Использование сегнетоэлектрика

1. Изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов
с большой удельной емкостью.

2. Использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектриков, усилителей, модуляторов и других управляемых устройств.

3. Использование сегнетоэлектриков в вычислительной технике в качестве ячеек памяти.

4. Для модуляции и преобразования лазерного излучения.

5. Для изготовления пьезоэлектрических, пироэлектрических преобразователей.

Пьезоэлектрики — вещества, обладающие поляризацией под действием механических напряжений, т. е. обладающих пьезоэлектрическими эффектами.

Уравнение пьезоэлектрического эффекта записывается в виде следующего уравнения:

Q = d F; Q / S = d F / S = gs = P = d σ,

где Q — заряд;

d — пьезомодуль;

F — сила;

S — площадь;

gs — заряд, приходящий на единицу площади;

Р — поляризованность;

σ — механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Пьезомодуль (d) — величина, равная заряду, возникающему на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления.

Пироэлектрики — вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью теплового воздействия, т. е. обладающей пироэлектрическим эффектом.

Уравнение пироэлектрического эффекта записывается в следующем виде:

d × Рсп = р × d T = A × √ Тк – Т,

где Рсп — спонтанная поляризованность диэлектрика;

р — пироэлектрический коэффициент;

А — константа материала;

Тк — температура фазового перехода.

Качество пироэлектрического материала принято характеризовать приведенным физическим параметром

Rв = р / (ε × с),

где ε — диэлектрическая проницаемость;

с — удельная объемная теплоемкость.

Электреты — диэлектрические вещества, длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем пространстве электрическое поле.

Термоэлектреты — способны создавать электрическое поле в течение многих месяцев и лет.

Фотоэлектреты — способны сохранять электрическое поле в темноте и разряжаться при свете.

Короноэлектреты — электризация диэлектриков облегчается при пониженном давлении газа в коронном разряде.

Жидкие кристаллы — вещества, находящиеся в промежуточном состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом.

2 Проводники

Проводниками называются материалы с малым удельным сопротивлением, составляющие ρ = от 10⁸ до 10^-4 Ом × м.

Используются как проводники электрического тока, для изготовления резисторов, нагревательных приборов, контактов и т. д.

2. 1 Классификация проводников

1) По удельному электросопротивлению:

1. Материалы высокой проводимости, например: Cu, Ag, Al, Ni и т. д.

2. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода, например: Cd, Zn, Ta, Pb, сплав Nb₃Sn и др.

3. Материалы, используемые для изготовления термопар и удлиняющих проводов, например: медь — константан, медь — копель, хромель — копель, хромель — алюмель и др.

4. Материалы высокого сопротивления (резистивные), например: константан, манганин, нихром и т. д.

5. Контактные материалы для сильноточной и слаботочной аппаратуры, размыкаемые материалы высоковольтной и низковольтной аппаратуры, скользящих, например: Cu, Ag, Al, W, графит, композиции Cu — W, Ag — W и др.

6. Припои.

2) По агрегатному состоянию:

1. Твердые вещества — проводники 1-го рода.

2. Жидкие вещества — проводники (электролиты, расплавленные металлы) 2-го рода.

3. Газообразные вещества — проводники (плазма) 3-го рода.

2.2 Особенности проводников

1. Проводниковые материалы обладают электронной проводимостью, их электропроводимость обеспечивается за счет свободных носителей зарядов — электронов.

2. Температурный коэффициент электросопротивления (ТКR) проводников положителен. С увеличением температуры удельное электросопротивление растет по следующей зависимости:

ρ_t = ρ_о (1 + α_p(t-to)),

где ρ_t — удельное сопротивление при t;

ρ_o — удельное сопротивление при 20 °С;

α_p — средний температурный коэффициент удельного сопротивления.

3. Механическая обработка металлов, а также наличие примесей приводят к увеличению удельного электросопротивления. Чтобы вернуть их прежнюю электропроводимость, их подвергают отжигу без доступа кислорода.

2.3 Сверхпроводимость

Многие металлы и сплавы ниже определенной критической температуры (Ткр) переходят в сверхпроводящее состояние, т. е. их сопротивление постоянному току становится равным нулю.

Если металл переходит в это состояние скачком, — это сверхпроводник 1-го рода; если плавно, — сверхпроводник 2-го рода. Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической. Величина критической температуры зависит от давления и от внешнего магнитного поля, технологии изготовления образцов и структуры металлов и сплавов.

Сверхпроводимостью обладают 26 металлов, например: алюминий, ванадий, вольфрам, индий, кадмий, олово, осмий, ниобий и т. д. При этом лучшие проводники — металлы, серебро, медь, золото сверхпроводимостью не обладают. Сверхпроводимостью обладают также ряд сплавов и химических соединений. Сверхпроводимость у них возникает при значительно более высокой температуре, чем у чистых элементов. При этом особое место занимают сплавы на основе ниобия. Сверхпроводящие материалы с критической температурой, превышающей температуру жидкого азота (77 К), называются высокотемпературными.

Криопроводниками называются материалы, которые при охлаждении ниже –173 °С приобретают высокую электропроводность, но не переходят в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость объясняется появлением при определенных условиях куперовских пар электронов, имеющих противоположные импульсы и спины. Такая пара взаимодействует с кристаллической решеткой — один электрон, отдавая ей свой импульс, переводит ее в возбужденное состояние; второй забирает этот импульс и тем самым переводит ее в первоначальное состояние.

В результате состояние решетки не изменяется, а между электронами, обменявшимися фотонами, возникает сила взаимного притяжения.

Кроме нулевого сопротивления сверхпроводники обладают свойствами идеальных диамагнетиков, магнитные силовые линии в них не проникают, а выталкиваются.

На разрыв электронных пар и переход сверхпроводников в нормальное состояние требуются затраты определенной энергии, например температура Т > Т_кр, или магнитного поля, превышающего на поверхности сверхпроводника критические значения напряженности магнитного поля.

Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях электропередач сводит к нулю потери в проводниках и позволит значительно повысить плотность тока и напряженность магнитного поля.

2.4 Термоэлектродвижущая сила

Если два различных металла или сплава привести в плотное соприкосновение, то между ними возникает контактная разность потенциалов за счет неодинаковой величины работы выхода электронов из металлов и различной плотности свободных электронов (рис. 6).

Рис. 6. Схема, иллюстрирующая работу термопары:
А, В — проводники, W_A < W_B; n_A > n_B,
W — работа выхода электронов, n — плотность электронов

Если температура спая (Т_R) будет больше температуры (Т_х) концов проводников, то в замкнутой системе возникает термоЭДС, регистрируемая измерительными приборами.

Для изготовления термопар используются контактирующие материалы, имеющие между собой как можно меньшую контактную разность потенциалов и термоЭДС. Примером пар проводников для изготовления термопар могут служить медь — константан, хромель — копель, хромель — алюмель и т. д.

2.5 Контакты

Большой процент выхода из строя аппаратуры происходит из-за процессов, происходящих на контактах.

При выборе контактных материалов (безразрывных и скользящих) необходимо учитывать условия эксплуатации, взаимодействие материалов друг с другом (термоЭДС, взаимную диффузию), твердость, окисляемость и др.

Основными причинами, препятствующими установлению плотного контакта при механическом соприкосновении твердых тел, являются следующие:

1. Шероховатость соприкасающихся поверхностей.

2. Поверхностные окисные пленки, являющиеся в большинстве случаев диэлектрическими.

3. Адсорбенты в поверхностном слое в виде молекул О₂, Н₂О, газов, пыли.

Основные явления (эффекты), протекающие в зоне контакта, следующие:

1. Локальный перегрев, сопровождающийся выделением значительной тепловой энергии.

2. Механический износ из-за трения и усталости материалов, происходящих при размыкании и замыкании.

3. Дуговая эрозия под действием значительных токов в сильноточной аппаратуре.

4. Эффект стягивания заключается в искривлении линии электрического тока в области контактных площадок.

При выборе контактных материалов учитываются следующие условия:

— условия эксплуатации;

— взаимодействие материалов друг с другом (термоЭДС, взаимная диффузия);

— твердость;

— окисляемость;

— исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей;

— приваривания друг к другу.

Классификация контактных материалов по принципу работы:

1. Неподвижные — цельнометаллические (сварные или паяные), зажимные (болтовые или винтовые).

2. Размыкающие — вольфрам, молибден, платина, серебро, металлокерамика.

3. Скользящие — бронза, латунь, металлокерамика.

2.6 Припои

Припои предназначены для обеспечения надежного электрического соединения проводников в электрических схемах, а также для лужения металлических изделий.

Классификация припоев в зависимости от компонентов сплава:

1. Оловянно-свинцовые.

2. Оловянно-цинковые.

3. Цинково-алюминиевые.

4. Серебряные.

5. Медно-цинковые.

Важным компонентом пайки является флюс, служащий для очистки паяемой поверхности, предохранения паяемых металлов от окисления, а также для уменьшения поверхностного натяжения расплавленного припоя.

Классификация припоев в зависимости от требуемой прочности и предельно допустимых рабочих температур:

1. Мягкие (легкоплавкие), температура плавления до 400 °С,
σ_в < 50…70 МПа.

2. Полутвердые и твердые (тугоплавкие), температура плавления более 400 °С, σ_в > 500 МПа.

3 Полупроводники

Полупроводниками называют неметаллические материалы, удельное электрическое сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельных сопротивлений проводников и диэлектриков. Данные материалы обладают большой чувствительностью к содержанию примесей и внешним энергетическим воздействиям, например тепловым, световым, силовым, и т. д.

Полупроводники используются для изготовления датчиков (терморезисторов, фоторезисторов, тензорезисторов), выпрямителей (триодов, тиристоров).

Полупроводники в отличие от проводников имеют отрицательный коэффициент температурного удельного сопротивления. Ширина их запрещенной зоны имеет широкий диапазон — от сотых долей эВ до 3 эВ.

3.1 Классификация полупроводников

Классификация по структуре и химическому составу:

1. Элементарные атомарные кристаллические материалы: Si, Ge, Se, P, Te.

2. Кристаллические (алмазоподобные) соединения:

A₁B₇ — CuCl, AgCl и т. д.
A₂B₆ — PbS, CdS и т. д.
A₃B₅ — GaAs, ZnSb и т. д.
A₄B₄ — SiC, GeSi и т. д.

3. Молекулярные неорганические: Te₂, Se₂.

4. Оксиды, теллуриды, фосфиды, селениды, карбиды: NiO, MgO, CuO, SiC, PbS и другие.

5. Стеклообразные (халькогенидные стекла): As₂Te₂Se; As₂Se₃∙Al₂Se₃.

6. Органические:

• ароматические углеводороды — антрацен; нафталин и т. д.;

• красители и пигменты — индиго; хлорофилл и т. д.;

• комплексы с переносом зарядов — бром-антрацен, иод-пирен и т. д.

Классификация по агрегатному состоянию:

1. Твердые.

2. Жидкие (Bi₂S; Cu₂S).

Классификация по электропроводимости:

1. Собственная. Собственная проводимость полупроводника не имеет примесей. Осуществляется двумя типами носителей — электронами (n), переходящими из валентной заполненной зоны в зону проводимости, оставляя в ней дырки, и дырками (p), которые, заполняясь нижележащими электронами валентной зоны, перемещаются в ней.

2. Примесная:

• Примесная n-типа (содержит доноры). Примесная проводимость (n-типа) возникает за счет легирования, т. е. введения примеси, валентность которой больше, чем валентность полупроводника. Например: введение As в Si. Данные примеси называются донорами, вызывающими дефект решетки, способный при возбуждении отдавать электрон
в зону проводимости. Доноры расположатся в запрещенной зоне ближе к зоне проводимости.

• Примесная p-типа (содержит акцептор). Примесная проводимость (p-типа) возникает за счет введения примеси, валентность которой меньше валентности полупроводника. Данные примеси называются акцепторами, вызывающими дефект решетки, способный при возбуждении захватывать электроны из валентной зоны. Например: введение Al в Si. Акцепторы расположатся в запрещенной зоне ближе к зоне валентности (рис. 7).

Рис. 7. Энергетические диаграммы:
а — собственные полупроводники, б — полупроводники с донорской
электропроводимостью, в — полупроводники с акцепторной
электропроводимостью

3.2 Основные особенности полупроводников

1. Занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками по удельному электросопротивлению.

2. Электрические параметры чувствительны к содержанию примесей.

3. Внешние воздействия (тепло, свет, давление, трение) сильно изменяют свойства материалов. Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент электросопротивления.

4. Полупроводники могут обладать электронной (n -типа) или дырочной (p -типа) проводимостью. Это позволяет создавать электронно-дырочный переход (p—n), обладающий униполярной проводимостью.