Классификация материалов. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника

1.

1. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и
электроника: Учебное пособие для студентов ВузовСПб.:Питер, 2003 г.
2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники:
Учебное пособие для студентов вузов – 5-е изд., - СБб.:
Лань, 2003.
3. Хадыкин А.М. Радиоматериалы и радиокомпоненты.
Конспект лекций ОГТУ Омск 2008 г.
4. Ястребов А.С., Волокобинский М.Ю., Сотенко А.С.
Радиоматериалы и радиокомпоненты: Учебник
АСАДЕМА Москва Издательский центр «Академия» 2011
г.

2.

Литература к лаб. работам.

3.

Классификация материалов
По отношению к электрическому
полю все радиоматериалы
подразделяются на три основные
группы:
•диэлектрические материалы
•полупроводниковые
•проводниковые

4.

Классификация материалов
По удельному сопротивлению
1. Проводниковые материалы
v =10-8 - 10-5 Ом*м
2. Полупроводниковые
материалы v = 10-5 - 106 Ом*м
3. Диэлектрики
v = 107 - 1018 Ом*м

5.

Классификация материалов
• Проводники это вещества, имеющие в своей
структуре массу свободных электрических зарядов,
способных перемещаться под воздействием внешней
силы по всему объёму материала.
• К группе проводников в электростатическом поле
относят металлы и их соединения, некоторые виды
электротехнического угля, растворы солей (кислот,
щелочей), ионизированные газы.
• Лучшим проводящим материалом считается металл,
например, золото, платина, медь, алюминий. К
неметаллическим веществам, проводящим ток,
относится углерод.

6.

Классификация материалов
• Диэлектрики – вещества, противоположные по своим
свойствам проводникам. При отсутствии нагревания
заряженные частицы в нейтральном атоме тесно
взаимосвязаны и не могут осуществлять движения в
объеме материала. В связи с этим электрический ток в
диэлектрике протекать не может.
• К диэлектрикам относят: керамику, резину, бумагу,
стекло, фарфор, смолу, сухую древесину. Лучшим
диэлектриком считается газ. Качества диэлектриков
зависят от температуры и влажности среды, в которой
они находятся.
• При включении примеси, повышении влажности и
температуры, диэлектрики могут лишиться
непроводящих способностей.

7.

Классификация материалов
• Полупроводник отличается сильной зависимостью
удельной проводимости от температуры, разных типов
излучения, электрического поля и от концентрации
примесей.
• В полупроводниках образование свободных носителей
заряда происходит только при определённых условиях.
При повышении температуры проводимость
полупроводника возрастает, у проводника при этих
условиях падает.
• Наличие примесей играет обратную роль. В
полупроводнике повышается уровень проводимости, а у
проводника – возрастает сопротивление. Чистый металл
обладает большей проводимостью.

8.

Модель атома Бора

9.

Зонная теория твердого тела
• Отдельные атомы имеют дискретный энергетический
спектр, т.е. электроны могут занимать только
определенные энергетические уровни.
• В квантовомеханической системе не может быть
электронов в совершенно одинаковом квантовом
состоянии (то есть с одинаковой энергией )
• При образовании кристалла происходит расщепление
энергетических уровней изолированного атома на
множество близкорасположенных, но несовпадающих
друг с другом подуровней, число которых
пропорционально количеству атомов в кристалле. На
каждом таком подуровне может находиться не более
двух электронов с противоположными спинами

10.

Зонная теория твердого тела
• Каждая зона состоит из множества энергетических
уровней. Очевидно, их количество определяется числом
атомов, составляющих твердое тело. Это значит, что в
кристалле конечных размеров расстояние между
уровнями обратно пропорционально числу атомов. В
кристалле объемом в 1 см3 содержится 1022 – 1023 атомов.
Экспериментальные данные показывают, что
энергетическая протяженность зоны валентных
электронов не превышает единиц электронвольт. Отсюда
можно сделать вывод, что уровни в зоне отстоят друг от
друга по энергии на 10-22 – 10-23 эВ, т. е. энергетическая
зона характеризуется квазинепрерывным спектром.
Достаточно ничтожно малого энергетического
воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного
уровня на другой, если там имеются свободные
состояния.

11.

Зонная теория твердого тела
•Валентная зона соответствует
энергетическим уровням электронов
внешней оболочки в изолированных
атомах. Ближайшую к ней свободную,
незаполненную электронами зону
называют зоной проводимости. Взаимное
положение этих двух зон определяет
большинство процессов, происходящих в
твердом теле.

12.

Энергетические зоны диэлектрика,
проводника и полупроводника

13.

Классификация материалов

14.

Классификация материалов
При заполнении электронами
энергетических зон могут быть три
случая:
1. Валентная зона заполнена целиком,
зона проводимости пуста, ширина
запрещенной зоны велика ∆Е>3 Эв.
Соответствующая этому случаю группа
материалов носит название
диэлектрики. v =106÷1018 Ом*м. при
Т↑, v ↓.

15.

Классификация материалов
Эта группа занимает ведущее положение по
количеству, разнообразию материалов и
ассортименту. Диэлектрики используются в
газообразном, жидком и твердом состоянии.
•Твердые диэлектрики представляют наиболее
многочисленную группу, которая по составу и
структуре подразделяются на:
органические и неорганические.
•По применению: низкочастотные и
высокочастотные

16.

Классификация материалов
•Валентная зона заполнена целиком, зона
проводимости пуста, а ∆Е<3 Эв.
• Эта группа материалов – полупроводники.
v = 10-5 - 107 Ом*м . При Т↑, v ↓.
• Между диэлектриками и полупроводниками
нет качественной разницы, только по ширине
запрещенной зоны.
Эта группа материалов в настоящее время
занимает ведущее положение по применению
и значимости материалов электронной
техники.

17.

Классификация материалов
•Полупроводники могут быть в твердом и
жидком состоянии.
• Практическое применение находят в
основном твердые полупроводники.
•Полупроводники подразделяются на:
•Элементарные полупроводники Ge, Si.
•Неорганические полупроводниковые
соединения GaAs, GaP, SiC
•Органические полупроводниковые
соединения.

18.

Классификация материалов
3. Запрещенная зона равна нулю и
валентная зона перекрывается с зоной
проводимости.
•Эта группа материалов - проводники.
Качественное отличие от двух предыдущих
групп заключается в том, что эти материалы
обладают высокой проводимостью в
нормальных условиях. При Т= Табс. нуля в
зоне проводимости имеются свободные
носители заряда.
•ρv=10-8÷10-5 Ом*м, при Т↑, ρ v ↑..

19.

Классификация материалов
Проводники подразделяются на:
•Проводниковые материалы с высокой
удельной проводимостью или с
малым удельным сопротивлением
(алюминий, серебро, медь, золото,
платина, палладий)
•Проводниковые материалы с
высоким удельным сопротивлением
(манганин, константан, нихром).

20.

Классификация материалов
Магнитные материалы по величине
удельного сопротивления могут
относиться к одной из трех выше
перечисленных групп, но обладают
особыми свойствами.

21.

Классификация материалов
По отношению к магнитному полю
все радиоматериалы подразделяются:
•диамагнетики
•парамагнетики
•ферромагнетики
•антиферромагнетики
•ферримагнетики (ферриты).

22.

Классификация материалов по
типам внутренних связей
При сближении атомов на расстоянии
порядка нескольких ангстрем
(1А = 10 -10 м),
между ними проявляются силы
взаимодействия и между частицами, из
которых состоит вещество возникают
различные виды химических связей.
Различие в свойствах материалов
определяется видом химической связи.

23.

Если эти силы являются силами притяжения,
то атомы могут соединяться с выделением
энергии, образуя химические соединения.
При этом электроны внутренних и внешних
оболочек атомов ведут себя по разному.
Электроны внутренних, полностью
заполненных оболочек прочно связаны с ядром
и не участвуют в образовании химических
связей.

24.

Строение внешней, не полностью
заполненной
электронами
оболочки
определяет химические свойства атомов в
образовавшемся соединении.
Электроны, находящиеся на внешних
оболочках,
являются
валентными.
Валентность атома определяется числом этих
электронов.
Все многообразие существующих в
природе
материалов
характеризуется
несколькими видами химической связи.

25.

Классификация материалов по
типам внутренних связей
1. Ковалентная (гомеополярная) связь
•неполярные молекулы (симметричные)
•полярные - центры положительного и
отрицательного зарядов не совпадают
2. Ионная (гетерополярная) связь
3. Металлическая связь
4. Молекулярная связь (связь Ван-дер-Вальса)

26.

Ковалентная (гомеополярная) связь
При этой связи объединение атомов в молекулу
достигается за счет электронов, которые
становятся общими для пары атомов.
Возникает очень высокая плотность
отрицательно заряда между положительно
заряженными ионами.
Появление состояния с повышенной плотностью
отрицательного заряда в межионном
пространстве приводит к возникновению
сильного притяжения между атомами.

27.

Ковалентная (гомеополярная) связь
Ковалентная связь характерна как для
органических, так и для неорганических
соединений. К неорганическим веществам с
ковалентной связью относятся алмаз, кремний,
германий, арсенид галлия (GaAs), карбид
кремния (SiС).
Материалы с ковалентной связью
характеризуются высокой прочностью,
твердостью и высокой температурой плавления
(алмаз, кремний и др).

28.

Ковалентная связь

29.

Ковалентная связь в кремнии

30.

31.

Ионная (гетерополярная) связь
•Ионная (гетерополярная) связь. Наблюдается
в химических соединениях атомов металла с
металлоидными атомами (типа NaCl).
•Ионная связь возникает вследствие перехода
валентных электронов от металла к
металлоиду и возникновения
электростатического притяжения разноименно
заряженных ионов друг другу.
В узлах кристаллической решетки находятся
разноименно заряженные ионы, связанные
силой Кулоновского взаимодействия.

32.

Металлическая связь
Имеет место в металлах. Положительные ионы в узлах
кристаллической решетки находятся в среде
свободных коллективизированных электронов.
Отличие - в обобществлении электронов участвуют
все атомы. Электроны не локализируются вблизи
отдельных атомов, а свободно перемещаются внутри
решетки, образуя «электронный газ». Притяжение
между положительными ионами и «электронным
газом» определяет целостность металлов.
Наличие свободных электронов придает металлам
высокую электро- и теплопроводность.

33.

Молекулярная связь
(связь Ван-дер-Вальса).
Эта связь возникает между молекулами с
ковалентными связями. При сближении двух
молекул с ковалентной связью валентные
электроны в обеих молекулах начинают вращаться
согласованно, и между молекулами возникает сила
притяжения. Молекулярная связь называется также
связью Ван-дер-Ваальса.
Это наиболее слабая связь, энергия её на несколько
порядков меньше энергии ионной и ковалентной
связей.
Вещества с молекулярной связью (парафин,
жидкие кристаллы) имеют низкую температуру
плавления и невысокую механическую прочность.

34.

35.

36.

Типы химической связи

37.

Ковалентная и молекулярная связь

38.

Классификация по агрегатному
состоянию:
1. Газообразное
2. Жидкое
3. Твердое :
• Кристаллическое
• Аморфное
Расположение частиц в кристаллической
решетке. (плотное или неплотное, тип
плотной упаковки) определяет свойства
материала.

39.

Классификация по агрегатному
состоянию:

40.

В кристаллических веществах присутствует
строгий порядок в расположении атомов
(молекул), которые образуют правильную
кристаллическую решетку по всему объему.
В аморфных веществах такого порядка не
наблюдается.
Кристаллические вещества имеют точное
значение температуры плавления.
Аморфные вещества не имеют конкретной
температуры плавления.

41.

42.

Анизотропия кристаллов
Изотропностью называют независимость
физических свойств тела от направления
внутри него.
Анизотропия различие свойств по разным
направлениям
•Анизотропия - характерная особенность
кристаллов
•Аморфные вещества – анизотропны.

43.

Дефекты в кристаллах
Точечные дефекты:
а) смещение атома из узла
б) межузелье (атомы внедрения)
в) внедрение чужеродного атома

44.

Тепловые свойства
радиоматериалов
•- термостойкость
•- морозостойкость
•- теплопроводность
•- тепловое расширение

45.

Тепловые свойства радиоматериалов
Термостойкость
способность
материалов
выдерживать воздействие повышенной температуры
в течение времени, сравнимого со сроком
эксплуатации изделия, без ухудшения основных
параметров.
Для органических диэлектриков термостойкость
определяют по изменению механических параметров
(механической прочности, эластичности и т.д.), - для
неорганических диэлектриков, полупроводников и
проводников - по изменению электрических
параметров.
• Количественно величину термостойкости оценивают
значением температуры.

46.

Тепловые свойства радиоматериалов
Морозостойкость - способность материала
работать без ухудшения эксплуатационной
надежности при низких температурах (60/-70 С).
Оценка морозостойкости по изменению
механических параметров часто
определяется при одновременном
воздействии низких температур и
вибрации.

47.

Тепловые свойства материалов
Теплопроводность – способность
материалов проводить тепло.
Процесс передачи тепла в газах и жидкостях
обусловлен конвекцией - направленным
перемещением холодных и теплых слоев. В
чистых металлах движением свободных
электронов.
В диэлектриках и полупроводниках обычно фононами (колебаниями узлов
кристаллической решетки).

48.

Коэффициент теплопроводности
σт =Q*dl /S*dt*
диэлектрики
воздух-0,05
стекло-0,59-0,75
ситалл-0,8-2,5
бериллиевая
керамика-218
полупроводники
проводники
германий-50
кремний-80
серебро-419
алюминий-226
железо-74

49.

Температурный коэффициент
линейного расширения (ТКЛР) —
физическая величина,
характеризующая относительное
изменение длины образца материала
при изменении его температуры на
1 К (°C).
ТКЛР = (lt-l0)/ l0* (t1- t0)[1/град]

50.

Физические свойства
радиоматериалов
Влагостойкость оценивается
следующими понятиями:
•гигроскопичность (абсорбция)
•влагопроницаемость
•смачиваемость (адсорбция)

51.

Гигроскопичность – способность материалов
абсорбировать
влагу из окружающей среды.
Гигроскопичность материала определяется
структурой и химическим составом материала.
Наибольшей гигроскопичностью обладают сложные и
пористые материалы.
Влагопроницаемость – способность материала
пропускать сквозь себя водяной пар, при наличии
разности давлений водяного пара с двух сторон
материала.
Смачиваемость (адсорбция) – явление, связанное с
образованием пленки воды на поверхности. Это
явление характерно для негигроскопичных
материалов. Степень адсорбции зависит от
соотношения сил сцепления молекул воды друг с
другом и с поверхностью материала.

52.

Механические свойства
радиоматериалов
Механическая прочность – отсутствие
необратимых внутренних напряжений и
деформаций, т.е. способность
материалов противостоять разрушению
Твердость – способность поверхности
материала противостоять деформациям

53.

Электрические параметры
радиоматериалов
•Удельное объемное сопротивление
ρv=R*(S/l), [Ом*м]
•Удельная объемная проводимость
γv =1/ ρv [сименс/м]
•Температурный коэффициент
удельного сопротивления
ТКρ = (1/ ρ)*(dρ/dt) [1/K]
•Удельное поверхностное
сопротивление ρs=Rs*b/a , [Ом]

54.

Удельное поверхностное
сопротивление ρs
- параметр характеризующий все группы
материалов в твердом состоянии.
В отличии от ρv величина ρs зависит в
основном не от вида материала и его
структуры, а от состояния поверхности.
На величину ρs влияют:
•- присутствие влаги на поверхности,
•- загрязнения на поверхности,
•- наличие окислов на поверхности

55.

Зависимость удельного сопротивления
от температуры
•Рост ρv для проводников связан с
увеличением амплитуды колебаний
ионов в узлах решетки при повышении
температуры и уменьшении длины
свободного пробега электронов за счет
столкновений с колеблющимися ионами.
•Уменьшение ρv для полупроводников и
диэлектриков связано с увеличением
концентрации свободных носителей
заряда.

56.

Зависимость удельного
сопротивления от температуры
ρv
Проводн
.
Диэл.
полупров
Т0 С