Властивості і функції провідникових матеріалів (ПМ). Електропровідність ПМ. Провідники 1,2 і 3 пологів. Структурна схема провідників. Фактори, що визначають електропровідність ПМ. Надпровідність ПМ. Термоелектрорушійна сила. Контакти. Матеріали високої провідності високо опору. ПМ мікроелектроніки. Припої.
Провідникові матеріали - це матеріали, які служать провідниками електричного струму. Їх питомий електричний опір мало, і становить від 10 -8 до 10 -4 Ом ∙ м. Провідники можуть бути твердими речовинами: кристалічні метали і сплави, вуглець - це провідники 1 роду; рідкими - електроліти - це провідники 2 роду; газоподібними - газорозрядна плазма - провідники 3 роду.
Провідники 1 роду (рис. 3.1) практично не мають забороненої зони, так як зони валентна і провідності у них перекриваються.
Метали мають металевим типом хімічного зв'язку, при якій валентні електрони атомів усуспільнено і утворюють так званий «вільний» електронний газ. Атоми, розташовані в вузлах (междуузлій) кристалічної решітки, є позитивно зарядженими іонами, так як вони віддали свої електрони «в загальне користування». У такій системі має місце велика кількість вільних носіїв заряду - електронів.
Мал. 3.1. Структурна схема провідників.
В металевих провідниках є велика кількість вільних носіїв заряду - електронів, тому їх електропровідність велика. Формула електропровідності провідників
де N - концентрація вільних носіїв заряду, м -3;
u - рухливість, м 2 / В ∙ с;
q - величина заряду носія, Кл.
Найбільшою електропровідністю володіють Ag, Cu, Au та Al, у яких велика кількість електронів (10 28) у одному кубічному метрі і їх число практично не залежить від вмісту домішок або від температури, але рухливість домішок дуже впливає, створюючи своєю присутністю додаткові перешкоди спрямованому руху електронів в електричному полі. Підвищення температури також зменшує електропровідність, так як зменшується рухливість електронів в результаті теплових коливань кристалічної решітки і збільшення хаотичного руху електронів.
Температурний коефіцієнт ТКR (ТКρ) провідників (чистих металів) позитивний і становить величину (3 ∙ 10 -3. 4 ∙ 10 -3) 1 / град.
Зі збільшенням температури питомий опір зазвичай зростає. При інженерних розрахунках користуються формулою:
де ρt - питомий опір при температурі t;
ρ0 - питомий опір при кімнатній температурі (зазвичай t = 20 ° С);
αρ - середній температурний коефіцієнт питомого опору.
Механічна обробка металу викликає спотворення кристалічної решітки і призводить до збільшення питомої опору.
Чисті метали більш чутливі до температури, тому використовуються в якості термосопротивлений, а їх тверді розчини Cu-Ni, Cu-Ni-Mn, Ni-Cr і інші - в якості високостабільних зразкових опорів.
Всі метали ПМ ділять на метали високої провідності ρ <0,05 мкОм∙м, сплавы высокого сопротивления ρ> 0,5 мкОм ∙ м і надпровідникові матеріали, що мають надзвичайно малу ρ, які нижче певної температури (для кожного матеріалу температура своя) переходять в надпровідний стан, тобто їх опір постійному струму стає практично рівним нулю. Якщо метал переходить в цей стан стрибком - це надпровідник 1-го роду, якщо плавно - надпровідник 2-го роду (як правило це сплав).
Температура переходу в надпровідний стан називається критичною (Ткр), вище цієї температури надпровідник переходить в звичайне провідний стан.
Дуже коротко надпровідність можна пояснити тим, що в металі при певних умовах утворюються пари електронів (куперовские пари), що мають протилежні імпульси і спини. Така пара взаємодіє з кристалічною решіткою - один електрон, віддаючи їй свій імпульс, переводить її в збуджений стан; другий електрон цієї пари забирає переданий решітці імпульс і тим самим переводить її в нормальне (початкове) стан. В результаті стан решітки не змінюється, а між електронами, обміняти фотонами, виникає сила взаємного тяжіння. Таких електронних пар в металі безліч, але всі вони рухаються узгоджено, електронні хвилі їх мають однакові довжини і фази.
Відсутність опору в надпровіднику пояснюється тим, що рух усіх електронних пар в металі можна описати як поширення однієї (сумарною) електронної хвилі, яка не розсіюється кристалічною решіткою тому, що сама решітка бере участь в утворенні цієї хвилі, тобто власні коливання решітки узгоджені з електронної хвилею, мають ті ж довжини хвиль і фази.
Струм, що порушується за рахунок зовнішнього джерела (який потім вимикається) в надпровідної ланцюги, може зберігатися дуже тривалий час, якщо в ній підтримувати певні умови.
Крім нульового опору надпровідники володіють властивостями ідеальних діамагнетіков, магнітні силові лінії в них не проникають, виштовхуються.
На розрив електронних пар і перехід в нормальний (ненадпровідний) стан потребує витрата певної енергії, наприклад: температури, що перевищує критичну Ткр; магнітного поля, що перевищує Нкр (для кожного металу Нкр - своє); електричного струму, величина якого викликає на поверхні надпровідника критичне магнітне поле - Нкр.
Якщо енергія цих впливів більше сил зв'язку між електронними парами - вони руйнуються, а метал втрачає своє надпровідний стан, стаючи звичайним провідником.
Треба зауважити, що не всі чисті метали і сплави переходять в надпровідний стан. Наприклад, такі хороші провідники при нормальних умовах як мідь і срібло, не переходять в надпровідний стан навіть при температурах близьких до абсолютного нуля.
У таблиці 3.1 наведені деякі провідникові матеріали, здатні ставати сверхпроводниками при низьких температурах, їх критичні теплові та критичні магнітні поля.
Застосування надпровідників в потужних магнітах, трансформаторах, генераторах, лініях передач зводить до нуля втрати в провідниках і дозволяє значно підвищувати щільність струму і напруженість магнітного поля.
Зараз ведуться роботи по створенню високотемпературних надпровідників. Передбачається, що ними будуть керамічні матеріали.
де UA і UB - потенціали дотичних металів;
К - постійна Больцмана, К = 1,38 ∙ 10 -23 Вт / град;
q - заряд електрона, 1,6 ∙ 10 -19 А ∙ с;
Т - абсолютна температура, К.
Якщо температура спаю (ТГ) буде більше температури (Тх) кінців провідників, між якими включити вимірювальний прилад, то в замкнутому ланцюзі виникне термоелектрорушійна сила, яку можна визначити за формулою
Прикладом пар провідників для виготовлення термопар можуть служити: мідь-константан, хромель-копель, які використовуються для вимірювання температур до 300. 500 ° С, хромель-алюмель - до 900. 1000 ° С і ін.
Великий відсоток виходу електричної апаратури з ладу відбувається за рахунок процесів, що відбуваються на контактах. Тому при виборі матеріалів для контактних пар потрібно враховувати: умови їх експлуатації, навколишнє середовище; взаємодія матеріалів один з одним (термо-ЕРС. взаємна дифузія), твердість, окислюваність і т.д.
Найбільш відповідальними контактами, застосовуваними в радіоелектроніці, є розривні і ковзаючі. При цьому матеріали повинні забезпечувати їх високу надійність: виключення можливості обгорання контактуючих поверхонь, приварювання один до одного, сильного окислення і ін.
Як контактуючих матеріалів при розривних контактах застосовують чисті тугоплавкі метали, різні сплави і металокерамічні композиції, наприклад:
Cu-W; Ag-CdO; Ag-Co, Ni, Cr, W, Mo, To; Cu-C; Cu-W, Mo; Au-W, Mo та ін.
Алюміній другий після міді провідниковий матеріал. За ГОСТ 11069-74 розрізняють алюміній особливо чистий А999, високої чистоти А995-А95 і технічної чистоти А85-АТ. У мікроелектроніці використовують А999.
Срібло марок Ср999,9 і Ср999 використовують в слабонавантажених контактах, в припоях і СВЧ-техніці. Золото марок Зл999,9 і Зл999 як мікродроту і фольги застосовуються в інтегральних мікросхемах.
Матеріали високого опору використовують в ЕС при виготовленні зразкових резисторів, реостатів, нагрівальних елементів в складі термопар (константан). Найбільшого поширення набули манганин (Cu-Mn-Ni), константан (Cu-Ni) і хромонікелеві сплави. Ніхром (Х20Н80) широко використовується в мікроелектроніці.
До провідникові матеріалів відносять і припої, які призначені для електричного і механічного з'єднання провідників. Припої ділять на дві групи: м'які, з температурою плавлення до 300 ° С і тверді, з температурою плавлення понад 300 ° С. Межа міцності на розрив у м'яких 16 - 100 МПа, а у твердих 100 - 500 МПа. У припои входять різні компоненти: олово - О, свинець - С, срібло - Ср, паладій - Пд, мідь - М, германій - Г, вісмут - В, титан - Т, сурма - Су, алюміній - А, нікель - Н, індій - Ін, золото - Зл, кремній - Кр, кадмій - К.
Для тонкоплівкових резисторів ІС (товщина резистивних плівок 0,01 - 0,1 мкм) використовуються тугоплавкі метали і сплави, композиційні матеріали (силіциди кермети), а також двоокис олова SnO2. Це хром, тантал, реній, ніхром, кремнієві резистивні плівки (Si-Cr-Ni-Fe) марок PC; металосіліцідние сплави МЛТ (Si-SiO2-Fe-Cr-Ni-Al-W).
Для товстоплівкових резисторів (товщина 10-20 мкм) використовують серебропалладіевие і рутенієвого пасти. Це дорогі пасти, тому розроблені більш дешеві резистивні пасти на основі напівпровідникових оксидів (SnO2 + SbO2. Te2O2).
Питання для самоперевірки:
1. Визначення ПМ. Класифікація.
2. Фактори, що впливають на електропровідність ПМ.
3. На який параметр (у формулі провідності) впливають підвищення температури, введення домішок в метал і механічне спотворення кристалічної решітки?
4. Визначення ТКС.
5. Визначення надпровідності. Основні надпровідні матеріали і їх характеристики.
7. Явища на контактах.
8. Основні характеристики Сі і А1 як ПМ.
9. Константан. Ніхром. Манганін. Властивості і характеристики.
10. Класифікація та характеристики припоїв.
11. Характеристики матеріалів для резисторів ІС.