постоянного тока. Оболочки монтажных проводов окрашивают в разные цвета (для распознавания). Технологический процесс монтажа электрических соединений с применением данных проводов состоит из их подготовки к монтажу (нарезка проводов необходимой длины, зачистка концов и закрепление изоляции на конце провода), механического закрепления, пайки мест соединения (сварки, накрутки), контроля правильности монтажа.

- установочные провода и шнуры:

Предназначены для распределения электрической энергии, присоединения электродвигателей, светильников и других потребителей тока сети. Токопроводящие жилы - из медной и алюминиевой проволоки. Для гибкости делают многожильными.

Провода. Изоляция - электроизоляционная резина, полихлорвиниловый пластикат (обеспечивает высокую водостойкость, маслостойкость, негорючесть), покрытые защитной оплеткой из хлопчатобумажной или шелковой пряжи, стальных оцинкованных проволочек (изоляция может отсутствовать). Оплетку иногда пропитывают противогнилостным составом. Установочные провода выпускают одно-, двух-, трех- и многожильными.

Шнуры. Выпускают двухжильными (две изолированные, проложенные параллельно и свитые друг с другом жилы). Могут быть с изоляционной оболочкой. Применяют для подключения бытовых приборов, мощных электроприборов.

- кабели:

Силовые кабели применяют для передачи и распределения электрической энергии. Токопроводящие жилы: мягкая медная проволока, алюминиевая мягкая или твердая проволока. Бывают:однопроволочные (при сечении до 16 мм²),многопроволочные (при сечении большем или равным 25мм²); одножильные (круглого сечения ), двухжильные (круглого и сегментного сечения), трех- и четырехжильные (секторного сечения ).

Силовой кабель с резиновой изоляцией в свинцовой оболочке, небронированный:

1 - свинцовая оболочка; 2 - поясная изоляция; 3 - покрытие (обмотка) из прорезиненной ленты; 4 - изоляция из вулканизированной резины; 5 - медная многопроволочная жила; 6 - междуфазное заполнение.

Силовой кабель с резиновой изоляцией жил в оболочке из полихлорвинилового пластиката:

 

1- однопроволочные жилы; 2 - изоляция жил из вулканизированной резины; 3 - оболочка из полихлорвинилового пластиката.

Свинцовый кабель с бумажной изоляцией жил в свинцовой оболочке, бронированный:

1- верхний защитный покров из грубой пропитанной пряжи; 2- броневой покров из стальных лент; 3 - защитный покров (нижняя подушка); 4 - свинцовая оболочка; 5 - поясная изоляция; 6 - междуфазное заполнение; 7 - бумажная пропитанная изоляция; 8 - медные многопроволочные жилы.

Лекция 14, 15. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Обладают проводимостью, которой можно управлять, изменяя напряжение, температуру, освещенность и другие факторы (занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками). При уменьшении температуры удельная электрическая проводимость полупроводников уменьшается, а при приближении к 0К полупроводники прекращают проводить электрический ток и становятся диэлектриками. При повышении температуры удельная электрическая проводимость полупроводников резко увеличивается.(Поведение полупроводника зависит от его внутренней структуры, проводимость связана с появлением свободных зарядов, образующихся благодаря воздействию внешней энергии (тепловая, механическая нагрузка, облучение ядерными частицами, электрическое и магнитное поля и т.д.). Носители заряда появившиеся под действием тепла называются равновесными. Неравновесные носители заряда образуются при воздействии на проводник других видов энергии.

Электропроводность полупроводника зависит от количества введенных примесей и от вида элемента.

Полупроводники могут преобразовывать электрическую энергию в тепловую, световую или механическую.

Свойства полупроводников

характеризуются показателями:

- собственная и примесная проводимость:

Собственная проводимость. На примере кремния: в кристаллической решетке каждый атом расположен в узле и окружен четырьмя другими атомами, связан с ними ковалентной связью, при которой каждый внешний электрон принадлежит одновременно двум атомам, в результате чего внешние оболочки атомов содержат по восемь электронов, которые участвуют в образовании ковалентных связей, свободные носители, создающие электропроводность отсутствуют. При сообщении электрону дополнительной энергии он превращается в свободный носитель заряда, происходит разрыв ковалентной связи и электрон начинает хаотически двигаться по объему полупроводника. На месте оторвавшегося электрона образуется положительный заряд называемый дыркой, которая также совершает хаотическое движение, связанное с тем, что за счет энергии тепловых колебаний решетки электрон соседней ковалентной связи может заполнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой.Проводимость полупроводника, возникающая в результате разрыва собственных ковалентных связей и состоящая изэлектронной и дырочной электропроводности называется собственной.

Примесная проводимость. Обусловлена несовершенством кристаллической структуры полупроводника.

Электронная

Дефекты вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запретной зоны. В результате для перехода с дополнительного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень требуется энергия, при сообщении которой появляется дополнительный электрон проводимости при переходе электрона с дополнительного энергетического уровня в зону проводимости и дополнительная дырка проводимости при переходе электрона с валентной зоны на дополнительный энергетический уровень. Пример: при внесении в кристаллическую решетку кремния примеси, например фосфора, четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседними атомами основного элемента кремния. Пятый валентный электрон фосфора связан только со своим атомом, и прочность этой связи много меньше прочности ковалентной связи. Для перехода этого электрона на дополнительный энергетический уровень требуется много меньше энергии. Оторвавшийся от атома фосфора пятый электрон превращается в электрон проводимости. На месте оторвавшегося электрона образуется дырка, которую не могут заполнить электроны других атомов фосфора, так как концентрация его в кремнии очень мала и атомы расположены далеко друг от друга. Следовательно, дырка останется неподвижной и в полупроводнике будет только электронная проводимость.Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными или n-типа. Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями заряда, а дырки - неосновными. Дефекты вызывающие появление в полупроводнике дополнительных свободных электронов, называют донорами. обусловленную донорной примесью проводимость называют электронной.

Донорная

Пример: при введении в кристалл кремния примеси, например бора, все три валентных электрона бора участвуют в образовании ковалентных связей с кремнием. А одна связь кремния остается незаполненной, ее можно заполнить электроном соседнего атома кремния, образовав четвертую ковалентную связь с примесным атомом бора, для чего также необходимо меньше энергии. Приняв дополнительный электрон, атом бора ионизируется и становится отрицательным ионом, а одна из четырех связей соседнего атома кремния остается незавершенной - образуется дырка. Которая может быть заполнена электроном соседнего атома, образуя новую дырку и т.д., электропроводность носит дырочный характер. Дефекты, вызывающие появление дополнительных дырок проводимости называют акцепторными, электропроводность, обусловленную акцепторной примесью - дырочной. Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют донорными или р-типа. Основные носители заряда - дырки, неосновные - электроны.

 

донорная акцепторная

 

Введение примесей в полупроводник приводит к появлению примесной электропроводности, возникающей в результате ионизации атомов примесей. (Примесная электропроводность образуется благодаря наличию носителей заряда только одного знака).

Легирование - процесс контролируемого введения в полупроводник необходимого количества примесей.

Примеси внедрения - внедряют между узлами кристаллической решетки.

Примеси замещения - атом примеси замещает атом полупроводника.

Аморфные примеси - атомы примесей как замещают атомы полупроводника, так и внедряются в междоузлие.

Нейтральные примеси - примеси, не оказывающие влияние на электропроводность полупроводников.

- электропроводность:

Удельная электрическая проводимость определяется концентрацией свободных носителей заряда и их подвижностью. Подвижность зависит от эффективной массы носителей заряда, скорости и частоты столкновения с узлами кристаллической решетки, дефектами решетки. На характер зависимости электропроводности от температуры влияет концентрация зарядов. При комнатной температуре концентрация примесных носителей заряда преобладает над собственной, рост температуры приводит к истощению примеси, валентные электроны переходят в зону проводимости и рост проводимости прекращается. Проводимость не меняется до тех пор, пока температура не повысится до такой величины, которая вызовет переход собственных электронов в зону проводимости, что приводит к повышению концентрации зарядов за счет собственных электронов. При высоких температурах полупроводники по проводимости приближаются к проводникам.

При большой концентрации примесей (выраженный примесный полупроводник) зона дополнительных энергетических уровней сливается с зоной проводимости и уже при комнатной температуре все валентные электроны примеси находятся в зоне проводимости, являясь носителями зарядов, и их концентрация не зависит от температуры.

Повышение проводимости с ростом температуры используют для создания полупроводниковых первичных преобразователей температуры - термисторов.

- оптические и фотооптические явления:

При прохождении света через полупроводник частицы света (фотоны) частично отражаются, а частично поглощаются электронами и атомами кристаллической решетки. Степень поглощения электромагнитной энергии характеризуют коэффициентом поглощения. Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Для перехода в зону проводимости электрону необходимо поглотить фотон, энергия которого достаточна для преодоления запретной зоны. Максимальная длина волны поглощаемая полупроводником – длинноволновая или красная граница. Ширина запретной зоны различных полупроводников лежит в промежутке 0,1-3 эВ, следовательно пороговая длина поглощаемого света может находиться в различных частях спектра: инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой.

Прямой переход – электромагнитной энергии фотона достаточно для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Непрямой переход – необходима дополнительная энергия, которую электрон получает за счет тепловых колебаний.

Поглощение света приводит к появлению в полупроводнике неравновесных носителей заряда при неизменной температуре, приводя к повышению проводимости.

С увеличением интенсивности облучения растет число свободных носителей заряда.

Зависимость электропроводности от освещения используют для создания фоточувствительных приборов.

Процесс воздействия света на полупроводник имеет обратимый характер, при обратном переходе электрона, может появиться свечение.

- электронные процессы на поверхности полупроводника:

На реальной поверхности полупроводника присутствуют макро- и микроскопические дефекты, из-за этого у атомов, расположенных в поверхностном слое кристалла не все ковалентные связи завершены, что приводит к появлению на поверхности полупроводника дополнительных энергетических уровней, лежащих в запретной зоне. Носители заряда могут быстро переходить на поверхностные уровни (быстрые состояние), но при наличии оксидных пленок процесс может длиться до нескольких суток (медленные состояния). Присутствие поверхностных дефектов ведет к тому, что поверхностные свойства полупроводника отличаются об объемных.

Поверхностные уровни захватывают локализующиеся на поверхности полупроводника электроны и дырки, при их электростатическом взаимодействии с носителями заряда в объеме полупроводника возникает пространственный заряд, приводящий к искривлению энергетических зон, что веден к ухудшению частотных свойств полупроводниковых материалов, поэтому для изготовления высокочастотных полупроводниковых приборов предъявляют жесткие требования к качеству поверхности используемых материалов.

- контактные явления:

Возникают вокруг границы раздела контактного электрического поля, воздействие его на поверхностные слои полупроводника аналогично воздействию некоторого внешнего электрического поля.

Если одна область полупроводника обладает электронной проводимостью, а другая – дырочной, то границу между этими областями называют электронно-дырочным переходом или р-n переходом. Получают р-n переход легируя одну часть полупроводника донорной, а вторую – акцепторной примесью, что приводит к тому, что одна часть обладает электронной проводимостью, а вторая дырочной. При соприкосновении электроны диффундируют в p-область, где велика концентрация дырок и рекомбинируют с дырками, а дырки диффундируют в n-область, где велика концентрация электронов. В результате этого у границы раздела n-области образуются нескомпенсированные ионы донорной примеси, которые создают объемный положительный заряд. У границы раздела р-области нескомпенсированные ионы акцепторов создают объемный отрицательный заряд. Таким образом, в области раздела полупроводников n-типа и р-типа образуется зона, содержащая свободные носители заряда. Эта область составляет толщину p-n перехода. При этом образовавшийся положительный объемный заряд нескомпенсированных ионов донорной примеси препятствует дальнейшей диффузии дырок из p- области в n- область.

Отрицательный объемный заряд ионов акцепторной примеси препятствует диффузии электронов в p- область. Таким образомнескомпенсированные ионы примеси создают на границе раздела потенциальный барьер для основных носителей заряда. Для преодоления этого барьера основные носители должны обладать достаточной кинетической энергией. С помощью приложения внешнего поля высоту потенциального барьера можно увеличить или уменьшить, меняя полярность.

Простые полупроводники

Полупроводники, основной состав которых образован атомами одного химического элемента:

1) Германий получают в результате сложного технологического процесса из продуктов сгорания бурого угля, на выходе имеют монокристаллический германий в виде слитков.

Используют в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (эпитаксиальные пленки германия).

Для производства полупроводниковых приборов используют германий электронного и дырочного типов с определенным удельным электрическим сопротивлением. Тип проводимости и удельное электрическое сопротивление германия определяется количеством введенных в исходный материал примесей. Германий легируют нейтральными (инертные газы, азот, аргон, кремний, свинец, олово), донорными (мышьяк, сурьма, висмут, фосфор, литий), акцепторными (галлий, индий, алюминий) и создающими глубокие энергетические уровни (элементы I, II, VI, VII, VIII групп) примесями.

2) Кремний. Очищенный поликристаллический кремний используют в качестве исходного сырья для получения монокристаллического кремния и эпитаксиальных (ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложи)) слоев кремния, а также для изготовления солнечных батарей.

Чистый монокристаллический кремний используют редко, чаще всего для полупроводниковых приборов используют кремний с примесной электропроводностью (вводят строго контролируемое количество необходимой примеси).

В зависимости от характера влияния на тип электропроводности примеси делят на нейтральные (водород, азот, инертные газы, германий, олово, свинец), донорные (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), акцепторные (бор, алюминий) и создающие в запретной зоне кремния глубокие энергетические уровни (могут быть донорами и акцепторами (элементы I, II, VI, VII группы)).

Кремний применяют для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла, тензометров.

3) Селен. Чистый селен по удельному электрическому сопротивлению близок к изоляторам; электрическое сопротивление зависит от способа получения, характера структуры, типа и количества примесей; снижение удельного электрического сопротивления достигают благодаря введению акцепторной примеси - хлора, бора, йода.

В полупроводниковом производстве используется технический селен, который предварительно очищают.

Селен применяют для изготовления фоторезисторов и фотоэлементов, фильтров, защитных покрытий в приборах инфракрасного диапазона.

4) Теллур. Технический теллур применяют в виде сплавов с висмутом, сурьмой, свинцов - для изготовления термоэлектрических генераторов.