Проводниковые материалы

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы

Свойстваи функции проводниковых материалов(ПМ). Электропроводность ПМ. Проводники1,2 и 3 родов. Структурная схема проводников.Факторы, определяющие электропроводностьПМ. Сверхпроводимость ПМ. Термоэлектродвижущаясила. Контакты. Материалы высокойпроводимости высоко сопротивления. ПМмикроэлектроники. Припои.

Литература[1,3,6,7].

Проводниковыематериалы – это материалы, служащиепроводниками электрического тока. Ихудельное электрическое сопротивлениемало, и составляет от 10-8до 10-4Ом∙м. Проводники могут быть твердымивеществами: кристаллические металлыи сплавы,углерод –этопроводники 1рода;жидкими – электролиты – это проводники2 рода; газообразными – газоразряднаяплазма – проводники 3 рода.

Проводники1 рода (рис. 3.1) практически не имеютзапрещенной зоны, так как зоны валентнаяи проводимости унихперекрываются.

Металлыобладаютметаллическим типом химической связи,при которойвалентные электроныатомовобобществлены иобразуют так называемый «свободный»электронный газ.

Атомы, расположенныев узлах (междуузлиях) кристаллическойрешетки, являются положительно заряженнымиионами, так как они отдали свои электроны«в общее пользование».

В такой системеимеет место большое количество свободныхносителей заряда – электронов.

Рис.3.1. Структурная схема проводников.

Вметаллических проводниках имеетсябольшое количество свободных носителейзаряда – электронов, поэтому ихэлектропроводность велика. Формулаэлектропроводности проводников

γ= qNu,

где N– концентрация свободных носителейзаряда, м-3;

u– подвижность носителей заряда, м2/В∙с;

q– величина заряда носителя, Кл.

Наибольшейэлектропроводностью обладают Ag,Cu,Auи Al, у которых большое количество электронов( 1028) в одном кубическом метре и их числопрактически не зависит от содержанияпримесей или от температуры, но подвижностьпримесей оказывает большое влияние,создавая своим присутствием дополнительныепрепятствия направленному движениюэлектронов в электрическом поле.Повышение температурытакжеуменьшает электропроводность, так какуменьшается подвижность электронов врезультатетепловых колебанийкристаллической решетки и увеличенияхаотического движения электронов.

Температурныйкоэффициент ТКR(ТКρ) проводников (чистых металлов)положителен и составляет величину(3∙10-3…4∙10-3)1/град.

Сувеличением температуры удельноесопротивление обычно растет. Приинженерных расчетах пользуются формулой:

ρt= ρ0∙[1+ αρ∙(tt0)], (3.1)

где ρt– удельное сопротивление при температуреt;

ρ0– удельное сопротивление при комнатнойтемпературе (обычно t= 20 °С);

αρ– средний температурный коэффициентудельного сопротивления.

Механическаяобработка металлов вызывает искажениекристаллической решетки и приводитк увеличению удельногосопротивления.

Чистыеметаллы более чувствительны к температуре,поэтому используются в качестветермосопротивлений, а их твердые растворыCu-Ni,Cu-Ni-Mn,Ni-Cr и другие – в качестве высокостабильныхобразцовых сопротивлений.

Всеметаллы ПМ делят на металлы высокойпроводимости ρ < 0,05 мкОм∙м, сплавывысокого сопротивления ρ > 0,5 мкОм∙ми сверхпроводниковые материалы, имеющиечрезвычайно малое ρ, которые нижеопределенной температуры (для каждогоматериала температура своя) переходятв сверхпроводящее состояние, т.е. ихсопротивление постоянному току становитсяпрактически равным нулю. Если металлпереходит в это состояние скачком –это сверхпроводник 1-го рода, если плавно– сверхпроводник 2-го рода (как правилоэто сплав).

Температураперехода в сверхпроводящее состояниеназывается критической (Ткр),выше этой температуры сверхпроводникпереходит в обычное проводящее состояние.

Оченькратко сверхпроводимостьможно объяснить тем, что в металлепри определенныхусловиях образуются пары электронов(куперовскиепары), имеющиепротивоположные импульсы и спины.

Такаяпара взаимодействует с кристаллическойрешеткой – одинэлектрон,отдавая ей свой импульс, переводит еев возбужденноесостояние;второй электрон этой пары забираетпереданный решеткеимпульси тем самым переводит ее в нормальное(первоначальное)состояние.

Врезультате состояние решетки неизменяется, а между электронами,обменявшимися фотонами, возникает силавзаимного притяжения. Таких электронныхпар в металле великое множество, но всеони движутся согласованно, электронныеволны их имеют одинаковые длины и фазы.

Отсутствиесопротивления в сверхпроводникеобъясняется тем, что движение всехэлектронных пар в металле можно описатькак распространение одной (суммарной)электронной волны, которая не рассеиваетсякристаллической решеткой потому, чтосама решетка участвует в образованииэтой волны, т.е. собственные колебаниярешетки согласованы с электроннойволной, имеют те же длины волн и фазы.

Ток,возбуждаемый за счет внешнего источника(который затем выключается) в сверхпроводящейцепи, может сохраняться очень длительноевремя, если в ней поддерживать определенныеусловия.

Кроменулевого сопротивления сверхпроводникиобладают свойствами идеальныхдиамагнетиков, магнитные силовые линиив них не проникают, выталкиваются.

Наразрыв электронных пар и переход внормальное (несверхпроводящее) состояниетребуется затрата определенной энергии,например: температуры, превышающейкритическую Ткр;магнитного поля, превышающего Нкр(для каждого металла Нкр– свое); электрического тока, величинакоторого вызывает на поверхностисверхпроводника критическое магнитноеполе – Нкр.

Еслиэнергия этих воздействий больше силсвязи между электронными парами – ониразрушаются, а металл теряет своесверхпроводящее состояние, становясьобычным проводником.

Надозаметить, что не все чистые металлы исплавы переходят в сверхпроводящеесостояние. Например, такие хорошиепроводники при нормальных условиях какмедь и серебро, не переходят всверхпроводящее состояние даже притемпературах близких к абсолютномунулю.

Втаблице 3.1приведены некоторые проводниковыематериалы, способные становитьсясверхпроводниками при низких температурах,их критические тепловые и критическиемагнитные поля.

Таблица3.1

МатериалКритическая температура Ткр, ККритическоемагнитное поле Нкр, кА/м
Цинк (Zn)0,884,24
Алюминий (Al)1,28
Кадмий (Cd)0,562,5
Ртуть (Hg)4,1532,8
Свинец (Pb)7,264,5
Ниобат олова (Nb3Sn)18,119,5∙103

Применениесверхпроводников в мощных магнитах,трансформаторах, генераторах, линияхпередач сводит к нулю потери в проводникахи позволяет значительно повышатьплотность тока и напряженность магнитногополя.

Сейчасведутся работы по созданию высокотемпературныхсверхпроводников. Предполагается, чтоими будут керамические материалы.

Еслидва различных металла или сплаваприводятся в плотное соприкосновение,между ними может возникать контактнаяразность потенциалов (КРП). Причина еепоявления состоит в неодинаковойвеличине работы выхода электронов изметаллов, а также в различной плотностисвободных электронов у разных металлов.

Есливзять два разных проводника − А и В(рис. 3.

2)с работами выхода электронов WвыхАи WвыхВ;плотностью электронов nАи nВ,то при соотношении, например, WвыхА< WвыхВи nА> nВ,электроны из А перейдут в приграничномслое контакта в В (градиент концентрацииэлектронов!), нарушится электронейтральностьи на границе соприкосновения появитсяконтактная разность потенциалов,направление которой показано стрелкой.

Рис.3.2Контактная разность потенциалов (WAnB)

Контактнаяразность потенциалов определяется поформуле:

, (3.2)

где UAи UB– потенциалы соприкасающихся металлов;

n0Aи n0B– плотности электронов в А и В, м-3;

К– постоянная Больцмана, К=1,38∙10-23Вт/град;

q–заряд электрона, 1,6∙10-19А∙с;

Т– абсолютная температура, К.

Еслитемпература спая (Тг)будет больше температуры (Тх)концов проводников, между которымивключить измерительный прибор, то взамкнутой цепи возникнет термоэлектродвижущаясила, которую можно определить по формуле

. (3.3)

Контактнаяразность потенциалов и термо-ЭДС должныучитываться при изготовлении точныхизмерительных приборов; чтобы не вноситьпогрешности в измерения, надо подбиратьтакие контактирующие металлы, междукоторыми возникает как можно меньшиеКРП и термо-ЭДС, например, между медьюи манганином возникает термо-ЭДС порядка(2…3) мкВ/град, а между медью и константаном(40…50) мкВ/град. Это явление используетсядля изготовления термопар – измерителейтемпературы.

Примеромпар проводников для изготовлениятермопар могут служить: медь-константан,хромель-копель, которые используютсядля измерения температур до 300…500 °С,хромель-алюмель – до 900…1000°С и др.

Большойпроцент выхода электрической аппаратурыиз строя происходит за счет процессов,происходящих на контактах. Поэтому привыборе материалов для контактных парнужно учитывать: условия их эксплуатации,окружающую среду; взаимодействиематериалов друг с другом (термо-ЭДС ,взаимная диффузия), твердость, окисляемостьи т.д.

Наиболееответственными контактами, применяемымив радиоэлектронике, являются разрывныеи скользящие. При этом материалы должныобеспечивать их высокую надежность:исключение возможности обгоранияконтактирующих поверхностей, привариваниядруг к другу, сильного окисления и др.

Вкачестве контактирующих материаловпри разрывных контактах применяютчистые тугоплавкие металлы, различныесплавы и металлокерамические композиции,например:

Cu-W;Ag-CdO; Ag-Co,Ni,Cr,W,Mo,To; Cu-C; Cu-W,Mo; Au-W,Mo идр.

Наибольшаяпроводимость наблюдается у Ag=1,585·10−8Ом·мпри20 °С); следующие в ряду – Сu(ρ=1,673 ·10−8Ом·м)Аu (ρ=2,084 • 10 −8Ом·м)и А1 (ρ= 2,691·10-8Ом·м). ЭлектропроводностьСuопределяется уровнем примесей.

ПрименяютСuмарок МООб, МОб, Mlб (бескислородная), раскисленную М1р,М2р, МЗр, рафинированную М2, МЗ и некоторыедругие сорта. В микроэлектроникеиспользуют медь, переплавленную вэлектронно-лучевой установке (МЭ), ссодержанием 99,999 % Си по массе.

Медь широкоиспользуется как в проводах, так и ввиде фольги толщиной 5, 18, 50, 70, 105 мкм(чистота 99,5 %, высота микронеровностей0,4 – 0,5 мкм).

Алюминийвторой после меди проводниковый материал.По ГОСТ 11069-74 различают алюминий особочистый А999, высокой чистоты А995-А95 итехнической чистоты А85-АО. В микроэлектроникеиспользуют А999.

Серебромарок Ср999,9 и Ср999 используют вслабонагруженных контактах, в припояхи СВЧ-технике. Золото марок Зл999,9 и Зл999в качестве микропроволоки и фольгиприменяются в интегральных микросхемах.

Материалывысокого сопротивления используют вЭС при изготовлении образцовых резисторов,реостатов, нагревательных элементов всоставе термопар (константан). Наибольшеераспространение получили манганин(Cu-Mn-Ni),константан (Cu-Ni)и хромоникелевые сплавы. Нихром (Х20Н80)широко используется в микроэлектронике.

Кпроводниковым материалам относят иприпои, которые предназначены дляэлектрического и механического соединенияпроводников. Припои делят на две группы:мягкие, с температурой плавления до 300°С и твердые, с температурой плавлениясвыше 300 °С.

Предел прочности на разрыву мягких 16 – 100 МПа, а у твердых 100 – 500 МПа.

В припои входят различные компоненты:олово – О, свинец – С, серебро – Ср, палладий- Пд, медь – М, германий – Г, висмут – В,титан – Т, сурьма – Су, алюминий – А, никель- Н, индий – Ин, золото – Зл, кремний – Кр,кадмий – К.

Длятонкопленочных резисторов ИС (толщинарезистивных пленок 0,01 – 0,1 мкм) используютсятугоплавкие металлы и сплавы, композиционныематериалы (силициды керметы), а такжедвуокись олова SnO2.

Этохром, тантал, рений, нихром, кремниевыерезистивные пленки (Si-Cr-Ni-Fe)марок PC;металосилицидные сплавы МЛТ(SiSiO2FeCrNiAlW).

Длятолстопленочных резисторов (толщина10-20 мкм) используют серебропалладиевыеи рутениевые пасты. Это дорогие пасты,поэтому разработаны более дешевыерезистивные пасты на основе полупроводниковыхоксидов ( SnO2+ SbO2,Te2O2).

Вопросыдля самопроверки:

1. Определение ПМ. Классификация.

2. Факторы, влияющие на электропроводностьПМ.

3.На какой параметр (в формуле проводимости)оказывают влияние повышение температуры,введение примесей в металл и механическоеискажение кристаллической решетки?

4. Определение ТКС.

5.Определение сверхпроводимости. Основныесверхпроводящие материалы и иххарактеристики.

6. Контактная разность потенциалов итермо-ЭДС.

7. Явления на контактах.

8.Основные характеристики Си и А1 как ПМ.

9.Константан. Нихром. Манганин. Свойстваи характеристики.

10. Классификация и характеристики припоев.

11. Характеристики материалов для резисторовИС.

Источник: https://studfile.net/preview/2687345/page:4/

������������� ��������� � �����������������

Проводниковые материалы

� �������� �������������� ������ � ����������������� ��������� ���������� �� ����, ��������, �� ������� � ������ (�����).

���� �������� ����� �� ������ �������������� ����������. ��������� ���� ��� 20�� 8,95 �/��3, ����������� ��������� 1083� �.

���� ��������� ���� �������, �� ����� ������������ � ������� �������, � � ������������ ������� � ������ �������� ������������ ������ � ����������� ����������� (���������).

�� ������� ���� ������ ����������� ������ ����� ����� ������� �����, �� ��� ��������� �� ��������� � ����� ������� � ������ ������� �� ���������� ��������. ���� ������ ��������� ����� � �������� ��� �������.

��� ������������ ������������� ����������� ����������� ����������������� ���� � �������, ���������� 99,93% ������ ����.

������������������ ���� ������ ������� �� ���������� � ���� �������� � � ������� ������� �� ������������ � ����������� ���������. �������� ������������� ���� ��� 20� � ���������� 0,0172�0,018 �� � ��2/�.

��� ������������ ����������� ��������� ������, ����������� ��� ������� ���� � �������� ����� �������������� 8,9, 8,95 � 8,96 �/��3.

��� ������������ ������� ����������� ������ ������ ������������ ���� � ������� � ������� ���������. ���������� ���������� �������� ��������� ������.

������ – ����� ���� � ������, � ����������� � ������ �� ����� 50% ����, � ��������� ������ ��������. �������� ������������� ������ 0,031 – 0,079 �� � ��2/�. ��������� ������ – ������ � ����������� ���� ����� 72% (�������� ������� �������������, ���������������� � ���������������� ����������) � ����������� ������ � ��������� ��������, �����, ������ ��� ��������.

������ – ����� ���� � ������ � ��������� ��������� ��������. � ����������� �� ���������� � ������ �������� ���������� ������ �������� ������������, ������������, �����������, ������������, ����������. �������� ������������� ������ 0,021 – 0,052 �� � ��2/�.

������ � ������ ���������� �������� ������������� � ������-����������� ����������. ��� ����� �������������� ������ � ���������, ��������� ������ ����������� ��������.

�������� – �� ����� ��������� ������ ����� ���� �������������� ��������. ����������� ��������� 659,8� �. ��������� �������� ��� ����������� 20� – 2,7 �/��3. �������� ����� ���������� � ������ ��������������. ��� ����������� 100 – 150� � �������� ����� � ��������� (����� ���� �������� � ����� �������� �� 0,01 ��).

������������������ �������� ������ ������� �� �������� � ���� �� ������������ � �������� ���������. ��� ���� ������ ��������, ��� ���� ��� ������������������ � ����� ��������������� ���������� ������������.

���������, �������� � ����� ����������� ������ �� ������������ ��������� ��������. ��� �������� ��������� �������� ������������� ��� ���������, ��������� � ��������� �� ����������.

�������� ������������� �������� ��� 20� � 0,026 – 0,029 �� � ��2/�.

��� ������ ���� ��������� ������� ���������� ������ ���� ��������� � ��������� �������������, �. �. � 1,63 ����.

��� ������ ������������ ����������� ��������� ����� � 2 ���� ����� �������.

��� ������������ ����������� ��������� ��������, ���������� �� ����� 98% ������� ��������, ������� �� ����� 0,3%, ������ �� ����� 0,2%

��� ������������ ������� ����������� ������ ���������� ����������� ������ � ������� ���������, ��������: ���������� – ����� �������� � ����� � ���������.

������� – ������ �������� ����� �� �������� � �������� �������, ������, ��������.

����������� ������ �������� �������� ��������� ���������� � ������� ������������ ����������.

���������� ���������� � �������������� �������� ��������� ����������� ������:

����������� ������������� ����� ����� ��, ������� �������� �� ����� 98,8 � ������ �������� �� 1,2.

����������� ������������� ����� ����� ��1, ������� �������� �� ����� 99,3 � ������ �������� �� 0,7.

����������� ������������� ����� ����� ��31, ������� �������� 97,35 – 98,15 � ������ �������� 1,85 -2,65.

������ ����� �� � ��1 ����������� ��� ������������ �������� � ������ ���������� �������. �� ������ ����� ��31 ����������� ������� � ����, ����������� ��� ������������� ������������.

������� �� ����������� ������� � ���������� ����������� ��������� ����������� ������� ������� ��������� � ��������� (����������).

������ – ����������� ��������� 1539��. ��������� ������ – 7,87. ������ ������������ � ��������, ���������� ���������� � ����������.

� �������������� ��������� ����� ��������� �����, ��������:

������������ ����� – ������ ������ ������ � ��������� � � ������� ����������������� ���������.

�������� ������������� ������������ ������ 0,103 – 0,204 �� � ��2/�.

������������ ����� – ������ � ������������� ��������� � ������������ ����� ���������� �����, ������ � ������ ���������.

����� �������� �������� ���������� ����������.

� �������� ������� � ������, � ����� ��� ������������ ������� � ������������� �������� �������� �������������� �������� ������ ���������:

������ – ������ ������. ����������� ��������� ������ 321��. �������� ������������� 0,1 �� � ��2/�. � �������������� ������ ����������� ��� ������������� ������������ ������� � ��� �������� �������� (������������) ����������� ��������. �� ����� ��������������� ��������� ������ ������ � �����, �� ��������� �������� ����� ������� � ��������� ����� ������ �����, ��� ��������.

������ – ����������� ��������� 1455��. �������� ������������� ������ 0,068 – 0,072 �� � ��2/�. ��� ������� ����������� �� ���������� ���������� �������. ������ ����������� � ������� � ��� ��������� �������� (�������������) ����������� ��������.

����� – ����������� ��������� 231,9��. �������� ������������� ����� 0,124 – 0,116 �� � ��2 /�. ����� ����������� ��� ����� ��������� �������� (�������) �������� � ������ ���� � � ���� ������� � ������� ���������.

������ – ����������� ��������� 327,4��. �������� ������������� 0,217 – 0,227 �� � ��2/�. ������ ����������� � ������� � ������� ��������� ��� �������������� ��������. ����������� � �������� ������ (������).

������� – ����� ������, ������� ������. ����������� ��������� ������� 960,5��. ������� – ������ ��������� ����� � �������������� ����. �������� ������������� ������� 0,015 – 0,016 �� � ��2/�. ������� ����������� ��� ��������� �������� (����������) ����������� ��������.

������ – ��������� ������� ������, ����������� ��������� 631��. ������ ����������� � ���� ������� � �������� ������ (������).

���� – �������, ��������� ������. ����������� ��������� 1830��. �� ������� ��� ������� ����������� �� ����������. �������� ������������� ����� 0,026 �� � ��2/�. ���� ����������� � ������� � ��� ��������� �������� (������������) ������������� ������������.

���� – ����������� ��������� 419,4��. �������� ������������� ����� 0,053 – 0,062 �� � ��2/�. �� ������� ������� ���� ����������, ���������� ����� �����, ���������� �������� �� ��������� � ����������� ���������� ������������. � �������������� ���� ����������� � �������� ������� � ������ � ������, � ����� ��� ��������� �������� (����������) ������������ ������������� �������.

Источник: http://ElectricalSchool.info/spravochnik/material/528-provodnikovye-materialy-v.html

Vse-referaty
Добавить комментарий