Классификация материалов по электрическим свойствам - ELSTROIKOMPLEKT.RU

Классификация материалов по электрическим свойствам

Классификация электротехнических материалов

ЛЕКЦИЯ 10

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ

Электротехническими материалами (например, контактными материалами) называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электрическим и магнитным полям и применяемые в технике с учетом и благодаря этим свойствам. В настоящее время число наименований электротехнических материалов, применяемых в радио-, микро-, и наноэлектронике составляет несколько тысяч. Причем все более актуальным является задача создания новых материалов с заданными свойствами (оптическими, полупроводниковыми, эмиссионными и т. д.)

Основными областями использования электротехнических материалов является электроэнергетика, электротехника, радиоэлектроника.

Электроэнергетика – это производство энергии и ее поставка потребителю. Это линии электропередач, трансформаторные станции, энергетическое хозяйство.

Электротехника – это все, что связано с превращением электрической энергии в другие виды энергии с одновременно осуществлением технологических процессов:

электротермических, — электросварочных,- электрофизических,- электрохимических и др.

Радиотехника – это системы управления энергетическими и электро-техническими объектами, передача информации, ее обработка, хранение и т. д.

Совершенствование электротехнологии повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокой прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному воздействию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность.

Классификация электротехнических материалов

Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения.

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным и практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

Проводниковыеназывают материалы, основным электрическим свойствам которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удель­ной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлект­рическими материалами и отличи­тельным свойством которых яв­ляется сильная зависимость удель­ной проводимости от концентрации и вида примесей или различных де­фектов, а также в большинстве слу­чаев от внешних энергетических воздействий (температуры, осве­щенности и т. п.).

Диэлектрическими называют материалы, основным электриче­ским свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводи­мость и чем слабее у него выраже­ны замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определи­лась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами являются диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т. е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материалы используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наимень­ших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, ма­териалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Условно к проводникам относят материалы с удельным электри­ческим сопротивлением ρ -5 Ом*м, а к диэлектрикам материа­лы, у которых ρ > 10 8 Ом*м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 -8 Ом м, а лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом-м. Удельное сопротив­ление полупроводников в зависимости от строения и состава материа­лов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах
10 -5 —10 8 Ом м. Хорошими проводниками электрического тока яв­ляются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ сущест­вуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полу­проводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектри­кам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут прояв­лять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в кото­рых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходи­мыми физико-механическими параметрами. Такие материалы назы­вают высокочастотными.

Классификация материалов электронной техники по электромагнитным свойствам.

Проводники – материалы (чаще всего металлы), обладающие высокой электропроводностью, которая обусловлена большим количеством свободных электронов и характеризующиеся отрицательной реакцией удельной проводимости на повышение температуры и легирование.

Полупроводники – материалы, с электронной проводимостью, обладающие меньшей электронной проводимостью, чем проводники, при этом характерна сильная положительная зависимость электропроводности от воздействия внешних энергонесущих факторов и легирования.

Диэлектрики – вещества, обладающие весьма малой электронной проводимостью вследствие большой энергии ионизации атомов. Для них также характерна положительная реакция электропроводности на воздействие внешних энергонесущих факторов, но мало заметная.

Магнитные материалы – вещества, которые под воздействием внешнего магнитного поля способны намагничиваться (то есть приобретать магнитные свойства), при этом магнитными материалами могут быть и проводники, и полупроводники, и диэлектрики.

Свойства материалов электронной техники. Механические ствойства.

Механические свойства материалов.Способность противостоять разрушению — это прочность, а противостоять деформации — это жесткость .Жесткость важна для корпусов, плат, осей — там, где важны размеры и относительные положения деталей.

Механические (прочностные) свойства определяются механическими характеристиками: — предел прочности на растяжение, Н/м 2 ; — предел прочности на сжатие, Н/м 2 ; — предел прочности при статическом изгибе, Н/м 2 ; — относительное удлинение при растяжении, %; а – ударная вязкость, Дж/м 2 .

Упругая деформация описывается законом Гука σ = Eδ, где Е — модуль упругости (Юнга);σ — напряжение [П][н/м2]δ — относительное удлинение в %.M

Свойства материалов электронной техники. Электрические свойства.

К электрическим свойствам относятся полярность поверхности, плотность заряда, удельное электрическое сопротивление, электризуемость, диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность и др. Электрические свойства оказывают влияние на назначение материалов и изделий, определяют безопасность электро- и радиотоваров, бытовых машин, влияют на гигиенические свойства одежды и др. Электризуемость характеризует способность материалов к генерации и накоплению зарядов статического электричества. Электризация — процесс накопления зарядов, который возникает в результате нарушения контакта между двумя поверхностями; в результате происходит переход носителей зарядов (электронов или ионов) с одной контактирующей поверхности на другую. При трении электризация повышается из-за возникновения и нарушения контактов трущихся поверхностей. Диэлектрическая проницаемость количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, она показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком. Электрическая проводимость (электропроводность) характеризует способность вещества проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля. Электропроводность зависит от силы или плотности тока, от времени воздействий и напряженности электрического поля, температуры и влажности окружающей среды состава и строения материала проводника. Об электропроводности материала чаще всего судят по удельной электрической проводимости . Высокими электроизоляционными свойствами характеризуются резина, стекло, фарфор, пластические массы и другие материалы, которые применяют для изоляции токопроводящих жил и деталей в электронагревательных приборах и бытовых машинах.

Читайте также  Как выбрать варочную панель электрическую встраиваемую?

Свойства материалов электронной техники. Тепловые и физико-химические свойства.

Тепловые свойства определяются тепловыми характеристиками:ТПЛ – температура плавления, °С, К;температура размягчения, °С, К;ТКЛР — температурный коэффициент линейного расширения, 1/град;λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·град;теплостойкость (статическая характеристика);нагревостойкость (динамическая характеристика);холостойкость (характеристики определяются в пределах каких-либо температур).
Физико-химические свойства определяются физико-химическими характеристиками:ω – водопоглощаемасть, г/дм2;υ – гигроскопичность, г/дм3;тропическая стойкость (устойчивость к комплексному воздействию высоких температур, влажности, биологическому, химическому составу атмосферы);радиационная стойкость.

Основы зонной теории тв. т.

Сущность зонной теории сводится к тому, что каждый электрон в одиночном возбужденном атоме находится на определённом дискретном энергетическом уровне, так как энергия квантована.

Электроны располагаются вокруг атома в оболочках, которые состоят из электронов с близкими энергиями. Чем дальше от ядра атома оболочка, тем энергия электрона больше. Самая удалённая оболочка атома называется валентной: в ней находятся электроны, имеющие максимально возможную для данного атома энергию (для связанных электронов). Электроны могут изменять свой энергетический статус: приобретать и терять энергию, переходя при этом из одной электронной оболочки в другую. Электроны могут иметь энергию и большую, чем в валентной оболочке, но при этом они становятся свободными от влияния ядра атома и способными к перемещению в объёме вещества.

Постулаты зонной теории

I Связанные электроны находятся в потенциальной яме атома.

II Электроны имеют дискретный спектр энергий.

III На каждом энергетическом уровне может одновременно находиться не более двух электронов с разными спиновыми моментами.

34. Условия возникновения и понятие об активационном характере токопрохождения

Существует две причины возникновения макротоков в материалах:

1. Градиент потенциала ;

2. Градиент концентрации .

В соответствии с этими причинами электрический ток, возникающий под действием градиента потенциала, называется дрейфовым, под действием градиента концентрации – диффузионным.

Условия, необходимые для возникновения макро токов:

1. Наличие свободных носителей заряда: электронов, ионов, активных в зарядовом отношении радикалов.

2. Способность носителей заряда к перемещению, то есть подвижность.

Как для образования свободного носителя заряда, так и для начала его движения требуется какая-то энергия, причём всегда. Принято различать эти энергии: энергия, необходимая для образования одного свободного носителя заряда – энергия активации носителя заряда; энергия, необходимая для перемещения – энергия активации подвижности.

В том случае, если величина этих энергий пренебрежимо мала, говорят, что имеет место безактивационный механизм образования носителей заряда и подвижности (электропроводности)

Чисто безактивационый механизм электропроводности имеют только металлы. Остальные классы веществ имеют электропроводность активационного типа.

Не вдаваясь в механизм движения носителей заряда, очевидно, что электрический ток равен произведению числа носителей заряда на их подвижность

35. Подвижность носителей заряда. Виды подвижности

отношение скорости направленного движения носителей заряда в веществе под действием электрического поля к напряженности этого поля.

В соответствии с существующими причинами возникновения электрического тока, различают дрейфовую и диффузионную подвижности.

— дрейфовая подвижность – скорость направленного движения носителя заряда в результате воздействия на него внешнего электрического поля с напряжённостью 1В/см.

— диффузионная подвижность – скорость направленного движения носителя заряда под действием единичного градиента концентрации.

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 592 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Электрические свойства вещества

При формировании кристаллических решеток твердых тел из атомов различных веществ валентные электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, различным образом взаимодействуют друг с другом и, как следствие, ведут себя по-разному (см. Зонная теория проводимости твердых тел и Теория молекулярных орбиталей). Таким образом, свобода валентных электронов перемещаться внутри вещества обусловливается его молекулярно-кристаллической структурой. В целом же, по электропроводящим свойствам все вещества можно (с некоторой долей условности) подразделить на три категории, каждая из которых обладает ярко выраженными характеристиками поведения валентных электронов под воздействием внешнего электрического поля.

Проводники

В некоторых веществах валентные электроны свободно перемещаются между атомами. Прежде всего, к этой категории относятся металлы, в которых электроны внешних оболочек буквально находятся в «общей собственности» атомов кристаллической решетки (см. Химические связи и Электронная теория проводимости). Если подать на такое вещество электрическое напряжение (например, подключить к двум его концам полюса аккумуляторной батареи), электроны начнут беспрепятственное упорядоченное движение в направлении южного полюса разности потенциалов, создавая, тем самым, электрический ток. Токопроводящие вещества подобного рода принято называть проводниками. Самые распространенные в технике проводники — это, конечно же, металлы, прежде всего медь и алюминий, обладающие минимальным электрическим сопротивлением и достаточно широко распространенные в земной природе. Именно из них, в основном, изготавливаются и высоковольтные электрические кабели, и бытовая электропроводка. Имеются и другие виды материалов, обладающих хорошей электропроводностью, — это, в частности, солевые, щелочные и кислотные растворы, а также плазма и некоторые виды длинных органических молекул.

В этой связи важно помнить, что электропроводность может быть обусловлена наличием в веществе не только свободных электронов, но и свободных положительно и отрицательно заряженных ионов химических соединений. В частности, даже в обычной водопроводной воде растворено столько всевозможных солей, разлагающихся при растворении на отрицательно заряженные катионы и положительно заряженные анионы, что вода (даже пресная) является весьма хорошим проводником, и об этом нельзя забывать, работая с электрооборудованием в условиях повышенной влажности — иначе можно получить весьма ощутимый удар током.

Изоляторы

Во многих других веществах (в частности, в стекле, фарфоре, пластмассах) электроны прочно привязаны к атомам или молекулам и не способны к свободному перемещению под воздействием приложенного извне электрического напряжения. Такие материалы называются изоляторами.

Чаще всего в современной технике в качестве электроизоляторов используются различные пластмассы. По сути, любой пластик состоит из полимерных молекул — то есть очень длинных цепочек органических (водородно-углеродных) соединений, — которые, к тому же, образуют сложные и весьма прочные взаимные переплетения. Проще всего структуры полимера представить себе в виде тарелки перепутавшейся и слипшейся длинной и тонкой лапши. В таких материалах электроны прочно привязаны к своим сверхдлинным молекулам и не способны покинуть их под воздействием внешнего напряжения. Хорошими изоляционными свойствами обладают и аморфные вещества, такие как стекло, фарфор или резина, не имеющие жесткой кристаллической структуры. Они также нередко используются в качестве электроизоляторов.

И проводники, и изоляторы играют важную роль в нашей техногенной цивилизации, использующей электричество в качестве основного средства передачи энергии на расстоянии. По проводникам электроэнергия поступает от электростанций в наши дома и на всевозможные производственные предприятия, а изоляторы обеспечивают нашу безопасность, ограждая от губительных последствий прямого контакта человеческого организма с высоким электрическим напряжением.

Полупроводники

Наконец, имеется малочисленная категория химических элементов, занимающих промежуточное положение между металлами и изоляторами (самые известные из них — кремний и германий). В кристаллических решетках этих веществ все валентные электроны, на первый взгляд, связаны химическими связями, и свободных электронов для обеспечения электрической проводимости, казалось бы, оставаться не должно. Однако на деле ситуация выглядит несколько иначе, поскольку часть электронов оказывается выбитой со своих внешних орбит в результате теплового движения по причине недостаточной энергии их связи с атомами. В результате при температуре выше абсолютного нуля они все-таки обладают определенной электропроводностью под воздействием внешнего напряжения. Коэффициент проводимости у них достаточно низкий (тот же кремний проводит электрический ток в миллионы раз хуже меди), но какой-то ток, пусть и незначительный, они все-таки проводят. Такие вещества называют полупроводниками.

Читайте также  Безнапорные водонагреватели накопительные электрические

Как выяснилось в результате исследований, электрическая проводимость в полупроводниках, однако, обусловлена не только движением свободных электронов (так называемой n-проводимостью за счет направленного движения отрицательно заряженных частиц). Имеется и второй механизм электропроводности — при этом весьма необычный. При высвобождении электрона из кристаллической решетки полупроводника за счет теплового движения на его месте образуется так называемая дырка — положительно заряженная ячейка кристаллической структуры, которая может в любой момент оказаться занятой отрицательно заряженным электроном, перескочившим в нее с внешней орбиты соседнего атома, где, в свою очередь, образуется новая положительно заряженная дырка. Такой процесс может продолжаться сколь угодно долго — и выглядеть со стороны (в макроскопическом масштабе) всё будет так, что электрический ток под внешним напряжением обусловлен не движением электронов (которые всего лишь перескакивают с внешней орбиты одного атома на внешнюю орбиту соседнего атома), а направленной миграцией положительно заряженной дырки (дефицита электрона) в направлении отрицательного полюса приложенной разности потенциалов. В итоге в полупроводниках наблюдается и второй тип проводимости (так называемая дырочная или pпроводимость), обусловленная, конечно же, также движением отрицательно заряженных электронов, но, с точки зрения макроскопических свойств вещества, представляющаяся направленным током положительно заряженных дырок к отрицательному полюсу.

Явление дырочной проводимости проще всего проиллюстрировать на примере дорожной пробки. По мере продвижения вперед машины, застрявшей в ней, на ее месте образуется свободное пространство, которое тут же занимает следующая машина, место которой сразу же занимает третья машина и т. д. Этот процесс можно представить себе двояко: можно описывать редкое продвижение отдельных машин из числа стоящих в длинной пробке; проще, однако, характеризовать ситуацию с точки зрения эпизодического продвижения в противоположном направлении немногочисленных пустот между застрявшими в пробке машинами. Именно руководствуясь подобной аналогией, физики и говорят о дырочной проводимости, условно принимая за данность, что электрический ток проводится не благодаря движению многочисленных, но редко трогающихся с места отрицательно заряженных электронов, а благодаря движению в противоположном направлении положительно заряженных пустот на внешних орбитах атомов полупроводников, которые они условились называть «дырками». Таким образом, дуализм электронно-дырочной проводимости носит чисто условный характер, поскольку с физической точки зрения ток в полупроводниках, в любом случае, обусловлен исключительно направленным движением электронов.

Полупроводники нашли широкое практическое применение в современной радиоэлектронике и компьютерных технологиях именно благодаря тому, что их проводящие свойства легко и точно контролируются посредством изменения внешних условий.

Классификация материалов по электрическим свойствам

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электроматериалы воздей­ствуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел. Сущность этой теории состоит в следующем.

В изолированном атоме электроны вращаются вокруг ядра на определенных орбитах. На каждой орбите может находиться не более двух электронов. Каждой орбите соответствует строго определенное значение энергии, которой может обладать электрон, т. е. каждая орбита представляет собой опреде­ленный энергетический уровень. Под воздействием притяжения по­ложительно заряженного атомного ядра электроны стремятся занять ближайшие к ядру уровни с минимальным значением энергии. Поэтому нижние энергетические уровни оказываются заполненными электронами, а верхние уровни — свободными. Электрон может скачкообразно перейти с нижнего энергетического уровня W1 на другой свободный уровень W2 (рис. 2.1). Для этого электрону необходимо сообщить дополнительную энергию . Если свободных уровней в атоме нет, то электрон не может изменить свою энергию, поэтому не участвует в создании электропроводности.

В кристаллической решетке, состоящей из нескольких атомов, отдельные энергетические уровни расщепляются на подуровни, ко­торые образуют энергетические зоны (см. рис. 2.1). При этом рас­щепляются свободные и заполненные энергетические уровни. Зона, заполненная электронами, называется валентной. Верхний уровень валентной зоны обозначается Wv. Свободная зона называется зо­ной проводимости. Нижний уровень зоны проводимости обознача­ется Wc. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимос­ти называют запретной зоной W. Значение запретной зоны существенно влияет на свойства материалов.

Рис 2.11 Диаграмма энергических уровней изолированного атома (1) и твердого тела (2).

Если W равна или близка к нулю, то электроны могут перейти на свободные уровни благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относят к проводникам. Типичными проводниками являются металлы.

Если значение запретной зоны превышает несколько электрон-вольт (1 эВ — энергия электрона, полученная им при перемещении между двумя точками электрического поля с разностью потенциалов 1В), то для перехода электронов из валентной зоны в зону про­водимости требуется значительная энергия. Такие вещества относят к диэлектрикам. Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление.

Если значение запретной зоны составляет 0,1. 0,3 эВ, то электроны легко переходят из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешней энергии. Вещества с управляемой проводимостью относят к полупроводникам.

Проводниковые материалы служат для проведения электричес­кого тока.

Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р менее Ом*м.

Диэлектрические материалы обладают способностью препятствовать прохождению тока.

К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением р более 10 7 Ом*м. Благодаря высо­кому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

В зависимости от структуры и внешних условий материалы могут переходить из одного класса в другой. Например, твердые и жидкие металлы — проводники, а пары металлов — диэлектрики; типичные при нормальных условиях полупроводники германий и кремний при воздействии высоких гидростатических давлений становятся проводниками; углерод в модифи­кации алмаза — диэлектрик, а в модификации графита — проводник.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, с помощью которой можно управлять напряжением, температурой, освещенностью и т.д.

Удельное электрическое сопротивление полупроводников со­ставляет Ом*м.

Основным свойством вещества по отношению к электрическо­му полю является электропроводность.

Электропроводность характеризуется удельной электрической проводимостью и удельным электрическим сопротивлением р:

(2)

J — плотность тока; y — удельная электрическая проводимость, См/м; Eнапряженность электрического поля, В/м; р = 1 /y — удельное электрическое со­противление, Ом-м.

Значения удельной электрической проводимости у и удельного электрического сопротивления р у разных материалов существен­но различаются. В сверхпроводящем состоянии удельное электри­ческое сопротивление материалов равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Общая классификация материалов в электронной технике

Содержание

1 Общая характеристика материалов в электронной технике. 6

2 Элементы электронной техники………………. 8

Список использованных источников………………………………………. 14

Введение

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с расширением масштабов применения радиотехнических систем и систем телекоммуникаций. Составной частью этих систем является радиоэлектронная аппаратура (РЭА), тоже содержащая огромное количество радиокомпонентов, для изготовления которых используются современные радиоматериалы. Повышение эффективности систем и улучшение параметров РЭА невозможно без совершенствования элементной базы РЭА, разработки и освоения новых радиоматериалов. Именно радиоматериалы и радиокомпоненты стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при создании сложнейшей РЭА.

Читайте также  Ввод кабеля в дом через стену

Весь арсенал средств, которым располагает современная электроника, был создан всего за несколько десятилетий. Еще в начале XX века человечество обходилось без радио, до середины XX века не существовало телевидения, не было электронно-вычислительных машин. Все огромное здание современной электроники строилось усилиями многих изобретательных и талантливых умов.

В течение 30-х годов и позже интенсивно развивалась полупроводниковая электроника. Ученые исследовали физические процессы в полупроводниках, влияние примесей на эти процессы, термоэлектрические и фотоэлектрические свойства полупроводников, выпрямление переменного тока полупроводниковыми приборами. Была разработана квантовая теория полупроводников, введено понятие подвижности свободных мест кристаллической решетки полупроводника, получивших впоследствии название дырок, создана теория генерации пар «электрон-дырка». Была экспериментально подтверждена теория полупроводников, созданная школой советского академика А. Ф. Иоффе.

Изобретателями транзистора в 1948 г. являются Д. Бардин, У. Браттайн и У. Шокли. С изобретением транзистора начался новый этап в развитии радиоэлектроники – этап микроминиатюризации РЭА. Применение транзисторов вместо ламп позволило существенно сократить размеры радиокомпонентов, уменьшить массу и объем РЭА и, что не менее важно, снизить потребление электроэнергии и повысить надежность аппаратуры. Развитие транзисторной электроники, совершенствование технологии изготовления транзисторов привели к возникновению нового направления в электронике -микроэлектроники. В 60-х годах были созданы интегральные схемы (ИС), в которых все элементы разрабатываются в едином технологическом процессе, нераздельно связаны и электрически соединены между собой как единое целое, что позволило резко повысить надежность РЭА, еще более уменьшить габариты и массу РЭА, повысить экономичность.

Интегральные схемы в середине 60-х годов содержали до 100 элементов на полупроводниковом кристалле при размере элементов около 100 мкм. В начале 70-х годов появились большие интегральные схемы (БИС), содержавшие на кристалле от 100 до 104 элементов при размере элементов от 3 до 100 мкм. В конце 70-х годов созданы сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), содержащие от 104 до 106 элементов на кристалле при размере элементов от 1 до 3 мкм. Дальнейшее развитие микроэлектроники привело к освоению субмикронных размеров элементов микросхем. Исследования показали, что пределом уменьшения размеров элементов является значение 0,2 мкм. Однако достижение таких размеров связано с преодолением определенных технологических трудностей. Иначе говоря, существуют физические пределы развития интегральной микроэлектроники.

Параллельно с интегральной микроэлектроникой в 80-е годы развивалась функциональная электроника, позволяющая реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов (диодов, резисторов, транзисторов и т. д.), базируясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В функциональной электронике используются такие механизмы, как оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие потока электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника) и ряд других. Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления – наноэлектроники. В начале 90-х годов были созданы микроскопы, позволяющие не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Нанотехнологии позволяют, последовательно размещая нужные атомы и атомные структуры в четком порядке и в точно определенном месте, конструировать такие технологические диковинки, которым пока еще и название не придумали. Сейчас разработки в области нанотехнологий ведутся во многих странах.

Целью настоящей работы является исследование общих характеристик и классификации материалов и элементов электронной техники.

Общая классификация материалов в электронной технике

Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения[1] [, с. ].

Электротехническими называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств.

Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрического или магнитного полей, так и их совокупности.

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т.п.).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и, чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

Общая классификация материалов представлена на рис. 1.

Рис. 1 – Классификация материалов электронной техники

Условно к проводникам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ -5 Ом·м, а к диэлектрикам – материалы, у которых ρ > 10 8 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 -8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходит 10 16 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а так же от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 -5 – 10 8 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков.

В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным. Электрические свойства тесно связаны с тем, как атомы связаны между собой.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: