WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Министерство образования Российской Федеpации Ивановский госудаpственный энеpгетический унивеpситет Кафедpа электpоники и микpопpоцессоpных систем УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ «СПЛАВЫ И СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ» по куpсу "МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ" для студентов специальности 2004 ЭМФ, ЗФ.

- ИВАНОВО 2003 - Составитель: В.Н. Егоров Редактор: А.И. Терехов Настоящее учебное пособие предназначено для изучения раздела «Сплавы» по курсу “ Материалы и элементы электронной техники ” Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 2004.

Учебное пособие утверждено цикловой методической комиссией ЭМФ.

Рецензент кафедpа электpоники и микpопpоцессоpных систем Ивановского госудаpственного энеpгетического унивеpситета.

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

Введение 4 I. Классификация проводниковых материалов 5 1.1 Основные свойства металлических проводниковых материалов 5 II.Электропроводность проводящих материалов 6 2.1. Электропроводность чистых металлов 6 2.2 Электропроводность металлических сплавов 10 2.3 Электропроводность сверхпроводящих сплавов 12 III.Применение металлических сплавов и соединений 15 3.1 Чистые металлы и сплавы, применяемые в радиоэлектронике 15 3.2 Сплавы высокого сопротивления 17 3.3 Сплавы для термопар 19 3.4 Сплавы тугоплавких металлов 20 3.5 Припои 24 3.6 Неметаллические проводящие материалы 27 3.7 Сверхпроводящие материалы 29 IV.Ферромагнитные материалы 32 V. Контрольные вопросы, задачи и упражнения 42 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время число наименований материалов, применяемых в электронной технике для различных целей, составляет несколько тысяч. Использование материалов предполагает определенный выбор, а для этого необходимо знать свойства материалов или определить их свойства экспериментально. В большинстве случаев отбор материалов только по одному свойству не дает удовлетворительного результата. Как правило, при решении инженерных задач требуется искать компромиссное решение, исходя из комплекса свойств материалов.

Материалы электронной техники подразделяют на :

- электротехнические;

-конструкционные;

- специального назначения.

Электротехническими называют материалы, характеризующиеся определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. В тоже время, большинство материалов, используемые в электронной технике, подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупности. По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные ( магнетики ) и слабомагнитные.

Наибольшую долю во всей массе применения в электронной технике имеют материалы на основе чистых металлов и сплавов. Они используются, прежде всего, в качестве проводников и магнитных материалов.

Проводниковые материалы, являясь одним из основных классов материалов электронной техники, должны обладать высокой электропроводностью и одновременно быть механически прочными, коррозионно-устойчивыми, термостабильными и т.п.

Магнитные материалы являются многокомпонентными по составу и многообразными по свойствам.

Области применения металлических сплавов в электронной промышленности постоянно расширяются. Нередко возникают задачи не просто подбора материалов, удовлетворяющих комплексу требований, а задачи синтеза материалов с определенными свойствами.

I. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В настоящее время не существует общепринятой классификации проводниковых материалов. В физике, химии и технике проводящие материалы классифицируют по разным признакам. Одна из возможных схем классификации показана на рис. 1.1.

.

Рис.1.1 Классификационная схема для проводниковых материалов 1.1 Основные свойства металлических проводниковых материалов Металлические проводниковые материалы должны обладать высокой электропроводностью, достаточной механической прочностью, а также пластичностью, позволяющей получать тонкие провода, ленты и фольгу, быть стойкими против окисления кислородом воздуха.

Металлические проводниковые материалы представляют собой вещества поликристаллического строения, т. е. они состоят из множества мелких кристаллов.

Большинство металлических проводниковых материалов обладает очень высокой электропроводностью (их удельное сопротивление = 0,0150 - 0,0283 мкОмм). Это преимущественно чистые металлы, которые используют для изготовления обмоточных и радиомонтажных проводов и кабелей.

Наряду с этим в радиоэлектронике применяют проводники с большим электрическим сопротивлением — сплавы различных металлов. У металлических (резистивных) сплавов = 0,4 - 2,0 мкОмм. Эти сплавы составляют группу металлических материалов с малым температурным коэффициентом: удельного сопротивления ( ТК или ) и применяются для изготовления проволочных резисторов и других радиокомпонентов, в небольшом объеме которых нужно создать большое электрическое сопротивление.

Температурный коэффициент удельного сопротивления проводников определяется выражением 1 d =.

d С ростом температуры электрическое сопротивление металлических проводников возрастает. Это объясняется тем, что с ростом температуры тепловые колебания атомов проводников становятся более интенсивными. При этом перемещающиеся в проводнике электроны все чаще сталкиваются с атомами и претерпевают тепловое рассеяние.

Кроме удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента сопротивления для оценки пригодности проводниковых материалов необходимо знать их механические характеристики.



Основной характеристикой, определяющей механическую прочность проводников, является разрушающее напряжение при растяжении (р), а характеристикой, определяющей пластичность металлических проводников, может быть относительное удлинение материала при его растяжении (eР ). Ясно, что чем выше пластичность металла, тем больше величина его относительного удлинения при растяжении.

Упругая деформация металла не вызывает заметного изменения его удельного электрического сопротивления, а пластическая деформация (прокатка, волочение) вызывает увеличение удельного сопротивления. Приведение повышенного удельного сопротивления деформированного проводникового материала к его прежней величине достигается рекристаллизацией металла. Процесс рекристаллизации пластически деформированного металла осуществляют выдержкой его при определенной температуре (отжиг металла) в течение определенного времени без доступа кислорода воздуха. Так, медные провода отжигают при 450 — 650 °С, алюминиевые — при 350 —400 °С в зависимости от диаметра проволоки и толщины лент.

Подводимая в процессе отжига тепловая энергия обусловливает рост кристаллов металла и возвращение их к прежней неискаженной форме. Примеси, растворенные в металле, заметно повышают его удельное сопротивление и, следовательно, снижают его электропроводность.

Чтобы получить проводники с малым удельным сопротивлением, их тщательно очищают от серы, фосфора, азота, кислорода и других примесей. Поэтому в металлических проводниках с малым удельным сопротивлением сумма примесей исчисляется сотыми долями процента.

Чтобы повысить удельное электрическое сопротивление проводников, применяют сплавы нескольких металлов. Установлено, что сплавы, представляющие собой твердые растворы с неупорядоченной структурой, обладают повышенными значениями удельного сопротивления и малыми значениями ТК. Сплавы, в кристаллической решетке которых неправильное чередование атомов металлов, называются сплавами с неупорядоченной структурой. Все металлические проводники обладают высокой пластичностью, позволяющей получать провода от 0 до 0,01 мм и ленты толщиной 0,05-0,1 мм.

Большинство чистых металлов и сплавов могут использоваться в среде окружающего воздуха до температуры не выше 200 °С и некоторые до 500 °С. При превышении этих температур на них образуется пленка оксидов, имеющая рыхлую структуру. Поэтому кислород воздуха получает доступ к металлу и окисляет его. Современная радиоэлектроника нуждается в проводниковых материалах, не окисляемых кислородом воздуха при 800-1000 °С.

В связи с этим разработана группа жаростойких проводниковых материалов с большим удельным электрическим сопротивлением.

II ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. Электропроводность чистых металлов Электропроводность чистых металлов обусловлена дрейфом свободных носителей заряда одного знака. В подавляющем большинстве чистых металлов такими носителями являются свободные электроны. Однако в ряде металлов, таких, например, как бериллий, цинк и некоторые другие, свободными носителями заряда являются дырки.

Проводимость электронных металлов описывается формулой:

= qn (2.1.1) где n – концентрация носителей заряда;

- подвижность носителей заряда.

Так как металлы являются вырожденными проводниками, то концентрация n электронного газа в них практически не зависит от температуры. Поэтому зависимость удельной электропроводности от температуры полностью определяется температурной зависимостью подвижности электронов вырожденного электронного газа. Это объясняется следующим образом.

Удельная электропроводность проводника Зная скорость дрейфа электронов, легко вычислить плотность электрического тока и удельную электропроводность проводника. Для этого выделим внутри проводника цилиндр с основанием, равным единице, и образующей, равной д и направленной вдоль дрейфа (рис.2.1.1).

Рис.2.1.1 Схема элементарного участка проводника с током Все электроны, заключенные в этом цилиндре, в течение 1 с. пройдут через основание и образуют ток плотностью r r r j = -qnд = qnE, где – подвижность носителей заряда.

r r = qn j = E Отсюда, согласно закону Ома,.

q lсп nстолкн cп = сп = C учетом того, что, а ;

m* n где сп – время свободного пробега;

m*n- эффективная масса электрона;

lcп – длина свободного пробега;

nстолкн – среднее количество столкновений с рассеивающими центрами;

– средняя скорость движения электрона nq =.

сп m* n Невырожденный газ В случае невырожденного газа вероятность заполнения зоны проводимости электронами настолько небольшая, что они практически не встречаются так близко, чтобы их поведение могло ограничиваться принципом Паули. Электроны являются полностью свободными в том смысле, что на движение любого из них другие не оказывают никакого влияния. Поэтому все электроны проводимости невырожденного газа принимают практически независимое друг от друга участие в создании электрического тока и формировании электропроводности проводника. Поэтому для электропроводности невырожденного газа пользуются средними параметрами: средней длиной свободного пробега, средней скоростью движения и средним временем релаксации:

lсп q nq сп сп = = = ; ;.

сп m* m* n n Вырожденный газ.

Для вырожденного газа все квантовые состояния ниже уровня Ферми заняты электронами. Поэтому внешнее поле может воздействовать лишь на электроны, расположенные около уровня Ферми, переводя их на более высокие свободные уровни. Это означает, что в вырожденном газе в формировании электропроводности могут участвовать не все свободные электроны, а лишь те из них, которые располагаются непосредственно у уровня Ферми. Поэтому в качестве времени релаксации в предыдущих формулах следует брать время релаксации электронов, обладающих энергией, практически равной энергии Ферми, т.е. спF.





Рис.2.1.2 Схема, поясняющая движение носителей заряда:

а- невырожденный газ; б- вырожденный газ.

Для пояснения различия между поведением в электрическом поле невырожденного и вырожденного электрических газов можно привести грубую механическую аналогию.

Представим, что на поверхности воды, налитой в плоский сосуд, плавают заряженные частицы-шарики, которые в отсутствии внешнего поля совершают беспорядочные движения с различными скоростями (рис.2.1.2, а). Если поместить сосуд во внешнее поле r E, то результат воздействия поля на “коллектив” шариков как целое будет существенно зависеть от того, как плотно они “уложены” на поверхности воды. Движение невырожденного коллектива определяется средними параметрами, а вырожденного определяется движением нижнего слоя частиц СС (рис.2.1.2, б). Для вырожденного электронного газа роль слоя выполняют электроны, располагающиеся у уровня Ферми.

Определено, что носители заряда в металлах составляют вырожденный электронный газ. Удельная проводимость металлов определяется выражением r q n lcn =, мет r m u n r где u - средняя скорость движения электронов.

Поэтому, температурная зависимость удельного сопротивления металлических r проводников при сравнительно высоких температурах будет зависеть от величины lсп, т.к.

в металлах скорости движения носителей заряда различаются мало, поскольку свобода перемещения электронов ограничивается принципом Паули. В свою очередь, зависимость длины свободного пробега от температуры определяется выражением r k упр lT =, 2 N k T r где lT - длина свободного пробега, зависящая от температуры;

kупр - коэффициент упругой связи, которая стремится вернуть атом в положение равновесия;

N – число атомов в единице объема материала.

С учетом изложенного, установлено, что подвижность носителей для невырожденного газа T-3/2, а для вырожденного газа T-1, поэтому получены следующие выражения для удельной электропроводности и удельного сопротивления чистых металлов:

в области высоких температур (T > 200 °К) = A / T, = аТ, (2.1.2) в области низких температур = В/Т5, = bТ5. (2.1.3) Здесь А, В, a, b — коэффициенты пропорциональности.

Табл.2.1.Элемент Na K Rb Сu Ag Аu 22 19 20 100 90, 106 Ом –1 м-теор 23 15 8 64 67, 106 Ом –1 м-эксп На рис.2.1.3 показана схематическая кривая зависимости удельного сопротивления чистых металлов от температуры. В области высоких температур графиком (Т) является прямая, в области низких температур — парабола 5-й степени, и вблизи абсолютного нуля, где основное значение имеет рассеяние на примесях, — прямая, параллельная оси температур.

Рис 2.1.3 Температурная зависимость удельного сопротивления металла Более строгий квантово-механический расчет позволяет вычислить коэффициенты А, а, В, b в формулах (2.1.2) и (2.1.3). В табл. 2.1.1 приведена удельная электропроводность ряда чистых металлов при комнатной температуре, вычисленная теоретически (теор) и определенная экспериментально ( эксп ) Из данных этой таблицы видно, что согласие теории с опытом является удовлетворительным для Na и К, у которых состояние электронов проводимости близко к состоянию свободных электронов. С увеличением атомной массы металла увеличивается потенциал решетки, растет взаимодействие электронов проводимости с решеткой и приближение свободных электронов выполняется хуже. Поэтому наблюдается все большее расхождение между теор и эксп.

Табл.2.1.273 87,4 57,8 20,4 11, 1 4,Т, °К 1 0,2645 0,1356 0,0060 0,0003 3 10-( / )теор о 1 0,2551 0,1314 0,0058 0,0003 3 10-( / )эксп о В табл. 2.1.2 приведены отношения проводимости золота при 273 °К к проводимости его о при низких температурах, вычисленные теоретически и определенные экспериментально.

Как видно, согласие теории с опытом является вполне удовлетворительным.

2.2 Электропроводность металлических сплавов В металлических сплавах концентрация носителей также не зависит от температуры.

Поэтому температурная зависимость электропроводности сплавов целиком определяется зависимостью подвижности носителей от температуры. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Предположим, что в идеальной решетке металла, например меди имеющей строго периодический потенциал U (рис. 2.2.1, а), часть узлов беспорядочно замещена атомами другого элемента, например золота. Так как потенциал поля примесных атомов отличен от потенциала основных атомов, то потенциал решетки не сохранится строго периодическим (рис. 2.2.1, б). Он нарушается беспорядочно распределенными примесными атомами. Такое нарушение приводит, естественно к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению.

Рис 2.2.1 Потенциальная диаграмма для:

а- идеальной решетки; б-решетки с примесями Как показал Л. Нордгейм, в простейшем случае бинарных сплавов типа твердых растворов подвижность носителей, обусловленная рассеянием их на нарушениях решетки, определяется следующим приближенным соотношением:

~ (1 - ), (2.2.1) спл где и (1 - ) — относительные доли металлов, образующих сплав.

Подставив из (2.2.1) в (2.1.1) и помня, что = 1/, получим следующее выражение для спл удельного сопротивления бинарного сплава:

спл=[(1 - )], (2.2.2) где — коэффициент пропорциональности.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.