Гаоу спо со уртк им. А. С. Попова

ГАОУ СПО СО УРТК им. А.С. Попова

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, ЭЛЕКТРОРАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ»

КУРС ЛЕКЦИЙ

Для специальностей

210413, 210414

Содержание.

 

	Введение
1.	Общие сведения об электрорадиоматериалах.
	1.1. Классификация материалов
	1.2. Нормативно- техническая документация (НТД)
	1.3. Правила оценки свойств материалов.
	1.4.Общие сведения о строении материалов.
	1.5. Кристаллические вещества. Их свойства и характеристики.
	1.6. Дефекты кристаллического строения
	1.7. Анизотропия кристаллов.
	1.8. Процесс кристаллизации металлов.
	1.9. Понятия о сплавах
	1.10. Свойства и характеристики электрорадиоматериалов.
	1.11. Коррозия металлов и сплавов. Меры защиты от коррозии.
2.	Проводниковые материалы
	2.1. Классификация проводниковых материалов.
	2.2. Электрофизические свойства проводников.
	2.3. Материалы высокой удельной проводимости.
	2.3.1 Медь и ее сплавы. Свойства. Применение.
	2.3.2 Алюминий и его сплавы. Свойства. Применение
	2.3.4. Благородные металлы.
	2.4. Материалы высокого удельного сопротивления.
	Диэлектрические материалы.
	3.1 Физико-химические свойства диэлектриков.
	3.2 Электро-физические свойства диэлектриков
	3.3 Твердые органические диэлектрики.
	3.3.1 Полимеризационные синтетические материалы.
	3.3.2 Поликонденсационные синтетические материалы.
	3.3.3 Пластмассы.
	3.3.4 Электроизоляционные лаки, эмали, компаунды.
	3.4. Твердые неорганические диэлектрики
	3.4.1. Стекло.
	3.4.2. Керамика
	3.4.3 Слюда и материалы на ее основе.
	3.5. Активные диэлектрики.
	3.5.1. Электреты
	З.5.2 Сегнетоэлектрические материалы
	3.5.3 Пьезоэлектрические материалы
	Полупроводниковые материалы.
	4.1 Свойства и характеристики полупроводниковых материалов
	4.2 Простые полупроводниковые материалы
	4.3 Сложные полупроводниковые материалы
5.	Магнитные материалы.
	5.1. Свойства и характеристики магнитных материалов.
	5.2 Магнитомягкие материалы
	5.3 Магнитотвердые материалы
	5.4 Ферриты

Введение.

Одним из направлений научно-технического прогресса является развитие радиоэлектронной промышленности. На ее основе совершенствуется теле и радиоаппаратура, компьютерная техника, средства связи и автоматизации производства. Использование высоких технологий невозможно без улучшения свойств имеющихся и разработки принципиально новых видов электрорадиоматериалов (в дальнейшем ЭРМ).

Для получения заданных параметров и повышения качества радиоэлектронной аппаратуры (в дальнейшем РЭА) необходимо иметь четкое представление о физических явлениях, которые характерны для каждого типа материала при его взаимодействии с окружающей средой.

Основной задачей предмета «Материаловедение, электрорадиоматериалы и радиокомпоненты» является правильный выбор любого материала для достижения поставленной цели на основе изучения электрических, механических, магнитных, тепловых и физико-химических характеристик.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОРАДИОМАТЕРИАЛАХ.

Классификация материалов.

 

Все материалы, применяемые в производстве РЭА классифицируют по следующим признакам:

1.По назначению:

1.1 конструкционные – применяются для изготовления корпусов, стоек и т.д.;

1.2 электрорадиоматериалы, у которых основное значение имеют их характеристики в электрических и магнитных полях.

2. По степени электропроводности:

2.1 проводниковые материалы – обладают высокой электропроводностью, за счет большого количества свободных зарядов;

2.2 полупроводниковые материалы – количество свободных зарядов незначительно, но может резко увеличиваться под влиянием внешних воздействий (приложенное напряжение, воздействие температуры или освещенности)

2.3 диэлектрические материалы – свободные заряды практически отсутствуют, поэтому диэлектрики, в основном, применяются в качестве электроизоляционных материалов.

3. По агрегатному состоянию:

3.1 твердые (металлы, сплавы, полупроводники, пластмассы и т.д.);

3.2 жидкие (электролиты, конденсаторные и трансформаторные масла);

3.3 газообразные ( воздух, инертные газы, ионизированные газы)

4. По магнитным характеристикам:

4.1 ферромагнетики – обладают способностью значительно намагничиваться за счет высокой магнитной восприимчивости (Fe, Co, Ni, V);

4.2 парамагнетики – их магнитная восприимчивость незначительна (К,Na, Al)

4.3 диамагнетики – практически не реагируют на воздействие магнитного поля (Cu, Ag, Au, Pb).

5.. По химическому составу:

5.1 органические материалы (полиэтилен, пластмассы, резина и т.д.)

5.2 неорганические материалы (стекло, асбест, слюда)

6. По применению:

6.1 основные материалы, которые служат для достижения поставленной цели (например, припой)

6.2 вспомогательные материалы (например, флюс)

 

Нормативно-техническая документация (НТД)

 

Для создания качественной РЭА необходимы материалы, которые соответствуют комплексу различных технических требований. Такая информация, а так же методы испытания материалов указаны в следующей НТД:

1. ГОСТ – государственный стандарт. Утверждается государственными структурами (институты метрологии и стандартизации).

2. ОСТ – отраслевой стандарт. Утверждается министерством или ведомством отдельной отрасли.

3. ТУ – технические условия. Содержат комплекс требований к продукции конкретного вида или к конкретному изделию. Не должны противоречить требованиям стандартов.

Анизотропия кристаллов.

Многие свойства кристаллов неодинаковы в различных направлениях.

Понятия о сплавах.

 

Различные сплавы применяются в технике достаточно широко, т.к. свойства чистых металлов не всегда соответствуют комплексу определенных требований к изделию. Изменяя состав сплава можно получить материал с любыми заданными параметрами.

 

Сплав – это сочетание металла с другими металлами и неметаллами, которое имеет кристаллическую решетку и сохраняет металлические свойства. Составляющие части сплава называются компонентами.

 

При кристаллизации сплавов выделяют две особенности:

 

1. Сплавы кристаллизуются в интервале температур, чистые металлы кристаллизуются при постоянной температуре. При кристаллизации, как чистых металлов, так и сплавов выделяется тепловая энергия.

 

t^o

 

t^o1

t^o2

 

 

T(время)

Кристаллизация сплавов

 

Интервал кристаллизации = t^o1 - t^o2

2. В сплавах происходят значительные диффузионные процессы за счет чего у сплавов 2 и более критических точки, у чистых металлов только одна.

 

Критическая точка – это температура, при которой меняется структура, строение и состояние металлов и сплавов.

Проводниковые материалы.

Латунь.

Это сплав меди с цинком. (Цинк не более 43%). Латунь прочнее и пластичнее меди, имеет более низкую стоимость, т.к. цинк значительно дешевле меди. Из латуни изготавливают штампованные токоведущие детали (шайбы), различные зажимы, контакты разъемов, крепежные детали.

Например: Л62 (62% меди остальное цинк),

ЛС59-1 – латунь легированная свинцом (медь-59%; свинец-1%, остальное цинк.

 

Благородные металлы.

1.Серебро. Белый блестящий металл, который имеет самую высокую электропроводность.

Удельное сопротивление r= 0,016 мкОм*м

Температура плавления алюминия t^опл.=961^о

Плотность алюминия r_пл = 10490 кг/м³

Серебро имеет высокие механические характеристики (σ_р =200МПа; относительное удлинение до 50%), что позволяет изготавливать проводники диаметром 20мкм и менее). Серебро используют в производстве конденсаторов, как компонент в сплавах для слаботочных контактов, в виде покрытий в ВЧ и СВЧ устройствах, для покрытия монтажных проводов и изготовления твердых припоев.

2. Золото. Металл желтого цвета со следующими свойствами:

Удельное сопротивление r= 0,024 мкОм*м

Температура плавления алюминия t^опл.=1063^о

Плотность алюминия r_пл = 19320 кг/м³

Золото имеет высокую пластичность, что позволяет получать фольгу толщиной 0,08 мкм. Обладает высокой коррозионной и химической стойкостью. Золото как в чистом виде, так ив виде сплавов с платиной, серебром, никелем применяют для изготовления и покрытия различных прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов фотоэлементов. Широко применяют золото для напыления тонких пленок полупроводниковых и гибридно-пленочных микросхем.

 

Диэлектрические материалы.

Диэлектрики – это материалы, у которых удельное сопротивление ρ=10⁸ – 10¹⁸ Ом*м.

Диэлектрики могу быть:

1. природными и синтетическими.

2. твердыми, жидкими, газообразными,

3. органическими и неорганическими.

Диэлектрики, применяемые в производстве РЭА классифицируют по применению:

1. изоляционные материалы. Применяются для изоляции токоведущих частей РЭА,

2. пассивные диэлектрики. Применяются для накопления энергии в конденсаторах,

3. активные диэлектрики, применяются для усиления, генерации и преобразования электрической энергии.

 

 

Полимерные углеводороды.

1.1 Полистирол – твердый прозрачный материал, является неполярным диэлектриком, с чем связаны его высокие электроизоляционные свойства. Получают в результате полимеризации мономерного стирола. Является термопластичным материалом с температурой размягчения 110-120^оС. Недостатки: хрупкость при пониженных температурах и склонность к старению с образованием трещин.

Применяется в качестве высокочастотного диэлектрика для изготовления каркасов индуктивных катушек, корпусов РЭА, для изоляции кабелей и конденсаторов.

1.2 Полиэтилен – твердый белый неполярный диэлектрик. Получают полимеризацией газа этилена. Электроизоляционные свойства так же высоки, как у полистиролов, но отличается высокой стабильность. Применятся как конструкционный и изоляционный материал в технике ВЧ и СВЧ.

1.3 Полипропилен – линейный неполярный диэлектрик с хорошими электроизоляционными свойствами. Получают полимеризацией газа пропилена. Обладает высокой температурой размягчения. (160^о-170^о)

1.4 Пливинилхлорид (ПВХ) – белый мелкодисперсный порошок. Линейный полярный полимер, полученный полимеризацией газообразного мономера винилхлорида. Свойства ПВХ можно изменять, вводя различные добавки: пластификаторы, стабилизаторы, красители. Применяется для изготовления пленок, изоляционных лент, изоляции монтажных и телефонных проводов и другой изоляции.

Фторорганические полимеры.

Одним из существенных недостатков органических полимеров является невысокая термостойкость (до 120^оС). Для повышения рабочих температур в органические диэлектрики добавляют фтор (получают фторопласты) или кремний (получают полисилоксаны).

2.1 Фторопласты – кристаллические полимеры фторпроизводных этилена, где атомы водорода замещены фтором. В РЭА наиболее часто используют фторопласт –4 (политетрафторэтилен) и фторопласт – 3 (политрифторхлорэтилен). Цифра в марке указывает на количество атомов фтора в молекуле мономера.

· Фторопласт – 4 (также его называют фторолон – 4, тефлон). Свойства фторопласта 4: рабочая температура –250^о - +250^оС, может выдерживать термоудары до 400 ^оС, обладает самой высокой химической стойкостью из всех известных полимеров, не смачивается водой, не растворяется ни в одном растворителе, не горит, стоек к воздействию грибков и в тропических условиях.

Имеет хорошие вакуумные свойства, стоек к резкому перепаду температур в широком диапазоне.

Недостатки: при температуре 400 ^оС разлагается с выделением ядовитого фтора, имеет низкую радиационную стойкость, не высокую твердость и достаточно высокую стоимость.

Из фторопласта – 4 изготавливают конденсаторные и изоляционные пленки, изоляцию монтажных проводов, химическую посуду, применяют в вакуумных вентилях.

· Фторопласт – 3. По сравнению с фторопластом – 4 имеет более высокие механические характеристики, но остальные свойства значительно хуже. Выпускается в виде порошка, используется в основном в суспензиях для антикоррозийных покрытий.

Пластмассы.

Это твердые материалы, которые на определенной стадии производства обладают свойством пластического течения, что позволяет изготавливать изделия прессованием и литьем заданной формы. Пластмассы – многокомпонентные материалы, в состав которых входят:

1. Связующие вещества. Это различные натуральные и синтетические смолы и полимеры, необходимые для монолитного соединения всех компонентов в пластмассе (30-60%).

2. Наполнители. (40 –70%) Это химически инертные вещества, которые придают пластмассам требуемые свойства. Например: асбест и древесная мука - механическую прочность; молотый мрамор – теплопроводность; молотая слюда или кварц – диэлектрические свойства; стекловолокно–нагревостойкость.

3.Пластификторы. Это маслообразные жидкости с высокой температурой кипения (стеарин). Вводят в пластмассы для повышения пластичности и холодостойкости.

4.Стабилизаторы. Способствуют длительному сохранению пластмассами своих свойств.

5. Красители.

6. Парообразователи. Вводят для получения пористой структуры.

По применению пластмассы делят на:

· Конструкционные

· Электроизоляционные

· Специальные (магнитодиэлектрики, электропроводные и т.д.)

По нагревостойкости пластмассы разделяют на несколько классов:

 

В производстве РЭА широко применяются слоистые пластики.

Слоистые пластики являются разновидностью пластмасс, которые получают горячим прессованием волокнистых материалов, предварительно пропитанных синтетическими смолами. В производстве РЭА широко используются:

1. Гетинакс. Изготавливают из листов специальной бумаги, пропитанных бакелитовой смолой, с последующим прессованием при температуре. Применяется для изготовления каркасов катушек, трансформаторов, оснований печатных плат. Рабочая температура до 105^о.

2. Текстолит. Изготавливают методом горячего прессования хлопчатобумажной ткани, пропитанной бакелитовой смолой. Применяют, как конструкционно-изоляционный материал, для изготовления изделий, которые подвергаются механическим нагрузкам (удар, истирание). Это детали переключателей, панели, каркасы, крепежные планки и т.д. Рабочая температура до 105^о.

3. Стеклотекстолит. Получают горячим прессованием стеклоткани, пропитанной кремнийорганической смолой с добавлением эпоксидной. Обладает повышенной влагостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению с гетинаксом и текстолитом.

 

В производстве РЭА также широко используются слоистые фольгированные материалы для изготовления печатных плат. Это слоистые пластики, облицованные с одной или двух сторон медной фольгой.

· Фольгированный гетинакс. Марки ГФ-1-35; ГФ-2-50 и т.д.

Буквы ГФ – гетинакс фольгированный,

Первая цифра (1, 2) – толщина листа в мм

Второе число (35, 50) – толщина фольги в мкм.

Используют для плат в диапазоне частот до 1МГц.

· Фольгированный стеклотекстолит. Марки типа СФ-1-35 или СФ-1-Н -50

Первая цифра 1 – толщина листа в мм

Буква Н - нагревостойкость

Второе число (35, 50) – толщина фольги в мкм.

Используют для плат в диапазоне частот до 1000 МГц. Рабочая температура до 200^о.

· Фольгированный армированный фторопласт – 4 (ФАФ-4). Это слоистый пластик, полученный горячим прессованием стеклоткани, пропитанной суспензией фторопласта-4 и облицованной с двух сторон медной фольгой толщиной 50 мкм. Рабочая температура до 250^о.

· Используют для плат в диапазоне частот до 1МГц.

 

Стекло.

В РЭА широко применяются стекла неорганического происхождения. Они представляют собой сплавы специально подобранных оксидов. По роли в процессе стеклообразования оксиды делят на три группы:

1. Оксиды-стеклообразователи. Могут образовывать стекла без дополнительных добавок. (оксид кремния, оксид фосфора, оксид германия и т.д.)

По стеклообразующим оксидам именуют и сами стекла. Например: стекло на основе оксида SiO₂ называют силикатным.

2. Оксиды-модификаторы. Вводят в состав стекла по технологическим соображениям. Например: оксиды щелочных металлов натрия и калия вводят для снижения температуры варки стекла.

3. Промежуточные оксиды. Сами стекол не образуют, но могут придать им специфические свойства. Например, цвет.

Основными характеристиками стекол являются:

1. Температура размягчения (300^о –1700^оС)

2. Температурный коэффициент линейного расширения ТК_L. При соединении стекол с различными материалами необходимо, чтобы ТК_L были примерно равными, чтобы не произошло растрескивание стекла в процессе эксплуатации.

3. Предел прочности на растяжение и на сжатие.

4. Твердость

5. Электрическая прочность стекла Епр.(35-45 МВ/м)

6.Удельное электрическое сопротивление r (10¹⁴-10¹⁶Ом*м)

В зависимости от назначения существуют следующие виды стекол:

_1. Электровакуумные стекла. Применяются для изготовления баллонов электрических, электронных и газоразрядных ламп, кинескопов и т.д. Название вакуумных стекол определяется не составом стекла, а материалом, с которым близки по значению ТК_L.

Например: вольфрамовые стекла их ТК_L близок по значению к ТК_L вольфрама.

2. Изоляторные стекла. Используют для герметизации выводов радиоэлементов, для изготовления изоляционных подложек и различных изоляторов.

3. Стеклоэмали – стекловидные покрытия, которые наносят для защиты от коррозии, для изоляции выводов электровакуумных приборов. Используют в качестве диэлектрика в конденсаторах малой емкости.

4. Стекловолокно. Получают из расплава стекла методом вытягивания в тонкую нить. Применяется для изготовления стеклоткани, изоляции монтажных проводов, в качестве наполнителя в пластмассах.

5. Световоды. Световедущее волокно, состоящее из двух слоев. Внутри световедущая жила с высоким показателем преломления, снаружи – изоляционная оболочка с низким коэффициентом преломления. Применяется для передачи информации.

Керамика

Керамика – твердый, плотный материал, состоящий из неорганических солей, минералов и оксидов металлов. Керамика – многофазовый материал, который состоит из основной кристаллической фазы, аморфного вещества, заполняющего поры между кристаллами и газовой фазы (поры, микротрещины), наличие которой нежелательно.

Керамику получают в результате реакции между исходными компонентами при высоких температурах (1200-1600 градусов)

Конденсаторная керамика. (тип А и Б)

Основной характеристикой конденсаторной керамики является диэлектрическая проницаемость ε, которая должна быть как можно больше.

Технология изготовления керамических конденсаторов значительно проще, чем изготовление слюдяных, пленочных и бумажных, т. к. керамические конденсаторы не нуждаются в дополнительной герметизации. Кроме того, керамические конденсаторы имеют малые габариты при значительном номинале емкости за счет больших значений ε.

Слюдяные материалы.

 

Слюда встречается в виде кристаллов, характерной особенностью которых является способность легко расщепляться на пластинки параллельно друг другу плоскостям. По химическому составу – алюмосиликаты

мусковит:

флогопит:

Кроме того, в слюды могут входить соединения натрия. Цвет мусковита: красноватый, зеленоватый, бесцветный.

При повышении температуры электрические и механические свойства ухудшаются – происходит вспучивание, т.к. в составе слюды содержатся молекулы воды.

Из слюды изготавливают пластинки для слюдяных конденсаторов, шайбы, детали для осветительных и электрических ламп.

Синтетическая слюда.

Не содержит загрязняющих примесей и воды и значительно превосходит по нагревостойкости и электрическим свойствам природную. Состав может быть различным, наиболее распространенный - фторфлагопит.. Применяется в конденсаторах с рабочей t^о до 600 градусов, изоляционных экранов в ЭЛ, для окон волноводов и счетчиков частиц высокой энергии.

Микалекс – получается из смеси порошкообразной слюды и тонкоразмолотого легкоплавкого стекла. Горячее прессование. Мусковит и борно –свинцовые и борно баритовые стекла. Хорошо подвергается механической обработке: сверлению, фрезированию, шлифованию.

Применяется для панелей воздушных конденсаторов, для изготовления катушек индуктивности, плат переключателей, в мощных передатчиках.

 

Ситаллы.

Ситаллы – это закристаллизованные стекла. Получают с помощью специальной термообработки и добавлением мелкодисперсных примесей для образования центров кристаллизации. Таким образом, ситаллы состоят из мелких кристаллических зерен, скрепленных стекловидной прослойкой, т. е. имеют смешанную аморфно-кристаллическую структуру.

Ситаллы обладают высокой механической прочностью, твердостью, термической и химической стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами. Ситаллы можно обрабатывать механически (резать, шлифовать и т.д.), что позволяет применять их в качестве прочных изоляционных подложек микросхем. Ситаллы также применяют в качестве обтекателей антенн летательных аппаратов, деталей повышенной механической прочностью и термостойкостью.

 

Контрольные вопросы:

Активные диэлектрики

 

Электреты.

 

Электреты – это диэлектрики, которые длительное время создают в окружающем пространстве электрическое поле за счет предварительной электризации или поляризации.

Первые электреты были получены в 20е годы прошлого столетия из смеси воска и смол.

В зависимости от способа получения различают следующие виды электретов:

1. Термоэлектреты.

Получают охлаждением расплавленного или нагретого диэлектрика в сильном электрическом поле. При охлаждении подвижность зарядов значительно снижается и диэлектрик сохраняет остаточную поляризацию длительное время.

2. Электроэлектреты.

Получают воздействием на диэлектрик сильного электрического поля при комнатной температуре. Запряженный поверхностный слой получают за счет бомбардировки свободными зарядами поверхности диэлектрика.

3. Фотоэлектреты.

Получают при одновременном воздействии электрического поля и световой энергии на материалы, обладающие фотопроводностью. После прекращения воздействия световой энергии разноименные заряды остаются «замороженными» у противоположенных сторон диэлектрика. Фотоэлектреты необходимо хранить только в темноте.

4. Радиоэлектреты.

Получают при воздействии радиоактивного излучения,т.е. ускоренных заряженных частиц. Электризованный поверхностный слой получается за счет ударной ионизации или внедрения ускоренных частиц.

5. Трибоэлектреты. Получают при механическом взаимовоздействии двух диэлектриков (трении).

 

С течением времени заряд электрета уменьшается, что связано с разрушением остаточной поляризации. Время, в течение которого стабилизированный электрический заряд уменьшается в 2,72 раза, называется временем жизни электрета.

В качестве электретов используют как органические материалы, так и неорганические.

Из природных материалов применяют янтарь, канифоль, слюду и их смеси. Природные электреты обладают низкой стабильностью заряда, высокой чувствительностью к условиям хранения, время жизни не более 1 года. В изделиях радиоэлектроники практически не применяют из-за низкого качества.

В качестве синтетических материалов для изготовления электретов используют органические полимерные пленки с высокими диэлектрическими свойствами (лавсан, поликарбонат, полипропилен). Синтетические электреты в виде пленок применяют в качестве мембран в микрофонах, вибропреобразователях.

Электреты из неорганических материалов изготавливают на основе титаносодержащей керамики, ситаллов, различных стекол.

Электректы применяются для изготовления элементов электрической памяти, дозиметров проникающей радиации, для световой записи информации на диэлектрическую пленку.

Сегнетоэлектрики.

 

Сегнетоэлектриками называют материалы, у которых ярко выраженная спонтанная поляризация, при определенной температуре и может изменяться под действием приложенного поля. Характерными особенностями сегнетоэлектриков являются:

1. Доменная структура. Векторы электрического поля доменов параллельны друг другу, но ориентированы по-разному. При приложении электрического поля ориентация преимущественно в направлении электрического поля, что может создавать эффект сильной поляризации и следовательно сверхвысокое значение (ε до 50 000).

 

2. При определенной температуре диэлектрическая проницаемость принимает максимальное значение и потом резко снижается. Такая температура называется температурой Кюри.

Q(Кл)

 

 

 

 

Т^о

Т^о Кюри

3.При некотором значении Е_вн наступает насыщение. Поляризация сегнетоэлектриков связана с большими затратами энергии в переменном электрическом поле, т.е. обнаруживается “гистерезис”.

Q

-Q

E

–E

Площадь петли – характеризует потери за один период.

 

4. При определенных условиях сегнетоэлектрики обнаруживают пъезоэффект, т.е. под действием сжимающих или растягивающих усилий на поверхности материала обнаруживаются заряды (и наоборот). Эти материалы носят название пъезоэлектриков (пъезоэффект).

 

К числу сегнетоэлектриков относятся:

1. Сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆ 4Н₂О).

 

Особенности: два максимума (точки Кюри), между ними наблюдаются сегнетоэлектрические свойства (22,5^оС и –15^оС).

^.

Незначительная механическая прочность, появление трещин при незначительном нагревании и невысокая температура Кюри ограничивают применение сегнетовой соли.

2 Конденсаторная сегнетокермика.

Основана на применении ВаТiO₃ c затенением ионов титана и бария другими элементами, что в одних случаях приводит к смещению максимумов t^o влево и вправо (титанат стронция SrTiO₃ – влево, титанат свинца – вправо РbTiO₃).

Керамику используют для изготовления НЧ конденсаторов большой удельной емкости.

3 Нелинейная сегнетокерамика – для создания варикондов (конденсаторов, емкость которых зависит от напряженности электрического поля) используют сегнетокерамику с большой зависимостью диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения.

 

4. Терморезисторная сегнетокерамика.

Обладает позисторным эффектом, при котором происходит резкое увеличение удельного сопротивления при повышения напряжения.

Позисторы используются в ограничителях и регуляторах температуры в стабилизаторах тока, в схемах температурной компенсации.

 

3.5.3 Пьезоэлектрические материалы.

 

К ним относятся материалы, у кристаллов которых отсутствует центр симметрии и под действием механических напряжений возникают электрические моменты.

Изменение поляризации при прямом пьезоэффекте, равно поверхностной плотности выступивших зарядов пропорционально механическим напряжениям.

Материалы этой группы характеризуются коэффициентом связывающим q со значением деформирующего усилия и наз. пъезомодулем d= Q/F (кулон/ньютон)

 

Прямой пьезоэффект используют в различных датчиках движения, смещения, усорения.

При приложении электрического переменного поля в кристалле (пьезоэлементе) возможны механические колебания, амплитуда которых зависит от f приложенного напряжения. При совпадении частот возникает явление резонанса. Подобно контуру такой элемент характеризуется Q.

 

Пьезокристаллы:

Кварц,

У природного кварца значительная анизотропия и высокая стоимость, поэтому в настоящее время применяется редко.

Синтетический квар ц выдерживает t до 500^оС, в то время как природный кварц только до 250^оС. Из кварца вырезают различные пластины и.т.п.

Находит применение в кварцевых резонаторах, фильтрах, элементах обратной связи.

Этилендиаминтартрат (ЭДТ) – кристалл выращивается в лабораторных устройствах, d выше чем у кварца (7 - 10)*10^-12М/В. Имеет более низкую механическую прочность и добротность. Используется в кристаллических фильтрах и стабильных генераторах.

Турмалин используется для регистрации больших давлений.

Свойства полупроводников.

Свойства полупроводников определяются следующими параметрами:

 

1. Удельное электрическое сопротивление r= .

2. Удельная электропроводность полупроводника

 

g= , где

е – величина заряда электрона,

n - концентрация электронов,

u – подвижность электронов.

3. Подвижность носителей заряда (u) – это скорость перемещения электрона в направленном электрическом поле при разности потенциала в 1 вольт.

Подвижность зависит от температуры, от концентрации примесей и дефектов кристаллической решетки.

4. Ширина запрещенной зоны Е (эВ) – это энергия, которую необходимо сообщить собственному электрону, чтобы он преодолел силу притяжения и стал свободным носителем заряда. Зависит от температуры.

Ширина запрещенной зоны больше у тех материалов, которые имеют более высокую температуру плавления.

5. Концентрация собственных носителей зарядов. Зависит только от температуры.

6. Концентрация примесных носителей зарядов. Зависит от количества примесей и температуры.

7. Время жизни носителей заряда – это время существования электрона с момента его отрыва до момента рекомбинации или потери энергии.

8. ТК удельного сопротивления.

 

В производстве полупроводниковых приборов используют следующие виды полупроводниковых материалов:

Простые полупроводники.

Простыми называют п/п, основной состав которых образован атомами одного и того же элемента. Большинство п/п материалов являются твердыми кристаллическими веществами с решеткой типа алмаза. К простым п/п относятся:

 

1. Германий – элемент IV группы. Плотность – 5,35 г/м³ . Температура плавления = 937^оС. Собственное удельное сопротивление r = 0,68 Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 0,75 эВ. Т.к. ширина запретной зоны невелика, поэтому рабочая температура п/п приборов на основе германия не более +80^оС. Отрицательная рабочая температура не ниже – 60^о.

Все сорта германия обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Для использования в производстве п/п элементов легируют донорными и акцепторными примесями.

Применяется для изготовления диодов и транзисторов различного назначения. Также применяют в производстве фотодиодов, фототранзисторов, варикапов и т.д.

Монокристаллический германий для полупроводниковых приборов выпускают в виде слитков диаметром около 30мм. Маркируется германий следующим образом:

ГЭС-15, где Г- германий; Э – тип проводимости(электронная); С – легированный сурьмой;

Цифра обозначает удельное сопротивление, т.е. r = 15 ом*см.

ГДГ-7,5; германий с дырочной проводимостью, легированный галием, r=7,5 ом*см.

 

2. Кремний – элемент IV группы. Плотность – 2,32 г/см³. Температура плавления = 1414^оС. Собственное удельное сопротивление r = 2,3 * 10³Ом*м. Ширина запретной зоны DW = 1,12 эВ. Большая, чем у германия, величина запретной зоны позволяет создавать п/п приборы с верхним температурным пределом около 200^оС. Кремний является базовым материалом для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Также из кремния выпускают выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, стабилитроны, тиристоры, биполярные транзисторы различной мощности.

Монокристаллический кремний маркируется следующим образом:

КЭФ-3/2, где К – кремний; Э- электронная проводимость; Ф – легирован фосфором; r = 3 ом*см; 2 – время жизни заряда в мксек.

 

3. Селен – элемент VI группы. Может существовать как в аморфной, так и в кристаллической модификации. Аморфный селен является диэлектриком его удельное сопротивление r = 10¹² ом*см., кристаллический – полупроводником, удельное сопротивление которого уменьшается за счет введения примесей.

Для получения электронной проводимости вводят элементы VII группы - бром, хлор, йод.

Для получения дырочной проводимости вводят элементы V группы – фосфор, сурьма, мышьяк.

Из селена изготавливают выпрямители, фоторезисторы, фильтры в приборах инфракрасного диапазона.

4.3 Сложные полупроводники.

Их основной состав образован двумя или более элементами. Наиболее широко в производстве РЭА применяются двойные соединения следующих типов:

 

1. А^IVВ ^IV

Единственным соединением такого типа является карбид кремния - SiC. Является очень прочным, твердым материалом с повышенной термостойкостью. Ширина запретной зоны составляет DW=3,2эВ. Большое значение ширины запретной зоны позволяет создавать на основе карбида кремния п/п элементы рабочая температура которых достигает 700^оС.

 

2. А^IIIВ^V

Это соединение бора, индия, галлия, алюминия (III гр.) с азотом, фосфором, сурьмой, мышьяком (Vгр.). Широко используются следующие материалы: