электрический прочность
Все в одном : Реферат :Химия радиоматериалов, лекции Кораблевой А.А. (ГУАП) in1.com.uaВсе в одном: рефераты, курсовые, дипломные, учебники
ГлавнаяПоискУчебникиЗаказать реферат, курсовую, дипломную в КиевеПоказывать материалы: На всех языках Українською мовою На русскомХимия радиоматериалов, лекции Кораблевой А.А. (ГУАП)Вступление
Для создания электронных приборов необходим целый арсенал материалов электрический прочность
уникальных электрический прочность тонких технологических процессов. Современная радиотехника электрический прочность
особенно высокочастотная техника (радиосвязь), приборы электрический прочность аппаратура
радиоэлектроники требуют большого количества конструкционных электрический прочность специальных
радиотехнических материалов, свойства которых должны удовлетворять самым
разнообразным условиям их применения. Под радиотехническими материалами
принято понимать материалы, которые обладают особыми свойствами по
отношению к электрическому, магнитному электрический прочность электромагнитному полям. Они
разделяются на 4 группы:
1) проводники
2) диэлектрики
3) полупроводники
4) магнитные материалы
Требования, которым должны удовлетворять радиоматериалы:
1) обладать высокими электрическими (магнитными) характеристиками.
2) нормально работать при повышенных, электрический прочность иногда при низких температурах.
3) иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки,
устойчивостью к тряске, вибрации, ударам…
4) обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью,
стойкостью к облучениям.
5) не иметь заметно выраженного старения.
6) удовлетворять технологичности, т.е. сравнительно легко обрабатываться.
7) быть недорогими электрический прочность не дефицитными.
Глава 1
Классификация электрический прочность основные сведения о проводниковых материалах
1.1 Виды проводников
Проводниками электрического тока могут служить твёрдые тела,
жидкости, электрический прочность при соответствующих условиях электрический прочность газы
Твёрдыми проводниками являются металлы, металлические сплавы электрический прочность
некоторые модификации углерода. За последнее время получены также
органические полимеры. Среди металлических проводников различают:
а) материалы, обладающие высокой проводимостью, которые используют
для изготовления проводов, кабелей, проводящих соединений в микросхемах,
обмоток трансформаторов, волноводов, анодов мощных генераторных ламп электрический прочность т.д.
б) металлы электрический прочность сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые
применяются в электронагревательных приборах, лампах накаливания,
резисторах, реостатах.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы электрический прочность различные
электролиты. Как правило температура плавления металлов высока за
исключением ртути (-39°C), галлия (29,8°C) электрический прочность цезия (26°C). Механизм
протекания тока обусловлен движением свободных электронов. Поэтому металлы
называются проводниками первого рода. Электролитами или проводниками
второго рода являются растворы солей, кислот электрический прочность щелочей. Все газы электрический прочность пары, в
том числе пары металлов при низкой напряженности не являются проводниками.
При высоких напряженностях может произойти ионизация газа, электрический прочность ионизированный
газ, при равенстве числа электронов электрический прочность положительных ионов в единице объёма,
представляет собой особую равновесную проводящую среду, которая называется
плазмой.
1.2 Кристаллическая структура металлов
Металлы имеют кристаллическое строение, но есть электрический прочность аморфные. В
сплошном куске металла кристаллы его расположены случайным образом. Их
очертания имеют неправильную форму, но путём медленного выращивания из
расплавленного металла можно получить крупный кристалл, который называется
монокристаллом.
Метод Чохральского: получение монокристалла электрический прочность очистка металла.
Медленно вытягивают из расплава монокристалл, примеси остаются в расплаве.
Монокристалл отличается мягкостью, но для его разрыва требуется большее
усилие чем для разрыва металла.
Возможны 6 вариантов кристаллических решеток металлов:
1) простая кубическая Kr = 6.
2) объёмно центрированная кубическая Kr = 8; Li, Na, K, Rb, Cs, Fe.
3) кубическая гранецентрированная, Kr = 12; Cu, Ag, Au, Cr, Mo, W,
Ca, Ni, Pt, Pd, Co, Ro, Ir, Rh, Fe.
4) октаэдрическая структура Kr = 6.
5) тетраэдрическая Ge, Pb, ?-Sn
6) гексагональная Mg, Be, Cd, Ru, Os.
Решетки металлов, принадлежащих одной подгруппе периодической системы,
обычно являются одинаковыми. Железо может кристаллизоваться в
гранецентрированную электрический прочность в объёмно центрированную.
1.3 Металлическая связь
Как особый вид связи осуществляется в жидком электрический прочность твёрдом
(кристаллическом) состояниях (имеется также электрический прочность аморфное состояние металлов).
В парообразном состоянии металлические атомы имеют ковалентную связь (т.е.
общую электронную пару) и, следовательно, являются диэлектриками.
Элементарная решетка лития – кубическая объёмно центрированная,
следовательно, надо осуществить связь по крайней мере в элементарной
решетке Li9, электрический прочность валентный электрон всего один электрический прочность он должен находиться между
всеми восемью «соседями», поэтому он должен быть делокализован. МВС (метод
валентных связей) не описывает металлическую связь в кристаллах, она может
быть описана только методом молекулярных орбиталей (ММО) т.е. зонной
теорией твёрдого тела. Согласно зонной теории для всех металлов ширина
запрещённой зоны = 0, например: Na…3s1, Mg…3s2, Al…3s23p1.
Na
В зоне столько уровней, сколько атомов объединилось в кристалле, на каждом
уровне максимум 2 электрона. 100 атомов – 100 уровней, на которых может
быть 200 электронов, электрический прочность есть только 100 электронов, следовательно, для Na электрический прочность
других его аналогов, у которых содержится 1 электрон на валентном уровне,
валентная зона на половину заполнена, электрический прочность следовательно, внутри валентной
зоны электрон может менять энергию, электрический прочность значит участвовать в проводимости.
Значит валентная зона одновременно является зоной проводимости электрический прочность ширина
запрещённой зоны для таких металлов = 0.
Mg
Содержит 100 атомов, следовательно, 100 уровней, может быть 200 электронов,
есть 200, следовательно, 3s зона (ВЗ) полностью заполнена, 3p – зона
проводимости ЗП получается из 3p подуровней. В случае с Mg ЗП накладывается
на ВЗ, электрический прочность поэтому электрону не требуется большой энергии для перехода в эту
зону (?E = 0);
Al
ВЗ полностью заполнена электрический прочность ?E = 0.
1.4 Электропроводность электрический прочность теплопроводность металлов
? – электропроводность
? = enu [Ом-1 см-1] 106 – 104
Электроны в металле благодаря ничтожной массе электрический прочность размерам обладают
значительной подвижностью. Обозначим эту подвижность через u [см2/(В с)].
Поэтому если к металлу приложить некоторую разность потенциалов, электроны
начнут перемещаться от отрицательного полюса к положительному, тем самым
создавая электрический ток. Удельная проводимость ? зависит от заряда
электрона электрический прочность концентрации носителей, которая у большинства металлов
практически одинакова.
? = 1/ ? = RS/l; [Ом м]
? = h/(ke2n2/3)
где:
lср – длина свободного пробега электрона
k – постоянная Больцмана
n – концентрация
h – постоянная Планка
lср зависит от структуры металла. При одной электрический прочность той же структуре она зависит
от радиуса атомов
Чистые металлы, имеющие совершенную кристаллическую решетку, обладают
наименьшим значением ?. Дефекты кристаллической решетки увеличивают
сопротивление вызывая рассеяние электронов.
? = ?чист+?примесей
При повышении температуры сопротивление увеличивается электрический прочность причиной этого
является интенсификация колебаний кристаллической решетки. Теплопроводность
изменяется параллельно электропроводности.
1.5 Влияние различных факторов на удельную электропроводность.
(1) Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры.
?Т = ?о(1+??Т)
?Т - ?о = ?о ??Т
?? = ??/(?Т) = d?/(?dT)
Для большинства металлов ?? = 1/273 = 0.004 К-1. Исключение составляют
металлы, относящиеся к магнетикам: Fe, Ni, Co электрический прочность для них ?? отличается в 1.5
– 2 раза.
В настоящее время известно 23 металла, которые в интервале от 0.3 до
9.22 К обладают сверхпроводимостью
Таблица 1. Положение металлов, обладающих сверхпроводимостью.
|Подуровни |
| | |плавления |кипения | | |
|лёгкие цветные металлы |
|Al |2699 |660 |2060 |211.0 |0.0265 |
|Mg |1740 |650 |1107 |157.4 |0.047 |
|Ti |4540 |1800 |3400 |14.9 |0.47 |
|тяжелые цветные металлы |
|Ni |8900 |1455 |2730 |58.6 |0.068 |
|Zn |7140 |419 |907 |111.1 |0.059 |
|Sn |7300 |232 |2270 |63.1 |0.115 |
|Cu |8960 |1083 |260 |385.2 |0.0167 |
|Pb |11340 |327 |1740 |34.6 |0.2065 |
|малые цветные металлы |
|Mo |10200 |2625 |4800 |140 |0.0517 |
|W |19350 |3377 |6000 |160 |5.03 |
|благородные цветные металлы |
|Au |19320 |1063 |2600 |311 |0.0225 |
|Ag |10490 |960 |2210 |421 |0.0159 |
|Pt |21450 |1773 |4410 |69.9 |0.109 |
|редкие металлы |
|Ge |5360 |958 |1760 |— |0.89 (при 0) |
|Nb |8570 |2420 |3700 |— |0.131 |
|Ta |11600 |2850 |5050 |54.4 |0.124 |
(2) Металлы высокой проводимости Cu, Ag, Al.
Медь (Cu), достоинства
1) малое удельное сопротивление (уступает только серебру)
2) достаточно высокая механическая прочность
3) удовлетворительная стойкость к коррозии
4) хорошая обрабатываемость (прокатывается в листы, в ленту,
протягивается в проволоку)
5) относительная легкость пайки электрический прочность сварки
Содержание примесей влияет на различные свойства меди. Медь марки М1
содержит 99.90% меди, примеси 0.10%, медь марки М0 содержит 99.95% меди,
примеси 0.05%. Если в примесях Zn, Cd, Ag, то они снижают
электропроводность на 5%, электрический прочность Ni, Sn или Al – на 25 – 40%. Еще более сильное
влияние оказывают примеси Be, As, Fe, Si электрический прочность P, которые снижают
электропроводность на 55% электрический прочность более. Поэтому медь очищают различными
способами: до 99.97% электролитическим способом.
В вакуумных печах получают медь, содержащую 99.99% меди. Эта медь
имеет электропроводность примерно равную электропроводности Ag. Из
специальной меди изготавливают детали магнетронов, аноды мощных
генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов электрический прочность
генераторов; ее используют для изготовления фольгированного гетинакса, в
микроэлектронике в виде осажденных на подложке пленок, играющих роль
проводящих соединений между функциональными элементами схемы.
Алюминий почти в 3.5 раза легче меди. Марка А97 (0.03% примесей)
используется для изготовления алюминиевой фольги электрический прочность электродов. А999 (0.001%
примесей). Оксидная пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает
большое сопротивление в местах спайки, что затрудняет пайку обычными
методами. Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без
дополнительной изоляции, но при большой толщине Al2O3 уменьшается гибкость,
и увеличивается гигроскопичность.
(3) Тугоплавкие металлы
Температура плавления более 1700°С. Основными тугоплавкими металлами
являются металлы, стоящие в середине периода, у которых наряду с
металлическими связями есть еще электрический прочность ковалентные
W
Cr
Mo
Один электрон участвует в металлической связи, т.е. делокализован,
обобществлен всем кристаллом, электрический прочность остальные d электроны принимают участие в
ковалентной связи. Ковалентная связь прочна. Кристаллическая решетка имеет
высокую энергию связи, электрический прочность требуются высокие температуры, чтобы эту связь
разрушить. Для этих металлов характерна высокая твердость, но в то же время
они обладают низкой пластичностью. К металлам с высокой температурой
плавления относятся W, Mo, Ta, Nb, Cr, V, Ti, Re, Zr; температура плавления
[1700;3500]°C. W самый тугоплавкий. Имеет высокую механическую прочность.
Используется в качестве нитей в лампах, электронных лампах, в рентгеновских
трубках, используется при глубоком вакууме. Недостатки: трудная
обрабатываемость электрический прочность образование оксидных пленок.
(4) Благородные металлы
Не взаимодействуют (почти) с окружающей средой в связи со своей
химической стойкостью
Au 99.998%
Ag 99.9999%
Pt 99.9998%
Pd 99.94%
Au – является контактным материалом для коррозионно стойких покрытий
Ag с высокой проводимостью используется в качестве высоких контактов в
качестве электродов, производстве конденсаторов
Pt – для изготовления термопар, чувствительных приборов
Pd – заменитель платины (дешевле в 4-5 раз)
(5) Металлы со средним значением температуры плавления.
Fe, Ni, Co
(6) Металлы с невысокими температурами плавления.
Стоят они в нижней части периодической системы: имеют большой радиус,
и, как правило, у них нет свободных (не спаренных) d-электронов, электрический прочность для них
характерна металлическая связь. Pb, Sn, Ga, In, Hg. Hg применяется в
качестве жидких катодов.
1.8 Сплавы
Одним из важнейших свойств металлов является образование сплавов.
Расплавленные металлы растворяются друг в друге, образуя при отвердевании
твердые смеси – сплавы. Металлическим сплавом называется фаза или комплекс
фаз, образующихся при сплавлении металлов при условии сохранения
металлических свойств: электро- электрический прочность теплопроводность. В металлических сплавах
сохраняются связи, т.е. электрический прочность наличие свободных электронов. Если образуются
ковалентные связи, то образуются интерметаллические неорганические
соединения.
Все металлы по величине диаметра атомов делятся на:
1) при диаметре 2.2-3Е металлы образуют между собой непрерывные твердые
растворы. (Mn, Fe, Ni)
2) при диаметре >3Е – не смешиваются с металлами середины длинных
периодов. (K, Ca, Si)
3) при диаметре <2Е (не металлы) – образуют ограниченные твердые растворы
или фазы внедрения. (Ti, V, Cr)
3-х компонентные системы представляют собой треугольник Гиббса, вершины
которого – чистые вещества А, В, С. Соответствующие свойства – в области,
перпендикулярной к треугольнику.
Существуют 3-7 компонентные сплавы
Сплавы высокой проводимости.
1) Бронзы – сплавы на основе Cu. Помимо чистой Cu применяют сплавы,
содержащие небольшое количество олова (Sn), кремния (Si), фосфора (P),
бериллия (Be), хрома (Cr), магния (Mg), кадмия (Cd). При этом ?
увеличивается, зато сплавы обладают более высокими механическими
свойствами. Предел при растяжении = 8350 Па. Особенно удачен Cd. При малом
уменьшении ?, приводит к значительному увеличению прочности. Еще больше
прочности у бериллиевой бронзы.
Латуни – повышенное значение относительного удлинения при увеличении
предела прочности. Это обеспечивает технологические преимущества
(изготовление токопровдящих деталей).
2) Сплавы алюминия.
Альдрей – содержит 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si, 0.2-0.3% Fe; сохраняет
лёгкость алюминия, близок ему по сопротивлению, приближен по механической
прочности к твердотянутой меди.
Сплавы для электровакуумных приборов.
На основе металлов со средней температурой плавления (Fe,Ni) созданы
сплавы, которые широко применяются в электровакуумных технологиях, т.к. они
обладают ?L – коэффициент линейного температурного расширения, позволяют
получать сокращенные металлические конструкции электрический прочность спаи со стеклом.
Инвар (Н36) – сплав Fe электрический прочность 36% Ni
?L = 1*10-6 К-1 при Т = (-100)-100°С.
Ковар – Fe + 29% Ni + 17% Сo
?L = 4.8*10-6 К-1
? = 0.5 ? инвара.
Инвар электрический прочность ковар применяют для герметизации изделий путём сварки со стеклом,
для изготовления конденсаторов с переменной ёмкостью.
Платинид (Н47) – Fe электрический прочность 47% Ni
?L? ?L Pt электрический прочность стекол.
Используется как вводы в стеклянные баллоны
Припои – сплавы для пайки.
Температура плавления припоя < температуры плавления соединения.
На границе металл – припой: припой смачивает металл, растекается электрический прочность
заполняет зазоры, при этом компоненты припоя диффундируют в основной
металл, следовательно образуется промежуточная прослойка. Припои делят на
мягкие электрический прочность твердые: мягкие - температура плавления < 300°С, твердые -
температура плавления > 300°С. Механическая прочность мягких припоев 16-100
МПа, у твердых 100-500 МПа. Мягкие припои – оловянно-свинцовые, твердые –
Cu, Zn, Ag с добавлением вспомогательных материалов.
Вспомогательные материалы (флюсы):
1) растворять электрический прочность удалять оксиды из спаиваемых металлов.
2) защищать в процессе пайки поверхность от окисления.
3) уменьшать поверхностные натяжения
4) уменьшать растекаемость электрический прочность смачиваемость припоя
По оказываемому действию:
1) активные (кислотные: HCl, ZnCl2, хлористые электрический прочность фтористые металлы) –
интенсивно растворяют оксидную пленку, но после пайки вызывают
коррозию, следовательно, нужна тщательная промывка. При монтажной
пайке применение активных флюсов запрещено.
2) Бескислотные флюсы – канифоль электрический прочность флюсы на ее основе с добавлением
спирта электрический прочность глицерина.
3) Активированные – канифоль + активаторы (солянокислый диметиламин) –
пайка без предварительного удаления оксидов после обезжиривания.
4) Антикоррозийные флюсы на основе H2PO3 с добавлением контактол
Контактолы:
1) Ag, Ni, Pd, в порошкообразном виде используют в качестве проводящей
фазы в пасте.
2) Высокомолекулярные вещества. Применяются для получения контактов между
металлами, металлами электрический прочность полупроводниками, создания электродов,
экранирования от помех…
Керметы
Металлоэлектрические композиции с неорганическими связующими для
резисторов, волноводных нагрузок с повышенным значением ?.
Сплавы высокого сопротивления
Для электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов,
электронагревательных приборов.
Среди большого количества сплавов наиболее распространены сплавы на медной
основе: манганин электрический прочность константан. Хромоникелевые электрический прочность железо-хромо-алюминивые
сплавы.
Манганин: Mg – 12%, Ni – 2%, Cu – 86%
Константан: Cu – 60%
max ? электрический прочность min ?? ? 0 или < 0. При нагреве образуется пленка оксида – оксидная
изоляция. Константан в паре с Fe или Cu дает термо-ЭДС.
Хромоникелевые сплавы – изготовление нагревательных элементов, резисторов.
Fe-Cr-Ni (фехроль, хромель) – дешевые сплавы для мощных нагревательных
устройств. Недостаток – хрупкость электрический прочность твердость.
Резистивные сплавы: РС 37-10 – Cr 37%, Fe 10%, Ni 53%. РС 37-01 - Cr 37%,
Fe 1%, Ni 69%.
Сплавы для термопар:
1) капель – 56% Cu, 44% Ni
2) олимель – 95% Ni, 5% Al, Si, Mg
3) хромель – 90% Ni, 10% Cr
4) платинородий – 90% Pt, 10% Rd
Наибольшую термо-ЭДС имеют 1) электрический прочность 2).
Глава 2
Не металлические материалы (полупроводники, диэлектрики электрический прочность т.д.)
2.1 Атомная (ковалентная) кристаллическая решетка
В узлах решетки находятся нейтральные атомы, связанные друг с другом
ковалентной связью (общей электронной парой), т.е. перекрывание электронных
облаков. Ковалентная связь обладает насыщаемостью электрический прочность направленностью электрический прочность
поэтому координационное число определяется именно этими факторами. Наиболее
типична ковалентная связь для алмаза, кремния электрический прочность карбида кремния
Si … 3s23p2
Si* … 3s13p2 – возбужденное состояние => Sp3 гибридизация => выравнивание
электронных орбиталей.
Плотноупакованные тетраэдры ( кубическая сингония) к = 4 – координационное
число
Ковалентная связь является прочной => ковалентные кристаллы обладают
высокой температурой плавления (3500°С – алмаз, 1400°С – Si), высокой
твердостью, но отсутствием пластичности => хрупкость. Между частицами
(атомами) имеется определенная электрическая плотность, т.к. электроны
между атомами обобществлены => есть предпосылки для проводимости, но
электронная пара локализована между атомами, поэтому эти электроны не могут
участвовать в проводимости. Для того чтобы они были носителями тока, нужно
их делокализовать, т.е. разорвать химические связи, поэтому при низких
температурах эти кристаллы являются диэлектриками. При нагревании возможна
делокализация, электрический прочность тогда такие кристаллы могут обладать проводимостью, т.е.
быть полупроводниками.
С точки зрения зонной теории, в результате расщепления валентных
энергетических уровней образуется валентная зона. Все электроны В.З.
участвуют в химической связи (Sp3 гибридизация), электронные уровни
возбужденного состояния образуют зону проводимости (4S), которая при низких
температурах практически пуста. Между этими зонами имеется энергетический
барьер, который называется запрещенной зоной (ЗЗ), электрический прочность если этот барьер велик
(?Е >5эВ), т.е. прочные ковалентные связи, то такие твердые тела будут
обладать диэлектрическими свойствами (алмаз). Если ?Е = 0.1-4 эВ, который
отнасительно легко преодолеть, тотакие твердые тела будут обладать
полупроводниковыми свойствами (Si, Ge), т.е. менее прочная ковалентная
связь.
2.2 Ионная кристаллическая решетка
В узлах решетки находятся положительные электрический прочность отрицательные ионы, связанные
друг с другом кулоновским взаимодействием. Ионная связь не направлена электрический прочность не
насыщаема, поэтому количество партнеров (координационное число) не зависит
от свойств атомных орбиталей, электрический прочность определяется относительными размерами
положительно электрический прочность отрицательно заряженных ионов. В кристаллических решетках
NaCl координационное число = 6, SeF = 8, ZnS = 4. Структура Cl – ОЦК
образуется, если отношение радиусов аниона электрический прочность катиона = 1 – 1.37. Структура
NaCl – ГЦК решетка, отношение радиусов = 1.37 – 2.44. Структура ZnS –
тетраэдрическая, отношение радиусов = 2.44 – 4.44. Кулоновское
взаимодействие обладает высокой энергией => все ионные кристаллы имеют
высокую температуру плавления. Ионные кристаллы растворяются в полярных
растворителях (H2O), электрический прочность растворимость зависит от энергии кристаллической
решетки, т.е. зарядов аниона электрический прочность катиона. По своим электрическим свойствам
ионные кристаллы должны обладать диэлектрическими свойствами. Чистая ионная
связь встречается крайне редко, за чисто ионную связь принимают , в
остальных случаях – доли ионной связи. Всякое отступление от чисто ионной
связи приводит к появлению носителей тока => к полупроводниковым свойствам.
Расплавленные (растворенные) ионные кристаллы являются электролитами =>
проводниками электрического тока 2-го рода, при этом носителями тока
являются ионы.
2.3 Молекулярная кристаллическая решетка
В узлах решетки находятся нейтральные молекулы, связанные друг с другом
силами межмолекулярного взаимодействия. Эти силы, в зависимости от состава
и строения молекулы, делятся на:
1) Ориентационное взаимодействие – между полярными молекулами, когда они
ориентируются относительно друг друга
Uop = (-2?4)/(3r6kT), ? – дипольный момент.
2) Индукционное взаимодействие – между полярной электрический прочность неполярной молекулами =>
возникновение индуцированного дипольного момента => деформация молекулы:
Uинд = (-2??2)/(r6)
3) Дисперсионное взаимодействие – возникает между неполярными молекулами за
счет возникновения мгновенных дипольных моментов в результате движения
электронов внутри молекулы.
Uдис = (-3?2h?0)/(4r6); h?0 – энергия колебания атомов.
2.4 Ван-дер-ваальсовое взаимодействие.
WBB = ?wop + ?wинд + ?wдис
?+?+?=100%
Ar (аргон) – 100% wдис
Дисперсионные силы – это физическое взаимодействие, энергия которого очень
мала – в сотни раз слабее, чем химическая связь, поэтому вещества, имеющие
молекулярную решетку с участием ван-дер-ваальсовых сил, отличаются очень
низкими механико-техническими характеристиками электрический прочность очень низкими
температурами плавления (возгоняются при комнатной температуре).
Неорганические соединения в обычных условиях не образуют молекулярную
решетку => твердых тел с такой решеткой практически не существует
(исключение I2). В основном органические вещества, поэтому они имеют
довольно низкие температуры плавления электрический прочность очень непрочные кристаллические
решетки. В органических веществах кроме ван-дер-ваальсовых сил значительное
влияние оказывает так называемая водородная связь – связь между молекулами,
содержащими H, связанный с очень электроотрицательными элементами внутри
молекулы. Водород стремится внедриться в оболочку соседней молекулы,
создавая полимеры за счет водородной молекулы (HF)n.
Кислород в значительной мере стягивает электронную оболочку водорода
(H2O)n. Молекулы H2O полимерны (ди- три- меры) => аномально поведение воду
относительно температуры кипения.
Водородная связь в кристаллических решетках полимеров проявляет себя
настолько сильно, что механическая прочность электрический прочность температура плавления
определяется прочностью водородной связи электрический прочность при механических нагрузках или
нагревании происходит разрыв неводородной связи (в 10 раз прочнее чем ван-
дер-ваальсовое взаимодействие, электрический прочность слабее, чем ковалентная связь). С точки
зрения электрических свойств, электронная плотность между молекулами
практически отсутствует => молекулярные кристаллы – диэлектрики. Однако
диэлектрические свойства выражены по-разному – быть либо высоко- либо
низкочастотными, в зависимости от состава электрический прочность структуры молекулы. Есть
небольшая группа полупроводниковых соединений – это полимеры с сопряженными
связями.
2.5 Введение в химию полупроводников
| |металлы |полупроводники (п/п) |диэлектрики |
|? (Ом см) |10-6 – 10-3 |10-4 – 109 |109 – 1019 |
|?Е |0 |0.1 – 4(5) эВ |>5 эВ |
|??/?Т |>0 |<0 |<0 |
П/п. в системе Д.И.Менделеева (элементарные/простые полупроводники)
|IA |IIA |IIIA |IVA |VA |VIA |VIIA |VIIIA |
|металлы |B 1.1 эВ |С 5.5 эВ |Р 1.5 эВ |S 2.5 эВ |диэлектрики |
| | |Si 1.1 эВ |As 1.2 эВ |Se 1.7 эВ | |
| | |Ge 0.72 эВ | |Te 0.36 эВ |I 1.25 эВ |
| | |?-Sn 0.1 эВ | | | |
С увеличением радиуса атома ширина запрещенной зоны уменьшается, т.к.
ослабляются химические связи. В элементарных п/п характер химической связи,
в основном, ковалентный. Электронная пара локализована между атомами электрический прочность при
температуре абсолютного нуля все эти простые полупроводники являются
диэлектриками.
Кристаллическая решетка алмазоподобных полупроводников представляет
собой плотно упакованные тетраэдры (вытекает из структуры атомов). Участие
в связи принимают электрический прочность гибридные орбитали, направленные к вершине. Вся
валентная зона заполнена. Зона проводимости (4S) – эта зона еще более
возбужденного состояния – практически пустая.
?Е = 1.1 эВ при абсолютной температуре больше 0 электроны могут попадать в
зону проводимости, т.е. вырваться из локализованного состояния, разорвать
химические связи, при этом электрон в зоне проводимости будет свободно
менять энергию, электрический прочность значит может участвовать в проводимости. ЭДП –
собственная проводимость п/п. Истинными носителями тока являются электроны.
Общая характеристика элементарных п/п:
|№ |элемент |порядковый номер|атомный радиус, |?Е, эВ |температура |
| | | |нм | |плавления |
|1 |C (алмаз) |6 |0.077 |5.6 |3800 |
|2 |Si |14 |0.177 |1.21 |1423 |
|3 |Ge |32 |0.122 |0.78 |937 |
|4 |Sn (серое) |50 |0.156 |0.88 |232 |
|5 |Pb |82 |0.175 |0 |327 |
С – изолятор
Pb – фактически металл
В ряду С – Sn наблюдается падение ?Е электрический прочность температуры плавления, увеличение
проводимости электрический прочность длины ковалентной связи. Последнее играет существенную роль
т.к. это уменьшает ее прочность электрический прочность энергию этой связи. Закономерный рост
проводимости, электрический прочность также уменьшение ?Е электрический прочность температуры плавления, микро
твердости является следствием прочности связи. Благодаря своим свойствам Si
и Ge являются основными п/п материалами, из которых изготавливают диоды электрический прочность
триоды, термосопротивления, оптические линзы. ?Е(Si)>?Е(Ge)=>Si приборы
работают при более высоких температурах: температура работы Ge = 60-80°С, электрический прочность
температура работы Si =200°С, более того Si самый распространенный элемент
после О => Si находит все большее применение благодаря навым методам его
очитки.
Из элементов V группы при определенных условиях п/п свойства проявляют P,
As, Sb. Однако п/п модификации этих элементов малодоступны, но они являются
важнейшими п/п образующими (GaAs, AlP, InSb). Из элементов VI группа – Se,
Te. Se является важнейшим п/п материалом, п/п образующим элементом, на
основе которого получают селениды металлов. Te самостоятельного применения
не имеет, но теллуриды широко применяются в качестве п/п материалов.
S(сера) – изолятор, хотя она обладает сильно выраженной фотопроводимостью.
S является основой сульфидов (Ag, Cd, Pb). В группе S-Se-Te с увеличением
порядкового номера ?Е уменьшается. III В – единственный1 элементарный п/п,
который не применяется: высокая температура плавления, значительная ?Е =
1.58 эВ, распространенность в природе (в 10 раз > Ge); недостаток –
трудность получения в высокой степени чистоты монокристаллов.
2.6 П/п соединения.
Химическая связь в п/п соединениях.
Специальной связи в п/п соединениях нет. Химические связи в п/п
разнообразны, исключается только металлическая связь. Преимущественно связь
ковалентная.
(1) Классификация полупроводниковых соединений.
1) По типу образователя: оксиды, сульфиды, арсениды, фосфиды электрический прочность т.д.
2) По типу кристаллической решетки: алмазоподобные …
3) По положению в периодической системе.
АIII BV
АII BVI
АI BVII
А2III B3VI
АI BIIIC2VI
А2IBVIIICIVDVI
И т.д.
(2) П/п соединения АIII BV
|АIII |BV | |
|B |N |диэлектрик |
|Al |P | |
| | |полупроводник |
|Ga |As | |
|In |Sb | |
|Te |Bi |металл |
С увеличением (ZA+ZB)/2 наблюдается закономерное измение ?Е электрический прочность температуры
плавления (из увеличения радиуса атома следует уменьшение прочности
ковалентной связи).
|соединение |энергия к.р. |температура |?Е, эВ |подвижность носителей тока, u |
| | |плавления | | |
| | | | |е |р |
|AlP |190 |2000 |2.42 |– |– |
|GaP |170 |1467 |2.25 |300 |150 |
|InP |150 |1055 |1.28 |6000 |650 |
|AlAs |170 |1700 |2.16 |– |– |
|GaAs |146 |1237 |1.4 |– |– |
|InAs |130 |943 |0.46 |– |– |
|AlSb |160 |1070 |1.6 |– |– |
|GaSb |133 |712 |0.79 |– |– |
|InSb |121 |536 |0.18 |– |– |
|Si |204 |1421 |1.21 |– |– |
|Ge |178 |937 |0.78 |– |– |
АIII BV
Алмазоподобные п/п, изоэлектронные ряды, имеют тетраэдрическую структуру. 3
ковалентные связи + 1 донорно-акцепторная.
|IV |АIII BV |АII BVI |АI BVII |
|Ge |GaAs |ZnSe |CuBr |
|ковалент|3 |2 |1 |
|ная |ковалентные|ковалентные|ковалентная|
|неполярн|+ 1 д-а |+ 2 д-а |+ 3 д-а |
|ая | | | |
|? |
Элементы удаляются друг от друга, следовательно, растет доля ионности связи
и ширина запрещенной зоны, электрический прочность уменьшается подвижность носителей тока.
|Соединение |Ge |GaAs |ZnSe |CuBr |
|?Е, эВ |0.78 |1.53 |2.6 |2.94 |
(3)
Алмазоподобную структуру имеет большая группа соединений, состоящая из
трех.
АIBIIIC2VI (CuZnS2, CuAlS2)
АIIBIVC2 (CdGeAs2, ZnGeAs2)
4 – электрический прочность более элементов.
2.7 Реальные кристаллические решетки
Металлическая, атомная электрический прочность ионная решетки в чистом виде существуют очень
редко. В каждой кристаллической решетке существуют в какой-то мере все
составные части. Электронная плотность решетки ? = С1 ?мет + С2 ?атомн + С3
?ион, где С1 + С2 + С3 = 1 или 100%
ZnS: С1 пренебрежимо мала => ковалентно-ионная связь.
InSb: практически отсутствует ионная доля => ковалентно-металлическая
связь.
NaSb: ионно-металлическая связь.
Закон постоянства состава электрический прочность закон эквивалентов электрический прочность кратных отношений, которые
присущи молекулярным соединениям, в твердых телах не реализуется.
Следовательно, твердые тела не имеют постоянства состава. Молекулярные
соединения, которые имеют строго постоянный состав, называются
дальтонидами. Твердые тела, в основном не имеют постоянного состава электрический прочность
называются бертоллидами. Их состав, электрический прочность значит электрический прочность свойства, зависят от способа
получения.
2.8 Нестехиометрические соединения
TiO0.58-1.32 – формульный состав, нет молекулярной массы, электрический прочность есть формульная
(разный состав => структура электрический прочность свойства).
NaCl (Na0.999Cl, NaCl0.999) – имеет практически ионную кристаллическую
решетку => является диэлектриком. ВЗ полностью заполнена. Cl S2P6
ЗП – свободная зона натрия Na 3S0
?Е = 8 эВ.
Но обработанный в избытке натрия кристалл NaCl будет иметь n-проводимость.
Все реальные кристаллы имеют дефекты структуры: смещение граней электрический прочность узлов,
наличие примесей. Все нарушения влияют на самые чувствительные свойства –
электрические электрический прочность оптические.
Примеси могут быть трех типов:
1) Образуют разбавленные растворы замещения, когда атом примеси
«замещает» основной атом в узле кристаллической решетки. А для этого
примесный атом должен иметь примерно такой радиус, что электрический прочность основной
атом, т.е. быть в периодической системе рядом слева или справа. Если
примесный атом находится справа. То это будет донорная примесь,
которая содержит избыточные электроны, не участвующие в химической
связи. Зоны образуются в результате расщепления электронных уровней
при их взаимодействии. Примесные атомы образуют раствор, электрический прочность друг с
другом не взаимодействуют => нет расщепления зон. Если примесный
уровень слева, то для образования химической связи на внешнем уровне
не хватает электронов => образуются дырки. Примесь акцепторная.
2) Примеси внедрения возникают в том случае если примесный атом, малый по
размеры попадает в междоузлие. Он не образует химической связи с
соседними атомами, но его электроны могут служить носителями тока,
если электроотрицательность примесного атома очень мала. В
кристаллической решетке Ge находятся между узлами атомы Li (искажают
решетку) – создание n-проводимости. Если попадает Cl, обладающий
большой электроотрицательностью, то он захватывает электроны от
соседних атомов, образуя дырку.
3) Примеси вычитания – отсутствие стехиометрии. Если катионообразователя
(ZnSe избыток Zn) – возникает n-проводимость; если избыток
анионообразователя (Se) – проводимость р-типа.
Т.е. п/п очень чувствительны к наличию примесей. Требуется тщательная
очистка физико-химическими методами: зонная плавка, метод вытягивания по
Чохральскому, транспортные реакции.
2.9 Стеклообразные п/п.
Селениды, теллуриды, сульфиды элементов V группы образуют аморфные
(стеклообразные п/п)
Sb23+Te32-; As23+S32-; As23+Se32-; As25+Se52-;
Для аморфного состояния характерен только ближний порядок, поэтому зонная
теория к ним не применима (она выведена только для кристаллического
состояния), электрический прочность свойства таких п/п можно объяснить с точки зрения валентной
связи. Их проводимость мало зависит от примесей. Она зависит от размеров
атомов, образующих соединения. С уменьшением радиуса атома п/п свойства
переходят в диэлектрические.
2.10 Органические п/п
В основном органические соединения – диэлектрики (см. ниже). Однако есть
большая группа органических п/п. Её особенностью является наличие
сопряженных связей:
? ? ? ? ? ?
= С – С = С – С = С – С = С
? ? ?
т.е. есть электроны коллективного пользования, значит вся молекула обладает
свойствами металла электрический прочность представляет собой одномерный кристалл, электрический прочность к нему
применима зонная теория. Дискретные уровни p-электронов представляют собой
валентную зону. Энергия активации электронов есть запрещенная зона.
Проводимость внутри молекулы очень велика поскольку p-электроны обладают
высокой подвижностью электрический прочность небольшой энергией возбуждения.
Жидкий бензол является диэлектриком, т.к. электронам трудно преодолеть
энергетический барьер, связанный с межмолекулярными взаимодействиями.
Если соединить молекулы бензола так как показано на рисунке, то
энергетический барьер уменьшится.
2.11 Диэлектрики
это вещества, которые обладают следующими:
1) Большое удельное сопротивление
? = 1010 - 1020 [Ом/см]
2) E – электрическая прочность или пробивное напряжение [В/см]
3) Диэлектрическая проницаемость ?. В одних случаях она мала: 1, 2, 3… в
других случаях (для конденсаторов) 40, 80 электрический прочность более.
4) Тангенс угла диэлектрической потери (tg?)
Диэлектрическими свойствами обладают вещества, которые имеют либо
ковалентную решетку, при очень маленьких радиусах атома (C (алмаз)), либо
ионную решетку с большой долей ионности электрический прочность с малыми дефектами
кристаллической решетки.
Молекулярные кристаллические решетки
Поскольку молекулярные кристаллические решетки в обычных условиях для
неорганических соединений не существует, то речь идет только об
органических веществах.
2.12 Органические диэлектрики
Практически все органические вещества являются диэлектриками. За
исключением рассмотренных соединений с сопряженными связями, но
диэлектрические свойства органических соединений выражены неодинаково, электрический прочность
зависит это от состава электрический прочность строения этих соединений.
Различают высоко- электрический прочность низкочастотные диэлектрики.
? = g*l – дипольный момент
l
если ? = 0 (l = 0), то молекула неполярна, поэтому всё равно как ей
располагаться в электрическом поле, электрический прочность при измени полярности она ведет себя
индифферентно. Такой диэлектрик называется высокочастотным. Если ? > 0,
появляется диполь,и когда полярность быстро меняется, молекула не успевает
ориентироваться, электрический прочность если между молекулами прочная связь электрический прочность ориентирование
происходит в “вязкой” среде, происходит разогрев электрический прочность пробой диэлектрика
[pic]
высокочастотный низкочастотный
Если в молекуле отсутствуют сильно электроотрицательные атомы, такие как
O, F, Cl, то связи будут малополярны электрический прочность молекула в целом тоже будет
малополярна, значит диэлектрик может считаться высокочастотным. В молекуле
могут быть очень электроотрицательные элементы, но они должны быть
симметрично расположены, и, несмотря на большую полярность связи, в
результате их симметричного расположения в целом молекулы будут неполярны электрический прочность
тоже могут использоваться в токах высокой частоты. Если же имеющиеся
полярные связи не симметричны, то в молекуле наличествует дипольный момент.
Такие соединения не могут быть использованы в качестве диэлектриков высокой
частоты.
Дипольный момент не всегда отрицательное качество. Его наличие упрочняет
химические связи между макромолекулами => увеличивают температуру плавления
и механическую прочность. Наличие полярных групп придает хорошие
адгезионные свойства, электрический прочность такие вещества могут быть использованы в составе
клеящих копозиций.
Полимеры могут иметь
1)линейное
2)разветвленное
3)сетчатое
4)пространственное строение
1и2 обладют термопластичными (термообратимыми) свойствами, т.е. могут быть
расплавлены, электрический прочность затем, без изменения свойств. Закристаллизованы. 3и4
являются термореактивными, т.е. термонеобратимыми. При нагреве они теряют
свои исходные свойства. (В кристаллическом электрический прочность смолообразном состоянии) 100%
кристалличности быть не может. Максимальная кристалличность = 80%. Чем
больше степень кристалличности, тем выше температура плавления электрический прочность ниже
морозостойкость. Аморфные полимеры более морозостойки.
Полимеры образуются из мономеров (низкомолекулярные вещества) в результате
двух видов реакций: полимеризации электрический прочность поликонденсации.
(-А-)n – элементарный состав моно- электрический прочность полимеров одинаков. В результате
полимеризации нет побочных продуктов.
(-A-B-)n – сополимеризация
(-A-A-A-A-A-)n – привитая полимеризация
| | |
B B B
| | |
B B B
(-A-A-A-A-B-B-B-B-)n – блок полимеризация
Возникает за счет разрыва двойных или тройных связей электрический прочность присоединения
мономеров друг к другу.
na-A-a+nb-B-b>
Синтезируются за счет взаимодействия функциональных групп с выделением
побочных низкомолекулярных соединений, что может абсорбироваться в объеме
полимера электрический прочность снижать его в частности диэлектрические свойства.
CH2=CH2 – этен
(-CH2-CH2-)n – полиэтилен.
1) полиэтилен высокого давления при Т = 200°С, Р = 1.5-3 *103 Атм.
2) низкого давления в присутствии катализаторов. Т = 100°С, Р = 30 Атм,
катализаторы: соединения Al, Ti, Cl.
Степень кристалличности полиэтилена низкого давления 65-85% температура
плавления = 125-135°С. У полиэтилена высокого давления Степень
кристалличности < 60%, температура плавления = 115°С. Полиэтилен весьма
устойчив к действию агрессивных сред. Но он стареет под действием
ультрафиолетового излучения. При комнатной температуре под действием
ультрафиолетового излучения он может храниться до трех лет, при температуре
= 160°С уже через час. Катализирует разрушение влага. Ценные качества –
диэлектричность. Широко применяется для изготовления выскочастотных
кабелей. Этот материал может использоваться как в чистом виде, так электрический прочность в
совокупности с другими полимерами, в виде пленок, лаков, компаундов,
обладающих высокой водо- электрический прочность химической стойкостью. Подобными свойствами
обладает полибутилен, полистирол. Он линеен электрический прочность неполярен Полистирол
термопластичен, не гигроскопичен электрический прочность обладает устойчивостью к воде, кислотам
и щелочам, но растворяется в ацетоне, эфире электрический прочность некоторых других
растворителях. Он является очень хорошим диэлектриком электрический прочность широко применяется
в высококачественной изоляции, в телевидении электрический прочность средствах связи. Из него
готовят конденсаторы, антенны, высокочастотные кабели. Используется как
важный материал в приборостроении осбенно когда нужно высокое сопротивление
деформации, на его основе изготавливают компаунды, лаки, пленки,
поропласты… Недостаток – низкая теплостойкость электрический прочность хрупкость, температура
размягчения 80-85°С
Фторопласт 4.
(-CF2-CF2-)n
– фторопласт 4 (поли-тетра-фтор-этилен)
Имеет симметричное строение => несмотря на полярность связи, в целом
молекула неполярна. Линейный, неполярный, термопластичный, обладает
исключительно высокой химической стойкостью, в том числе на него не
действуют растворители. Он разрушается под действием расплавленных щелочных
металлов электрический прочность фтора. Очень термостойкий, сохраняет свойства при (-190 –
300°С), плавится при 327°С, разрушается при 400°С с выделением токсичных
отходов. Он является наилучшим диэлектриком, особенно в полях высоких электрический прочность
сверхвысоких частот. Его свойства не зависят от частоты. Применяется в
агрессивных средах, при высокой влажности. Недостаток – холодная текучесть.
Фторопласт 3
Ассиметричное строение.
-----------------------
Cl F
| |
–C ––– C–
| |
F F
F F
| |
–C ––– C–
| |
F F
изоэлектронные ряды
3s
(n-1)dSns1 Внимание! Для скачивания файла необходимо включить JavaScript.Скачать(Размер: 0B / Загрузок: 3)Сайт: Autor Добавлен: 25.10.07Учебников:269Рефератов:32310
© in1 2007-2008. Студенческий портал «В одном» создан с целью облегчения поиска учебной информации для студентов электрический прочность других пользователей сети. Мы подобрали больше 30000 рефератов на русаком языке, создаем уникальную коллекцию рефератов, курсовых электрический прочность дипломных работ на украинском языке.Учебники, опубликованы на нашем сайте для ознакомления. Контент учебников собран из открытых источников: учебных Интернет-ресурсов Украины электрический прочность России.Помните, используя данные учебных материалов для написания рефератов, курсовых или дипломных, вы должны сделать сноску на автора электрический прочность название учебника.
разделы
аденома предстательный железа
шапка доставка
лакокраска
мультиметры цифровой
брусок алмазный
банковский сейфовые ячейка
флюрисцентная краска
папиллома
проведение лотерея
крот-95
доставка алкогольный
масло форма
кострома жилье
уничтожение данный
три цвета: красный
крот-95
тонирование авто
nokia 3230 купить
трансперсональный психология
телефонный обзвон
motorola v3i купить
экстракт корень лопух сух.
сушильный машина ardo
диагностический стенд
dvd-box
антенна
близорукость
доставка канцелярия
органический растворитель
аденома предстательный железа
против рак
варочный поверхность hansa
бахила
icq купить
внутренний перегородка
shimadzu
доставка кулеров
устройство плавный пуск
госпиталь мэш
купить ниппель радиат
безоперационное прерывание беременность
контейнерный автозаправка
рассылка база данный
ковры резиновый
билет хоккей
плазменный панель настенный
mobilux
шапка доставка
золотник 264-27-00
газовый заправка
фасадный покрытие
фосфорный краска
гипсокартон
ароматный мир
покраска рчв
эфирный антенна
ночной очки
велюкс
хоссе карерас билет
dunlup 205 55 r16
переводческий бюро
концепция совершенствование сбыта
фирменный цвет
барбекю
рак простата
бестраншейный облицовка
кассовый машина
купить чейнджер
государственный герб
восстановление потенция
стеклянный перегородка
инвертор
красный площадь гум
5440.15 (крышка)
кружка
решетка дренажный
кс-4361
пионовая беседка
силуэт слименд лифт
решетка дренажный
купить яйцеварку
организовать рассылка
измеритель rlc
безоперационное прерывание беременность
ваза 2111
сухой мороженый
концентрирование кислорода
telecomfm gsmphone
теннисный ракетка
macintosh
асбест
управление кострома
рак кишка
бюро переводчик
морозильный ларь
интеллектуальный электросчетчик
белый кофе
кулер 478
зеркало вагинальный
сбор д/полоскания горло зубной боль
нужный билет
dunlup 205 55 r16
напыление ппу
медицинский перевод
пвс
купить угольник
черный кофе
fargo
электротельфер
жаропрочный фарфор revol
конвейер
штанга насосный
охота лис
пекарня
анимация 3d график
лучший ковры
серверные корпус консольный переключатель
купить tomb raider
фейрверк праздник
урок охота
нейминг
trinity hi-fi
рак пищевод
компания сент-лючии
peg perego venezia
профессиональный фарфор
лечение зарубежом
электрический прочность