close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
1
1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине
1.1. Вид деятельности выпускника
Дисциплина охватывает круг вопросов относящиеся к виду деятельности
выпускника:
проектно-конструкторская
1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника
В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной
деятельности выпускника:
сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования деталей, узлов и
устройств радиотехнических систем;
расчет и проектирование деталей, узлов и устройств радиотехнических систем в
соответствии с техническим заданием.
1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС
Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у
обучающегося следующие компетенции:

готовностью учитывать современные тенденции развития электроники,
измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей
профессиональной деятельности (ПК-3);

способностью владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик
электрических цепей (ПК-4);

способностью владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных (ПК-5);

способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать
научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения
отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);

готовностью учитывать современные тенденции развития электроники,
измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей
профессиональной деятельности (ПК-3);

способностью владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик
электрических цепей (ПК-4);

способностью владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных (ПК-5);

способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать
научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения
отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);
1.4. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС
Студент после освоения программы настоящей дисциплины должен:
знать:
- свойства, характеристики и назначение проводниковых, диэлектрических и
магнитных материалов;
- параметры, характеристики, системы обозначения и области применения
радиокомпонентов.
уметь:
- правильно выбирать наиболее подходящие по своим техническим и
экономическим характеристикам материалы;
- обосновано применять в радиоэлектронных устройствах соответствующие
радиокомпоненты;
- рассчитывать конструктивные и электрические параметры некоторых
компонентов.
владеть
2
методами решения задач анализа и расчета характеристик радиокомпонентов;
основными приемами обработки и представления экспериментальных
данных.
2. Цели и задачи освоения программы дисциплины
Цель освоения дисциплины:
познакомить студентов с основными классами материалов, применяемых в
радиотехнике; дать представление о структуре, основных свойствах и применении
радиоматериалов; дать необходимые знания и умения для использования параметров
материалов при расчетах электрических, тепловых, механических и других
характеристик РЭА и ЭВА;
Задачи освоения дисциплины:
изучение электрофизических свойств, характеристик и областей применения
материалов, применяемых в радиоэлектронных системах (РЭС).
3. Место дисциплины в структуре ООП
Для изучения дисциплины, необходимо освоения содержания дисциплин:
- «Физика»;
- «Химия»;
- «Физические основы электроники»;
- основные разделы высшей математики.
Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания
дисциплины, будут использоваться в дисциплинах:
- «Электроника»;
- «Основы конструирования и технологии производства РЭС»;
- «Физико-химические основы технологии РЭА»;
- «Электропреобразовательные устройства РЭС»;
- «Оптические устройства в радиотехнике»;
-
4.
Основная структура дисциплины.
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия, в том числе:
лекции
лабораторные работы
практические/семинарские занятия
Самостоятельная работа (в том числе курсовое
проектирование)
Вид промежуточной аттестации (итогового контроля
по дисциплине), в том числе курсовое проектирование
5. Содержание дисциплины
Трудоемкость, часов
Всего
Семестр
№4
72 (2
72(2 ЗЕТ)
ЗЕТ)
54
54
18
18
18
18
18
18
18
18
зачет
зачет
5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины
ВВЕДЕНИЕ
Основные типы материалов: классификация по электрическим и магнитным
свойствам. Пассивные радиокомпоненты. Взаимосвязь электрофизических свойств
материалов и функциональных характеристик радиокомпонентов.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Основы зонной теории. Дрейфовое движение носителей заряда. Подвижность
3
носителей заряда. Удельная электропроводность. Поверхностная проводимость.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Собственные и примесные полупроводники. Функция распределения ФермиДирака. Уровень Ферми. Вырожденные и невырожденные полупроводники.
Температурная зависимость концентрации носителей заряда и подвижности носителей
заряда в полупроводниках. Температурная зависимость удельной электропроводности
полупроводников Неравновесные носители заряда. Рекомбинация носителей заряда.
Межзонная рекомбинация. Рекомбинация через локальные уровни. Фотоэлектрические
свойства полупроводников. Виды поглощения света в полупроводниках. Внутренний
фотоэффект. Красная граница фотоэффекта. Фоторезисторы. Виды полупроводников
их применение в РЭА. Кремний. Германий. Полупроводниковые соединения типа
А(3)В(5) и А(2)В(6).
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Основные положения теории сопротивления металлов. Время релаксации.
Длина свободного пробега электрона в металле. Сопротивление сплавов. Диаграммы
состояния бинарных систем. Температурная зависимость сопротивления металлов.
Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Сверхпроводимость.
Теория БКШ. Идеальный диамагнетизм. Сверхпроводники первого и второго рода.
Высокотемпературная сверхпроводимость. Характеристика основных проводниковых
материалов в РЭА (медь, алюминий, золото). Стеклоэмали.
РЕЗИСТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. РЕЗИСТОРЫ.
Требования к резистивным материалам. Характеристики основных резистивных
материалов в РЭА. Резисторы. Модели, параметры, маркировка, типономиналы
резисторов. Применение и эксплуатация резисторов.
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Виды магнитных материалов. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики,
антиферромагнетики, ферримагнетики. Основная кривая намагничивания. Магнитный
гистерезис.
Магнитные потери. Тангенс угла магнитных потерь. Магнитомягкие, магнитотвердые
материалы и материалы специального назначения (материалы с ППГ, тонкие
магнитные пленки, материалы с ЦМД). Катушки индуктивности, дроссели,
трансформаторы.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Поляризация диэлектриков. Пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэлектрики.
Электропроводность диэлектриков. Электропроводность твердых, жидких и
газообразных диэлектриков. Электрическая прочность. Пробой диэлектриков.
Электрический, тепловой, поверхностный пробой. Диэлектрические потери. Тангенс
угла диэлектрических потерь. Конденсаторы. Параметры, маркировка конденсаторов.
Полимерные материалы. Слоистые пластики. Жидкие кристаллы.
5.2. Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем
дисциплины.
Лекция 1
ВВЕДЕНИЕ
Радиотехническими (далее радиоматериалами) называют такие материалы,
которые имеют специфическое назначение в электрорадиоаппаратуре при воздействии
электромагнитного поля, отличаются хорошими электрическими и магнитными
свойствами. Применяемые в радиотехнике и электронике материалы, подразделяются
на:

электроизоляционные (диэлектрические)

проводниковые

полупроводниковые
4
магнитные.
Значение материалов в промышленности возрастает по мере развития
радиотехники и электроники. Вопросы уменьшения габаритов и веса радиоаппаратуры
(микроминиатюризация), повышение дальности и избирательности связи, повышение
надежности, особенно в экстремальных условиях наземного и космического
применения, внедрение квантовой электроники в большой мере зависят от
радиоматериалов.
Значительное развитие радиоэлектроники и электронной техники, создание
таких областей науки и техники, как радиолокация, радиофизика, кибернетика,
биоэлектроника и др., - поставили перед материаловедением и химией задачи по
разработке и применению новых материалов с новыми свойствами. Рассмотрим
некоторые направления электроники.

Структура материалов. Твердые тела отличаются упорядоченным
расположением частиц, что обусловлено очень большими силами взаимодействия
между ними. Твердые материалы по структуре могут
быть монокристаллическими, поликристаллическими, аморфными и смешанными.
Монокристаллы - однородные анизотропные тела, которые характеризуются
правильным порядком в расположении атомов во всем объеме и состоят из
периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек.
Поликристаллы – материалы, состоящие из большого количества сросшихся
друг с другом мелких кристаллических зерен, хаотически ориентированных в разных
направлениях.
Аморфные – материалы, у которых отсутствует строго упорядоченное
расположение атомов. Это затвердевшие жидкости, стекла, смолы.
Смешанные (аморфно-кристаллические) – частично закристаллизованные
аморфные. Такую структуру имеют многие полимеры, ситаллы.
Различие между кристаллическими и аморфными веществами настолько
велико, что аморфные тела можно рассматривать как сильно переохлажденные
жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости.
Основы зонной теории. В зависимости от электрических свойств, все вещества
подразделяются на диэлектрики, полупроводники и проводники. Различие между
этими видами веществ можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной
теории твердых тел.
Диэлектрики – материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что
электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается.
Полупроводники - вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может
быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий .
Проводники – материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную
прилегает к зоне свободных энергетических уровней или перекрывает ее.
Удельное сопротивление
Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, поэтому
не может являться характеристикой материала. Свойство вещества оказывать
сопротивление электрическому току количественно характеризуется удельным
сопротивлением.
Удельное сопротивление – это сопротивление проводника длиной l = 1 м с
поперечным сечением S = 1 мм2:

RS
l
Удельное сопротивление измеряется в единицах: 1 Ом·м = 10 6 мкОм·м = 106 Ом
мм /м. Диапазон изменения удельного сопротивления металлов невелик от 0.016
мкОм∙м для серебра до 10 мкОм∙м для железохромалюминиевых сплавов.
2
5
Лекция 2
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Рассмотрим представление полупроводников с точки зрения зонной теории.
Электроны, находящиеся в заполненных зонах, не могут изменить свое энергетическое
состояние под действием приложенного электрического поля и не могут принять
участие в электропроводности.
Для создания электропроводности необходимо, чтобы часть электронов из
валентной зоны перешла в свободную зону.
Разрешенную зону полупроводника, на уровнях которой отсутствуют электроны
проводимости при абсолютном нуле, называют свободной зоной.
Свободную зону полупроводников, на уровнях которой при возбуждении могут
находиться электроны проводимости, называют зоной проводимости.
Между зоной проводимости и валентной зоной располагается запрещенная зона.
Для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им нужно сообщить
дополнительную энергию, равную ширине запрещенной зоны.
Ширина запрещенной зоны – это разность энергий между нижним уровнем
(дном) зоны проводимости WC и верхним уровнем (потолком) валентной зоны WB.
С возрастанием температуры в полупроводниках происходит генерация
электронов из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне образуется
дырка (избыточный положительный заряд, движение которого можно описать как
движение положительно заряженной частицы).
Собственные полупроводники. Рассмотрим полупроводник, кристаллическая
решетка которого состоит из атомов только одного вещества, например, германия. В
результате тепловой генерации свободных носителей заряда в таком полупроводнике
возникает собственная электропроводность, так как в переходах участвуют только
собственные электроны из валентной зоны полупроводника. Такие полупроводники
также называются собственными.
При некоторой установившейся температуре кристалл находится в состоянии
термодинамического равновесия. Процесс генерации уравновешивается процессом
рекомбинации. Концентрации носителей заряда в таком состоянии называются
равновесными.
Примесные полупроводники. Кроме парных свободных носителей заряда,
появляющихся в результате нарушения валентных связей, в полупроводнике могут
быть также и носители заряда, существование которых связано с наличием атомов
некоторых примесей.
Донорные полупроводники. Если в структуру полупроводника, состоящего из
элемента IV группы (например, германия) ввести атом вещества, относящегося к V
группе таблицы Менделеева (например, фосфор), то это приведет к образованию
дополнительного количества
свободных электронов. Такой полупроводник называется полупроводник n-типа.
Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а
неосновными – дырки. Энергия, которая необходима для образования свободного
носителя заряда за счет ионизации примеси, или, согласно, зонной теории переходу
электрона с донорного энергетического уровня в зону проводимости, называется
энергией ионизации примесей.
Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются
донорными примесями или донорами.
Акцепторные полупроводники. Если в структуру полупроводника, состоящего из
элемента IV группы (например, германия) ввести атом вещества, относящегося к III
группе таблицы Менделеева (например, бор), то это приведет к образованию
дополнительного количества дырок. Такой полупроводник называется полупроводник
p-типа. Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а
6
неосновными –электроны. Энергия, которая необходима для образования свободного
носителя заряда за счет ионизации примеси, или, согласно, зонной теории переходу
электрона на акцепторный энергетический уровень из валентной зоны, так называется
энергией ионизации примесей.
Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются
акцепторными примесями или акцепторами.
Лекция 3
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Причинами рассеяния носителей заряда в полупроводниках, по-разному
влияющими на температурную зависимость подвижности, являются: 1) тепловые
колебания атомов или ионов кристаллической решетки; 2) примеси в ионизированном
или в нейтральном состоянии; 3) дефекты решетки (пустые узлы, искажения,
вызванные атомами внедрения, дислокации, трещины, границы кристаллов и т. д.).
В полупроводниках рассеяние носителей заряда происходит на тепловых
колебаниях решетки и на ионизированных примесях. Эти два механизма рассеяния
приводят к появлению двух участков температурной зависимости подвижности.
Обозначим через µT подвижность, ограниченную рассеянием носителей заряда только
на тепловых колебаниях узлов решетки. При таком механизме рассеяния µT
пропорциональна температуре в степени -3/2. Рассеяние на тепловых колебаниях
решетки играет доминирующую роль при повышенных температурах.
В области низких температур основное значение имеет рассеяние на
ионизированных примесных атомах. Обозначим подвижность носителей заряда, ограниченную рассеянием только на ионизированных примесях, символом µ И.
В случае преобладания рассеяния носителей заряда на ионизированных
примесях подвижность пропорциональна температуре в
степени 3/2. Если в рассеянии носителей заряда участвуют оба механизма, то
результирующая подвижность может быть найдена с помощью соотношения 1/µ = 1/µТ
+ 1/µИ.
Ее температурная зависимость выражается кривой с отчетливо выраженным
максимумом. С увеличением концентрации примесей максимум подвижности
уменьшается и смещается в сторону более высоких температур. При очень низких
температурах, когда примеси слабо ионизированы, рассеяние носителей заряда
происходит на нейтральных атомах примеси. При наличии только этого механизма
рассеяния подвижность не зависит от температуры, а определяется только
концентрацией примеси. Температурная зависимость электрической проводимости
определяется в основном зависимостью концентрации носителей заряда от
температуры. Аналитическое выражение зависимости ζ = ƒ(Т) представлено в виде
ζT = ζ0∙exp(- ∆W
),
2kТ
где ζT – удельная электропроводимость образца при заданной температуре
(См/м); k – константа Больцмана (1,38 10-23 Дж/к); ∆W – энергия ионизации примеси
(Дж); Т – температура (К).
При низких температурах донорные уровни в полупроводнике заполнены
электронами. С ростом температуры электроны с донорных уровней переходят в зону
проводимости, увеличивая концентрацию носителей заряда. Тангенс угла наклона
прямой tg  = ΔW/2k пропорционален энергии ионизации примесных атомов. Участок I
соответствует области примесной электропроводимости полупроводников. При
дальнейшем нагревании полупроводника по достижении некоторой температуры Т1,
когда все электроны с донорных уровней оказываются в зоне проводимости.
Участок II на
рисунке соответствует области истощения примеси. С
приближением к области собственной проводимости электрическая проводимость
7
вновь возрастает за счѐт увеличения с ростом температуры
собственных
носителей заряда. Тангенс угла наклона прямой линии в данном температурном
интервале пропорционален ширине запрещѐнной зоны полупроводника (ΔW3).
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры используется для
устройства большого класса полупроводниковых приборов – термосопротивлений, или
термисторов. Изготавливают термисторы по специальной технологии из смеси оксидов
различных металлов, например, из смеси оксида титана с оксидом лития и др.
Термисторы используются для измерения температуры, вакуума, скорости потока
жидкости и газа, мощности электромагнитного излучения и т.д.
НЕРАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА И МЕХАНИЗМЫ
РЕКОМБИНАЦИИ
Помимо тепловой генерации возможны и другие механизмы появления
носителей заряда: при облучении светом, при воздействии сильного
электрического поля, при инжекции через контакт и др.
Действие таких факторов приводит к появлению дополнительных,
неравновесных носителей заряда.
Их концентрация является избыточной по отношению к равновесной:, Δn=n - nо
;Δp=p - ро, где n и р - полные концентрации электронов и дырок. После прекращения
нетеплового возбуждения полупроводник возвращается в равновесное состояние, при
этом избыточная концентрация носителей заряда за счет процесса рекомбинации
падает до нуля.
Процесс рекомбинации характеризуют скоростью рекомбинации R, равной
числу носителей (пар носителей), ежесекундно рекомбинирующих в единице объема
полупроводника:
Rn = —dn/dt = —d (Δn) /dt.
Различают несколько механизмов рекомбинации.
Межзонная, или прямая, рекомбинация происходит при переходе свободного
электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных
энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда —
свободного электрона и дырки.
Рекомбинация с участием ловушек происходит через энергетические уровни,
называемые ловушками. Рекомбинационными ловушками являются примеси и
дефекты, создающие в запрещенной зоне энергетические уровни, достаточно
удаленные от ее краев. Рекомбинация через ловушки протекает в два этапа. В
результате электрон выбывает из процесса электропроводности. В этом состоянии
ловушка будет находиться до тех пор, пока к ней не подойдет дырка. Тогда произойдет
второй этап рекомбинации — электрон перейдет на свободный уровень в валентной
зоне.
Рекомбинационными ловушками могут быть любые несовершенства в
кристаллах: примесные атомы или ионы, различные включения, незаполненные узлы в
решетке, трещины и другие дефекты объема или поверхности. В связи с тем, что на
поверхности кристалла перечисленных дефектов значительно больше, чем в объеме,
процесс рекомбинации на поверхности должен происходить значительно интенсивнее.
Обычно его оценивают отдельно, считая поверхностную рекомбинацию
разновидностью рекомбинации с участием ловушек.
Основными характеристиками процесса рекомбинации являются время жизни и
диффузионная длина неравновесных носителей заряда.
Время жизни. Временем жизни неравновесных носителей заряда называют
отношение избыточной концентрации (Δn или Δр) неравновесных носителей заряда к
скорости изменения этой концентрации вследствие рекомбинации.
Скорость рекомбинации R можно выразить уравнением:
R  d n / dt  n /  n
8
Преобразуя и интегрируя это выражение, получаем:
nt   n0 exp  t /  n ,
где Δn(t) –концентрация носителей заряда в момент времени t после отключения
источника возбуждения, Δпо начальная избыточная концентрация носителей заряда (в
момент времени t = 0).
Из этого выражения видно, что время жизни — это характеристическое время,
по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда при линейной
рекомбинации уменьшается в е раз. Фактически τ представляет собой среднее время
существования избыточной концентрации.
Время жизни определяется количеством и типом рекомбинационных ловушек.
Поэтому оно является чувствительной характеристикой химической чистоты и
структурного совершенства полупроводникового материала. Время жизни
неравновесных носителей заряда максимально в собственном полупроводнике.
Поскольку роль ловушек в процессе рекомбинации зависит от ряда внешних факторов,
то эти же факторы влияют и на время жизни неравновесных носителей заряда. В
частности, время жизни зависит от температуры. С повышением температуры
затрудняется захват носителей заряда на уровни ловушек, поэтому время жизни растет.
В реальных полупроводниках время жизни неравновесных носителей заряда
может составлять 10-2 — 10-10 с.
Если генерация неравновесных носителей заряда происходит не во всем объеме,
а только в какой-то части полупроводника, то образуется локальная область с
повышенной концентрацией носителей заряда, что вызывает появление диффузионного
тока. Диффузионный ток существует даже в отсутствие внешнего электрического поля
и обусловлен градиентом концентрации носителей заряда. В процессе диффузии
неравновесные носители заряда рекомбинируют. Поэтому избыточная концентрация
убывает при удалении от источника возбуждения.
Диффузионная длина — это расстояние, на котором в однородном
полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного
полей избыточная концентрация носителей заряда уменьшается вследствие
рекомбинации в е раз, т. е. — это среднее расстояние, на которое носитель
диффундирует за время жизни. Решая уравнение диффузии, можно получить
выражение, связывающее диффузионную длину со временем жизни:
Ln  Dn n
где D — коэффициент диффузии носителей заряда соответствующего типа.
Для германия τ ≈ 10 ÷ 500 мкс, L≈ 0,2 ÷ 3 мм, для кремния они меньше. Чем
меньше примесей и дефектов в полупроводнике, тем больше время жизни и,
соответственно, диффузионная длина неравновесных носителей заряда.
Лекция 4
ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В
ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Поглощение света. Свет, проникая в полупроводник, вступает с
кристаллической решеткой во взаимодействие, связанное с обменом энергий.
Обозначим через I интенсивность света, т. е. количество световой энергии, проходящей
в единицу времени через нормальное к световому потоку единичное сечение
полупроводника. Часть светового потока отражается от границы раздела. Доля
отраженной энергии характеризуется коэффициентом отражения R, равным отношению
9
отраженного излучения к первоначальному I o . Интенсивность света, проходящего
через полупроводник, ослабляется вследствие процесса поглощения. Выделим на
глубине х от поверхности полупроводника бесконечно тонкий слой dx. Количество
световой энергии dI, поглощенное слоем dx, пропорционально интенсивности света,
падающего на этот слой, и его толщине :
dI    I  dx
Знак минус указывает на убыль энергии; коэффициент пропорциональности α
называется показателем поглощения. Он характеризует относительное изменение
интенсивности излучения на единице длины. Интегрируя выражение, получим:
I ( x)  I o (1  R) exp(  x)
Эта формула известна в физике как закон Бугера — Ламберта. Из нее следует,
что величина, обратная показателю поглощения α, численно равна толщине слоя, на
которой интенсивность проходящего света уменьшается в е раз. Таким образом, показатель поглощения имеет размерность, обратную длине, т. е. мˉ1.
В полупроводниках различают несколько механизмов оптического поглощения.
Каждому из них соответствует определенная область спектра.
Собственное поглощение света обусловлено переходами электронов из
валентной зоны в зону проводимости, т. е. энергия квантов света идет на ионизацию
атомов полупроводника. Собственное поглощение возможно в том случае, если энергия
фотонов превышает ширину запрещенной зоны. В зависимости от ширины
запрещенной зоны оно проявляется в видимой или ближней инфракрасной области
спектра.
По краю собственного поглощения можно определить ширину запрещенной
зоны полупроводника:
c
E  h  пор  h
пор
где  пор и пор — пороговые по отношению к межзонным переходам электронов
значения частоты и длины волны, с-скорость света в вакууме.
Для точного определения ширины запрещенной зоны по оптическим спектрам
необходимо учитывать конкурирующие процессы поглощения. Этим обусловлена
довольно сложная процедура вычислений.
Экситонное поглощение. В некоторых полупроводниках при поглощении
фотонов образуются особые возбужденные состояния электронов валентной зоны,
называемые экситонами.
Экситон — это система из взаимосвязанных собственными электростатическими
полями электрона и оставленной им дырки. Он напоминает атом водорода, в котором
роль ядра играет положительная дырка.
Примесное поглощение света обусловлено ионизацией или возбуждением
примесных атомов в кристаллической решетке. При этом механизме энергия
поглощаемых квантов света расходуется либо на переход электронов с донорных уровней в зону проводимости, либо на переход электронов из валентной зоны на
акцепторные
Из всех рассмотренных механизмов оптического поглощения света лишь
собственное и примесное поглощения сопровождаются генерацией добавочных
носителей заряда. За счет оптической генерации неравновесных носителей заряда
должны изменяться электрические свойства полупроводника при его освещении.
Поэтому два выделенных механизма поглощения называют фотоактивными.
Фотопроводимость полупроводников. Изменение электрической проводимости
(удельного сопротивления) вещества под воздействием электромагнитного излучения
называют фотопроводимостью (фоторезистивным эффектом).
При фотопроводимости первичным является процесс поглощения фотонов.
10
Только фотоактивное поглощение света вызывает изменение удельного сопротивления.
Фотопроводимость  равна разности проводимостей полупроводника на свету и в
темноте:
   св   т  e  n  ne  p   p
где n и p — концентрации неравновесных носителей заряда, возникших
вследствие оптической генерации.
Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием
электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения
облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению,
которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды,
у других измеряется минутами и даже часами. Знание инерционности
фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке,
например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении
их быстродействия.
Убыль или накопление неравновесных носителей заряда определяется
разностью скоростей генерации и рекомбинации носителей:
d (n) / dt  g o  n / 
где τ — время жизни неравновесных носителей заряда.
Интегрируя это выражение с использованием начального условия Δn=0 при t =
0, найдем закон нарастания избыточной концентрации носителей заряда при
включении освещения;
n  nст 1  exp(t /  )
где nст    g o .
По такому же закону происходит и нарастание фотопроводимости
   ст 1  exp(t /  )
При отключении света изменение проводимости определяется только скоростью
рекомбинации.
   ст exp(t /  )
Таким образом, крутизна фронтов нарастания и спада фотопроводимости
находится в тесной связи со временем жизни неравновесных носителей заряда.
Спектральная зависимость фотопроводимости соответствует спектрам
оптического
поглощения
полупроводника.
Примесному
поглощению
в
длинноволновой части спектра отвечает примесная фотопроводимость. По обе стороны
от максимума примесной фотопроводимость может быть равна нулю. Отсутствие
фотопроводимости в области больших длин волн отражает тот факт, что энергии
фотонов недостаточно для ионизации примесных атомов. Спад примесной фотопроводимости со стороны более коротких длин волн обусловлен резонансным
характером
оптического
поглощения.
Положение
границы
собственной
фотопроводимости соответствует границе собственного поглощения (λпор). Однако с
увеличением энергии фотонов спектральная кривая внутреннего фотоэффекта
проходит через максимум и спадает в области малых длин волн, несмотря на сильное
поглощение света. Этот спад объясняется тем, что при больших энергиях фотонов
поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где образуется основное
количество неравновесных носителей заряда. Скорость поверхностной рекомбинации
существенно больше, чем в объеме полупроводника. Поэтому возбужденные светом
носители заряда рекомбинируют у поверхности раньше, чем успевают проникнуть в
объем полупроводника. С уменьшением λ уменьшается глубина проникновения света и
усиливается роль поверхностной рекомбинации. Чем больше скорость поверхностной
рекомбинации, тем острее спектральный максимум собственной фотопроводимости.
Положение спектрального максимума собственной фотопроводимости определяется
11
шириной запрещенной зоны полупроводника. Для изготовления собственных
фоторезисторов используют халькогениды элементов II и IV групп. Среди них следует
выделить сульфид (CdS) и селенид (CdSe) кадмия (чувствительны к видимому
излучению), сульфид свинца (PbS) и твердые растворы Pb-Sn-Te, Hg-Cd-Te. Высокой
чувствительностью в ИК-области спектра обладают также узкозонные полупроводники
—арсенид (InAs) и антимонид (InSb) индия.
Лекция 5
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Полупроводники представляют собой достаточно многочисленный
класс материалов.
К группе элементарных полупроводников относятся кремний, германий, а также
ряд других элементов, которые приведены в таблице 1.
Таблица1. Элементарные полупроводники и значения ширины запрещенной
зоны(ΔW, эВ)
Элемент
ΔW
Элемент
ΔW
Бор Углерод
(алмаз)
Кремний
Германий
Олово (a-Sn)
Фосфор
1,1
5,6
1,12
0,665
0,08
1,5
Мышьяк
Сурьма
Сера
Селен Теллур
Йод
1.2 0,12
2,5
1,8 0,36
1,25
Вторую
группу
полупроводников
составляют
соединения
типа
II VI
IV IV
А B , A B , A B . Среди них наибольший научный и практический интерес
представляют бинарные соединения типа АIIIВV (GaAs, InP и др.)и AIIBVI (CuS, ZnSe и
др.), которые в настоящее время являются важнейшими материалами
полупроводниковой оптоэлектроники.
Для
изготовления
полупроводниковых
приборов
используют
как
монокристаллы, так и поликристаллические материалы. Монокристаллы представляют
собой более простые системы, с более совершенным строением, чем
поликристаллические материалы. Они наиболее глубоко изучены, физические явления
в них лучше поддаются расчетам, и они обеспечивают большую надежность и
идентичность параметров полупроводниковых приборов.
Кремний. Несмотря на то что в полупроводниковой технике кремний начали
применять позже, чем германий и некоторые другие полупроводниковые соединения, в
настоящее время как по объему производства, так и по номенклатуре приборов он
занял господствующее положение.
Исходным
сырьем
при
получении кремния
является
природная
двуокись (кремнезем), из которой кремний восстанавливают углеродсодержащим
материалом в электрических печах. Технический кремний содержит около 1%
примесей.
Выпуск монокристаллов кремния за его менее чем 40-летнюю историю вырос до
нескольких тыс. тонн в год и продолжает расширяться, в то время как производство
германия составляет десятки, а арсенида галлия — единицы тонн в год.
Широкое применение кремния стало возможным благодаря фундаментальным
свойствам этого элемента и его положению в самом центре таблицы Менделеева.
Элементы IV группы образуют однородные ковалентные направленные связи с
координационным числом, равным четырем.
1. Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, которая обусловила
достаточно низкую концентрацию собственных носителей и
высокую рабочую температуру.
III
VI
12
2. Большой диапазон реально достижимых удельных сопротивлений в пределах
от 10-3 Ом∙см (вырожденный) до 105 Ом∙см (близкий к собственному).
5. Оптимально высокая температура плавления (1412°С), следующая из
высокого значения модуля упругости и энергии связи.
6. Малая плотность (2,3 г/см3) и низкий ТКЛР 3-10-6 K-1.
7. Высокая теплопроводность (до 140 Вт/(К∙м), что близко к коэффициенту
теплопроводности железа).
Германий. Благоприятное сочетание физико-химических свойств германия —
невысокая температура плавления, инертность расплава по отношению к
контейнерным материалам — графиту и кварцу, восстановимость оксида водородом —
позволило сравнительно очень быстро впервые в истории техники освоить получение
высокочистых монокристаллов.
По мере расширения производства и применения полупроводниковых приборов
выяснилось, что из-за сравнительно малой ширины запрещенной зоны предельная
рабочая температура р/n-переходов в германии составляет лишь 343... 353 К (70 ... 80
°С). Но и при меньших температурах приборы оказались недостаточно стабильными
из-за высокого температурного коэффициента ширины запрещенной зоны, так что
устойчивая работа приборов гарантируется только при температурах, на 20 ... 30%
меньших верхнего предела. По этому признаку германий не смог конкурировать с
кремнием, работоспособным вплоть до 393...423 К (120... ...150°С). Собственное
удельное сопротивление германия слишком мало (60 Ом∙см), и он непригоден для
быстродействующих приборов. Главный же недостаток германия — неприменимость
планарной технологии из-за низкой температуры плавления 960 °С (а вследствие этого
и низкой скорости диффузии примесей) и отсутствия пассивирующего собственного
оксида.
Детекторы ядерных излучений изготавливают из пластин германия большой
площади (несколько см2), причем рабочая область толщиной до 1 см должна быть
обеднена носителями. Поэтому требуются монокристаллы с предельно низкой
концентрацией примесей (1010... 1011 см-3), меньшей, чем концентрация собственных
носителей. Такой германий, получаемый пока еще в небольших количествах по
специальной технологии, является наиболее чистым веществом, полученным
человеком.
Очень важным потребителем монокристаллов германия большого диаметра
стала ИК-оптика. Из них изготовляют линзовые объективы, необходимые для систем
тепловидения и дистанционного измерения температуры. Эти линзы, прозрачные для
ИК-излучения, фокусируют тепловое изображение на приемнике, причем
обеспечивается предельно высокое геометрическое разрешение, позволяющее
различать даже мелкие объекты с больших расстояний, например со спутника Земли.
Линзовые оптические системы—обязательная часть конструкций сканирующих
ИК-устройств обнаружения целей — кораблей, самолетов, ракет.
Германий находит применение и для изготовления самих фотоприемников этих
систем — фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов. Хотя и в этой области
преобладает кремний, а наиболее перспективным считается твердый раствор теллурида
кадмия — ртути — KPT, в некоторых случаях, в частности для диапазона длин волн
0,8... 1,8 мкм, имеют преимущества фотоприемники на германии, легированном
разными примесями (Ga, Сu, Ni, Аu).
Полупроводниковые соединения АIIIВV. Проведенные исследования показали, что
элементы III группы —Al, Ga, In-образуют с элементами V группы —Р, As, Sb —
достаточно стабильные соединения —фосфиды, арсениды и антимониды.
С освоением соединений АIIIВV появилась возможность выбора полупроводников
с различной шириной запрещенной зоны и уже одно это резко расширило области их
применения. Дальнейшее изучение полупроводниковых соединений выявило их
принципиальные особенности по сравнению с германием и кремнием, которые состоят
13
в следующем.
Высокая подвижность электронов, обусловливающая перспективность
некоторых широкозонных АIIIВV как материалов для СВЧ-техники. Быстродействие
приборов наиболее распространенных типов в конечном счете зависит от времени
пролета носителями межэлектродного промежутка. Это время обратно пропорционально подвижности, но полностью определяется не только ею, но и скоростью дрейфа
носителей Vдр. Поскольку V ДР    Е , важна и величина напряженности поля, при
которой эффективно может работать материал. Линейная зависимость Vдр от Е и
постоянство µ имеют место лишь в полях небольшой напряженности. При повышении
напряженности подвижность постепенно убывает (полевая зависимость подвижности),
а их дрейфовая скорость стремится к насыщению.
Однако наступает оно в разных материалах при неодинаковых значениях
напряженности. Так, для GaAs Vmax=2,2*107 см/с при E = 3,2 кВ/см, а для InP 2,5*107,
но при 10,5 кВ/см. Оказывается, что материал с меньшей подвижностью (InP) за счет
больших рабочих полей обеспечивает меньшее время пролета и, следовательно,
большее быстродействие, чем GaAs. Именно с фосфидом индия связаны надежды на
освоение диапазона частот вплоть до 100 ГГц, тогда как предельные частоты,
обеспечиваемые арсенидом галлия, 30...40 ГГц, кремнием — 1 ...3 ГГц (при этом
имеются в виду приборы, изготовленные по современной технологии с размерами
активных областей в доли микрометров).
Лекция 6
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К проводниковым материалам могут относиться как твердые, так и жидкие и
газообразные вещества. Наиболее важными твердыми проводниками являются металлы
и их сплавы.
Металлы подразделяются на металлы высокой проводимости, удельное
сопротивление которых ρ ≤ 0,05 мкОм м, и сплавы высокого сопротивления с
удельным сопротивлением ρ ≥ 0,3 мкОм м. Из первых изготавливают провода, обмотки
трансформаторов и электрических машин, жилы кабелей. Вторые применяются для
изготовления резисторов, электронагревательных приборов. Отдельно можно выделить
сверхпроводники и криопроводники.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты.
Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных
электронов, при этом не происходит переноса вещества. Такие проводники называются
проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода.
Электролитами, или проводниками второго рода, являются растворы кислот,
щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. В электролитах кроме
электронов могут перемещаться и ионы, это приводит к переносу вещества и оседанию
его на электродах.
Газы в нормальных условиях являются диэлектриками, но в сильных
электрических полях, когда происходит ударная ионизация, газы приходят в сильно
ионизованное состояние, такое состояние называется плазмой. В плазменном
состоянии газы являются хорошими проводниками.
Основными параметрами, определяющими свойства проводников, являются:
а)удельное сопротивление ρ и удельная проводимость γ;
б)температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ;
в)теплопроводность γТ;
г)контактная разность потенциалов и термо э.д.с.;
д)работа выхода электронов из металла.
е)предел прочности при растяжении σр;
ж)относительное удлинение при разрыве Δl/l.
14
Физическая природа электропроводности металлов. В основе классической
электронной теории металлов, развитой Друде и Лоренцом, лежит представление об
электронном газе, состоящем из свободных электронов. Электронному газу приписываются свойства идеального газа, то есть движение электронов подчиняется законам
классической статистики.
Удельная проводимость характеризует электрические свойства вещества и
определяется, исходя из характеристик электронного газа. Согласно классической
теории металлов удельная проводимость определяется как
е 2 n0
,

2mVT
где е – заряд электрона, n0 – число свободных электронов в единице объема, λ –
средняя длина свободного пробега электронов,
m – масса электрона, VT – средняя скорость теплового движения электронов.
Для чистых металлов с наиболее правильной кристаллической решеткой
значения удельного сопротивления минимальны. Наличие примесей и дефектов в
решетке приводит к увеличению удельного сопротивления, поскольку при их наличии
кристаллическая решетка искажается, что приводит к искажению электростатического
поля решетки и уменьшению длины свободного пробега электрона. Кроме того,
поскольку электрон имеет не только корпускулярную, но и волновую природу, то
происходит частичное рассеяние энергии электронных волн на дефектах решетки и
примесях.
Удельное сопротивление можно представить в виде суммы ρтепл.,
обусловленного тепловыми колебаниями решетки, и ρдеф., вызванное наличием
дефектов кристаллической решетки (правило Матиссена).
ρ = ρтепл.+ ρдеф.
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
МЕТАЛЛОВ
При температурах, превышающих температуру Дебая θ
удельное
сопротивление возрастает практически линейно и обусловлено в основном усилением
тепловых колебаний решетки. При этом уменьшается средняя длина свободного
пробега электронов, их подвижность, а следовательно и проводимость металлов. Как
показывает эксперимент, линейная аппроксимация температурной зависимости ρт (Т)
справедлива и до температур порядка (2/3)θ, где ошибка не превышает 10%.
Для большинства металлов характеристическая температура Дебая не превышает 400—
450 К, поэтому линейное приближение обычно справедливо при температурах от
комнатной и выше. В низкотемпературной области (Т << θ), где спад удельного сопротивления обусловлен постепенным исключением все новых и новых частот тепловых
колебаний
(фононов), теория предсказывает степенную зависимость ρт ~ Т5. В физике это
соотношение известно как закон Блоха — Грюнайзена.
При переходе металла из твердого состояния в жидкое, увеличивается объем
металла, уменьшается его плотность, а следовательно и концентрация носителей,
поэтому возрастает удельное сопротивление приблизительно в 1,5-2 раза. Для
металлов, уменьшающих при плавлении свой объем (галлий, висмут, сурьма) удельное
сопротивление уменьшается. Изменение удельного сопротивления металлического
проводника характеризуют температурным коэффициентом удельного сопротивления
ТКρ или αρ (К-1).
Температурный коэффициент удельного сопротивления представляет собой
относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на
один градус.
15
ТК    
1 d
.
 dT
Металлические проводники и сплавы применяют в электротехнике чаще всего в
виде проволоки различной формы и сечения. При деформации металла в холодном
состоянии наблюдается искажение кристаллической решетки, что приводит к
увеличению удельного сопротивления.
Это явление устраняют при помощи отжига, в ходе которого металл или сплав
сначала нагревается до высокой температуры, а затем медленно охлаждается. В
результате процесса рекристаллизации происходит восстановление искаженной
структуры и удельное сопротивление уменьшается.
Проводниковые материалы. Проводниковые материалы подразделяются на
металлы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления.
Материалы высокой проводимости – наиболее распространены серебро, медь,
алюминий.
Серебро – металл белого цвета, дефицитен, его содержание в земной коре
составляет 7 10-6% массы. Имеет минимальное удельное сопротивление, невысокие
механические характеристики (твердость 25, предел прочности при разрыве 200Мпа,
относительное удлинение при разрыве 50%). Имеет пониженную химическую
стойкость и способность диффундировать в материал подложки. Применяется в
радиотехнике для изготовления высокочастотных кабелей, для защиты медных
проводов от окисления, для изготовления электродов конденсаторов, контактов
радиодеталей.
Медь – металл красноватого цвета, дефицитен, его содержание в земной коре
составляет 4,7 10-3% массы. Используется в качестве проводникового материала, так
как обладает рядом ценных технических свойств: малое удельное
высокая
механическая прочность, удовлетворительная стойкость к коррозии, легкость
обработки, легкость спайки и сварки.
Медь выпускается нескольких марок: М1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1б,
М1к, М1ф, М1р. Здесь к, ку – катодная медь, б – бескислородная, у – катодная
переплавленная, р,ф – раскисленная. Цифры 00, 0, 1 указывают содержание меди.
Максимальное содержание меди имеют марки 00к и 00б. Марки М1ф, М1р не
используются для изготовления проводов в связи с большим содержанием фосфора.
Алюминий – металл, наиболее распространенный в природе (7,5%). Алюминий,
обладая большим сродством к воздуху, легко окисляется, покрываясь защитной
пленкой, которая предохраняет его от дальнейшего окисления и обусловливает
высокую коррозийную стойкость.
Марка алюминия начинается с буквы А, затем идет цифра, определяющая
процентное содержание алюминия, например А97 содержит 99,97% алюминия.
Остальное – контролируемые примеси.
Проводниковый алюминий (А5Е, А7Е) используется для изготовления
токопроводящих жил обмоточных и установочных проводов,
кабелей, неизолированных линий электропередач.
Лекция 7
РЕЗИСТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. РЕЗИСТОРЫ.
Сплавы высокого сопротивления имеют сопротивление не менее 0,3 мкОм·м и
широко применяются для изготовления различных электроизмерительных и
электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов. Для этого
применяют сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления
во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления.
Манганин – медно-никелевый сплав, содержащий 2,3-3,5% никеля (с кобальтом),
11,5-13,5% марганца и 80-89,5% меди. Легирование марганцем позволяет
16
стабилизировать удельное сопротивление в интервале температур от –100 до 100оС.
Имеет малую термо-э.д.с.
Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в иных
соотношениях: 39-41% никеля, 1-2% марганца, 56,1-59,1% меди. Удельное
сопротивление практически не зависит от температуры (ТКρ = 2 10-6К-1). По
нагревостойкости превышает манганин, что позволяет использовать его в реостатах и
нагревательных элементах, работающих при температурах до 500 оС. Имеет высокие
механические характеристики, что позволяет изготовлять из него тончайшую
проволоку. Обладает высокой термо-э.д.с. в паре с медью и железом, поэтому не
используется в высокоточных измерительных приборах, но применяется для
изготовления термопар.
Нихромы - сплавы на основе железа, содержащие в зависимости от марки 1525% хрома, 55-78% никеля, 1,5% марганца. Обладают хорошей стойкостью при
высоких температурах в воздушной среде, благодаря чему используются в
электронагревательных приборах.
Основные сведения о резисторах. Резистором называют элемент электронной
аппаратуры, обладающий свойством активного электрического сопротивления. В
зависимости от применяемых материалов, резисторы могут быть линейными
(зависимость падения напряжения от тока представляет собой линейную функцию, что
говорит о постоянстве сопротивления) и нелинейными, у которых сопротивление
изменяется под воздействием тока или напряжения. Линейные резисторы могут быть
постоянными или переменными. Сопротивление постоянного резистора задано при его
изготовлении, тогда как в переменных резисторах имеется возможность регулирования
сопротивления механически (с помощью третьего подвижного контакта) или
бесконтактным способом, с помощью цифрового управления. Постоянные резисторы
выпускаются проволочными, пленочными и объемными.
Основные
параметры
постоянных
резисторов,
гарантируемые
производителем:
• Номинальное сопротивление. Это то сопротивление, которое указано на
корпусе резистора. Значение номинального сопротивления гарантируется с заданным
допуском во всем рабочем диапазоне
температур (обычно от –55 до +70 °С).
• Допустимое отклонение сопротивления резистора. Это те пределы
отклонения сопротивления резистора от его номинального значения (в процентах), за
которые не должен выходить дрейф сопротивления в заявленных условиях
эксплуатации и в течение гарантированного срока службы. Значению допуска всегда
предшествует знак ±, т.к. реальное значение сопротивления может оказаться выше или
ниже номинального.
• Номинальная рассеиваемая мощность. Это та мощность, которую может
рассеять резистор в спокойной воздушной среде при нормальном атмосферном
давлении при непрерывной электрической нагрузке без превышения объявленного
допуска на значение сопротивления.
• Температурный коэффициент сопротивления (ТКС или αR). Этот коэффициент
характеризует чувствительность сопротивления резистора к изменениям температуры.
ТКС выражают в относительных единицах.
Наряду с рассмотренными параметрами, для резисторов также нормируются:
максимальное напряжение на зажимах резистора (В), напряжение шумов (мкВ/В),
минимальная наработка на отказ (ч), срок сохраняемости (ч), максимальная
импульсная мощность (Вт).
Маркировка резисторов. Все мощные, прецизионные и большинство резисторов
отечественного производства имеют маркировку, из которой напрямую читаются тип,
номинальные мощность и сопротивление, а также допустимое отклонение.
Например, проволочный постоянный резистор типа С5-5 мощностью 8 Вт,
17
имеющий сопротивление 68 Ом и допускаемое отклонение от номинального
сопротивления ±1% имеет на своем корпусе следующую надпись: С5-5 – 8 – 68 Ом
±1%. Как следует из приведенного полного обозначения, размерность номинальной
мощности в нем не указана, т.к. мощность принято всегда выражать в ваттах. Это также
относится к маломощным резисторам, например: МЛТ – 0,25 – 10 кОм ±10% (резистор
типа МЛТ мощностью 0,25 Вт).
Лекция 8
СВЕРХПРОВОДНИКИ
Явление сверхпроводимости было открыто в начале прошлого века. При
проведении опытов по сжижению гелия обнаружили (нидерландский химик
Камерлинг-Оннес ), что при охлаждении до температуры жидкого гелия (примерно
4,2К) сопротивление замороженной ртути скачком падает до практически бесконечно
малого.
Наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости назвали
сверхпроводимостью, температура ТС, при которой вещество переходит в
сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода.
Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток (например,
с помощью магнитного поля), то он не будет затухать в течение длительного времени.
По скорости уменьшения магнитного поля
наведенного тока в кольце была произведена оценка удельного сопротивления
материалов в сверхпроводящем состоянии. Его значение составило около 10-26 Ом-м,
что в 1017 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре.
Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью
квантовых
представлений.
Микроскопическая
теория
сверхпроводимости,
объясняющая все опытные данные, была предложена в 1957 г. американскими учеными
Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ).
Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы
советского академика Н. Н. Боголюбова.
Явление сверхпроводимости металлов можно объяснить следующим образом.
При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия
электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным
притягивание одноименно заряженных частиц – электронов и образование так
называемых куперовских пар. Куперовские пары в состоянии сверхпроводимости
обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергетическими импульсами
между ними и решеткой не происходит.
Таким образом, сопротивление металла становится практически равным нулю. С
увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и
переходит в одиночное состояние, характерное
для обычных металлов.
При достижении критической температуры ТС, все куперовские пары
распадаются, и сверхпроводимость исчезает. Сверхпроводимость нарушается не только
при повышении температуры до значений ТС, но и при возникновении на поверхности
полупроводника магнитного поля, если его магнитная индукция (или напряженность)
превышает индукцию перехода ВС.
Сверхпроводниковые материалы подразделяют на сверхпроводники первого,
второго.
Для сверхпроводников первого рода характерно скачкообразное изменение
удельной проводимости и определенная температура перехода в сверхпроводящее
состояние, которое может разрушиться при малых критических температурах. У таких
материалов наблюдается эффект Мейснера – Оксенфельда, заключающийся в том, что
при переходе вещества в сверхпроводящее состояние, магнитное поле выталкивается из
него, то есть он становится идеальным диамагнетиком.
18
Сверхпроводники второго рода отличаются тем, что переход в сверхпроводящее
состояние у них происходит не скачком, а постепенно. Для них характерны два
значения магнитной индукции для температуры ТС < T0 .
Если магнитная индукция во внешнем поле начинает превосходить значение
нижней критической индукции, то происходит частичное проникновение магнитного
поля во всю толщу сверхпроводящего образца.
При этом электроны под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике
начинают двигаться по окружностям, образуя так называемые вихри. Внутри вихря
скорость вращения возрастает по мере приближения к оси, пока не достигнет
критического значения и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере
увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает, а расстояние
между ними уменьшается. Когда оно станет соизмеримым с размером куперовской
пары, практически весь объем перейдет в нормальное состояние и магнитное поле
полностью проникнет в образец.
В 1986 году были обнаружены вещества, у которых переход в сверхпроводящее
состояние наблюдался при температуре –173оС и выше.
Такие вещества назвали высокотемпературными сверхпроводниками. В
основном это керамика с характерным расположением атомов.
Лекция 9
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА
Магнитными веществами или магнетиками называют вещества, обладающие
магнитными свойствами. Под магнитными свойствами понимается способность
вещества приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на
него магнитного поля.
Основной
количественной характеристикой магнитного поля является
магнитная индукция, которая определяет силу, действующую в данной точке поля в
вакууме на движущийся электрический заряд и на тела, имеющие магнитный момент.

Магнитная индукция обозначается В и измеряется в теслах. В системе СГСМ – в
Гауссах: 1Тл = 104 Гс.
В воздухе индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением
H  B0  0 и направление их совпадает. В некоторых средах направления линий
магнитной индукции и напряженность поля могут не совпадать. Дело в том, что среда
характеризуется обычно магнитной восприимчивостью   J Н - способностью
вещества под воздействием внешнего магнитного поля создавать определенную
намагниченность J . Намагниченность любого вещества J в магнитном поле можно
определить как отношение суммарного магнитного момента M материала к
единичному объему V : J  M V . Намагниченность зависит от намагничивающего
поля H, в каждой точке поля вектор намагниченности совпадает с вектором
напряженности поля и величины их связаны соотношением J    H , А/м.
J является количественной характеристикой намагниченного
Намагниченность
состояния вещества.
Для оценки зависимости магнитной индукции от напряженности поля
материалов чаще пользуются понятием относительной магнитной проницаемости
  1   . Связь между векторами B и H в этом случае выражается как
B     0  H . Произведение    0 есть абсолютная
магнитная проницаемость  а .
Связь намагниченности,
определяется выражением
магнитной
индукции
и
напряженности
поля
19
В  0   Н  J  ,
где μ0 – магнитная постоянная вакуума, численно равная 4π∙10-7 Гн/м.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ПО МАГНИТНЫМ СВОЙСТВАМ
Все вещества в природе являются магнитными, т.е. они взаимодействуют с
внешним магнитным полем и обладают определенными магнитными свойствами.
По силе взаимодействия с магнитным полем все вещества можно разделить на
слабомагнитные
(диамагнетики
и
парамагнетики)
и
сильномагнитные
(ферромагнетики, ферримагнетики и антиферромагнетики).
Диамагнетики - вещества, молекулы которых не имеют собственного
магнитного поля, намагничиваются так, что внутри них наводящееся магнитное поле
будет направлено навстречу внешнего полю, и эти вещества выталкиваются из
магнитного поля.
В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в
данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный
магнитный момент атома равен нулю. Для диамагнетиков
 = -(10-5 - 10-7),  ‹ 1
 - слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам,
однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.
Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью,
щелочногалоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения
А3В5, А2В6, кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь (   0,9999897 ),
серебро, золото (   0,999961 ), цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и
другие.
В технике диамагнитный эффект ввиду его малости используется
сравнительно редко.
Парамагнетики - вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и
отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равен
нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных
моментов в направлении поля появляется намагниченность (полной ориентации
препятствует тепловое движение атомов).
При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных
моментов
вследствие
теплового
движения
нарушается
и
парамагнетик
-6
-3
размагничивается. При комнатной температуре  =10 - 10 .
Для большинства парамагнетиков  зависит от температуры, уменьшаясь с ее ростом
(закон Кюри).
Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые
переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов,
кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO, ферромагнетики при температуре
выше точки Кюри и другие.
Ферромагнетики - вещества, в которых (ниже температуры Кюри) наблюдается
магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в
макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля,
магнитная восприимчивость  ферромагнетиков достигает больших положительных
значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока
их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах
выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как
парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у
него изменяется теплоемкость, электропроводность и некоторые другие физические
характеристики.
Примеры
ферромагнетиков:
из
чистых
химических
элементов
20
ферромагнитными свойствами обладают элементы группы 3d-металлы (железо Fe,
никель Ni, кобальт Co, их соединения и сплавы) и группы 4f-металлы (гадолиний Gd,
диспрозий Dy, тербий Tb, гольмий Ho, эрбий Er, тулий Tu ), некоторые сплавы
марганца, серебра, алюминия и др. Сплавы RCo5, где R редкоземельный элемент (Sm,
Ce или Pr).
Антиферромагнетики - характеризуются антиферромагнитным атомным
порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или
ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков  =10-3-10-5 сильно зависит
от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при
температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри)
и
антиферомагнетик переходит в парамагнитное состояние.
Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий и
другие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов,
галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl2, FeF2, CuCl2, MnO, FeO, NiO.
Ферримагнетики - вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом.
Как и антиферромагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля. Выше
этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние.
К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и
различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют
ферриты MеO*Fe2O3, BaO*6Fe2O3, (NiO*ZnO)Fe2O3, Li2O*Fe2O3 и другие.
Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным материалам, остальные
группы к слабомагнитным веществам.
Аморфные магнитные материалы. Магнитный порядок наблюдается и в
некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет место
обменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами.
Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или нескольких
переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем - бором,
углеродом, кремнием или фосфором.
Лекция 10
КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные.
К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики.
К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть
магнитомягкими и магнитотвердыми. Формально отличие магнитных свойств
материалов можно охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью.
Диамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых не обладают
результирующим магнитным моментом. Внешне диамагнетики проявляют себя тем,
что выталкиваются из магнитного поля. К ним относят цинк, медь, золото, ртуть и
другие материалы.
Парамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых обладают
результирующим магнитным моментом, не зависящим от внешнего магнитного поля.
Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное
магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы.
Ферромагнетиками называют материалы, в которых собственное (внутреннее)
магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее
магнитное поле. Любое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области
самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного
поля, направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и
результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.
1. Процесс обратимого смещения магнитных доменов. В данном случае
происходит смещение границ доменов, ориентированных наиболее близко к
21
направлению внешнего поля. При снятии поля домены смещаются в обратном
направлении. Область обратимого смещения доменов расположена начальном участке
кривой намагничивания.
2. Процесс необратимого смещения магнитных доменов. В данном случае
смещение границ между магнитными доменами не снимается при снижении
магнитного поля. Исходные положения доменов могут быть достигнуты в процессе
перемагничивания.
Необратимое смещение границ доменов приводит к появлению
магнитного гистерезиса – отставанию магнитной индукции от напряженности поля .
3. Процессы вращения доменов. В данном случае завершение процессов
смещения границ доменов приводит к техническому насыщению материала. В области
насыщения все домены поворачиваются по направлению поля. Петля гистерезиса,
достигающая области насыщения называется предельной.
Предельная петля гистерезиса имеет следующие характеристики: Bmax –
индукция насыщения; Br – остаточная индукция; Hc - задерживающая (коэрцитивная)
сила.
Материалы с малыми значениями Hc (узкой петлей гистерезиса) и большой
магнитной проницаемостью называются магнитомягкими.
Материалы с большими значениями Hc (широкой петлей гистерезиса) и низкой
магнитной проницаемостью называются магнитотвердыми.
При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда
наблюдаются тепловые потери энергии, то есть материал нагревается. Эти потери
обусловлены потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи.
Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на
вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше
сопротивление – тем меньше потери на вихревые токи.
Магнитомягкие и магнитотвердые материалы
К магнитомягким материалам относят:
1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).
2. Электротехнические кремнистые стали.
3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.
4. Магнитомягкие ферриты.
Магнитные свойства низкоуглеродистой стали (технически чистого железа)
зависят от содержания примесей, искажения кристаллической решетки из-за
деформации, величины зерна и термической обработки. По причине низкого удельного
сопротивления технически чистое железо в электротехнике используется довольно
редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.
Электротехническая кремнистая сталь является основным магнитным материалом
массового потребления. Это сплав железа с кремнием.
Легирование кремнием позволяет уменьшить коэрцитивную силу и увеличить удельное
сопротивление, то есть снизить потери на вихревые токи.
Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах или
рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах - являются
полуфабрикатами,
предназначенными
для
изготовления
магнитопроводов
(сердечников). Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых
штамповкой или резкой, либо навивкой из лент.
Железоникелевые сплавы называют пермаллоями. Они обладают большой
начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей. Пермаллои
применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и
реле.
Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным
сопротивлением, в 1010 раз превышающим сопротивление железа. Ферриты
22
применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость
практически не снижается с увеличением частоты.
Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая
механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной
электронике.
Лекция 11
МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К магнитотвердым материалам относят:
1. Литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al.
2. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые путем прессования
порошков с последующей термообработкой.
3. Магнитотвердые ферриты. Магнитотвердые материалы – это материалы для
постоянных
магнитов,
использующихся
в
электродвигателях
и
других
электротехнических устройствах, в которых требуется постоянное магнитное поле.
Качество магнитотвердых материалов характеризуют также значения
остаточной магнитной индукции Br, максимальной магнитной энергии, отдаваемой
материалом в пространство Wm и коэффициента выпуклости. Материалы также
должны иметь высокую временную и температурную стабильность перечисленных
параметров и удовлетворительные прочность и пластичность. В различных
магнитотвердых материалах природа высоких значений коэрцитивной силы
определяется одним из трех механизмов задержки процессов перемагничивания в
ферромагнетиках: необратимым вращением намагниченности магнитных доменов,
задержкой образования и (или) роста зародышей перемагничивания и закреплением
доменных стенок на различных неоднородностях и структурных несовершенствах
кристалла.
Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов.
Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной
аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике, в
устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для телевизоров,
микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике,
СВЧ-приборах и т.д. Их используют в электрических машинах малой мощности, для
записи и хранения цифровой, звуковой и видеоинформации и др.
Преимущества постоянных магнитов по сравнению с электромагнитами
постоянного тока - повышенная работоспособность; экономия материалов и
потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения.
Важнейшее требование к постоянному магниту — получение максимальной
магнитной энергии в рабочем зазоре, поэтому удельная магнитная энергия Wm
(энергия, отнесенная к единице объема магнита) — одна из важнейших характеристик
магнитотвердых материалов. Она пропорциональна произведению:
Wm = (B.H)max/2,
где B и H — максимальные значения остаточной индукции внутри магнита и
размагничивающей напряженности, соответственно.
Лекция 12
МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
К магнитным материалам специального назначения относят магнитные
материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, СВЧ ферриты, магнитострикционные
материалы.
Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) находят
23
широкое применение в устройствах автоматики, аппаратуре связи. Сердечники из
материала с ППГ имеют два устойчивых магнитных состояния, которые соответствуют
различным направлениям магнитной индукции. Это свойство используется для
хранения и переработки двоичной информации.
Материалы с ППГ характеризуются коэффициентом прямоугольности k пу петли
гистерезиса.
kпу = Br/Bmax .
Большим значением kпу обладают железоникелевые и железокобальтовые
сплавы, легированные медью и некоторыми другими металлами. Эти сплавы обладают
кристаллографической или магнитной текстурой. Наиболее высокую прямоугольность
(до 0,98) имеют железоникелькобальтовые сердечники из лент микронной толщины.
Более широко распространены ферриты с ППГ, сердечники из которых более
технологичны и дешевле. Прямоугольность петли гистерезиса достигается выбором
определенного химического состава и условиями спекания феррита.
Для сердечников с ППГ чаще применяются магний-марганцевые и литиевые ферриты.
Ферромагниты для устройств СВЧ используются в диапазоне длин волн от 1м до
1 мм. Электромагнитная энергия на таких частотах передается по волноводам,
коаксиальным и полосковым линиям передачи. Ферритовый
сердечник - вкладыш, помещенный внутрь волновода, изменяет структуру
поля и скорость распространения волны.
На этих частотах в ферритах используется магнитооптический эффект Фарадея,
эффект ферромагнитного резонанса и зависимость магнитной проницаемости от
величины внешнего поля.
Магнитооптический эффект Фарадея заключается в повороте плоскости
поляризации высокочастотных колебаний в феррите за счет внешнего поля. Это
позволяет изменять угол поворота плоскости поляризации и направлять энергию в
разные каналы.
Ферромагнитный резонанс наблюдается при совпадении частоты внешнего поля
с собственно частотой прецессии электронов, которой можно управлять с помощью
постоянного подмагничивающего поля. При резонансе, волна распространяющаяся в
прямом направлении, проходит без затухания, а в обратном - с затуханием. В
результате получается высокочастотный вентиль. Это явление используется в антенных
переключателях, в фазовращателях, модуляторах и т.д.
Для каждого диапазона длин волн используется определенная разновидность
феррита. Например, для диапазона длин волн 0,8 - 2 см используются некоторые
никель-цинковые ферриты, для диапазона 5 см и более используют ферриты с
добавками хрома (феррохроматы) или алюминия (ферроалюмиты); феррогранат
используется в диапазоне волн несколько десятков сантиметров.
Ферриты СВЧ маркируются буквами СЧ, впереди которых стоит цифра,
указывающая длину волны в см. Цифра после букв СЧ указывает различие по
свойствам.
В магнитострикционных материалах используется явление магнитострикции и
магнитоупругий эффект - изменение магнитных свойств материала под влиянием
механических воздействий. К магнитострикционным материалам относится никель,
пермендюр (сплавы FeCo), альферы (сплавы FeAl), никелевый и никель-кобальтовые
ферриты и др. Магнитострикционные ферриты имеют малые потери на вихревые токи
по сравнению с никелем и металлическими сплавами, не подвержены действию
химических агрессивных сред.
С помощью керамической технологии можно изготовить преобразователи
любых форм и размеров. Магнитострикционные материалы применяются для
изготовления
сердечников
электромеханических
преобразователей
для
электроакустической и ультразвуковой технике, сердечника электромеханических и
магнитострикционных фильтров, резонаторов и линий задержек.
24
Лекция 13
КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для
использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями, как,
например, резисторы и конденсаторы. Они изготовляются на сборочных заводах и
имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий.
Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндрическую или спиральную
форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер
намотки зависит от назначения катушки индуктивности. Так, для уменьшения
межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или
применяют специальные способы намотки, когда витки укладываются не параллельно,
а под некоторым углом друг к другу (универсальная намотка).
Для увеличения значений индуктивности и повышения их добротности широко
применяют магнитопроводы с постоянными или регулируемыми параметрами.
Наиболее
распространенные
формы
магнитопроводов—броневая
и
тороидальная Регулирование параметров магнитопровода осуществляют с помощью
подвижного сердечника, который выполняют из ферромагнитного материала.
При его перемещении меняются параметры магнитопровода и индуктивность
катушки. В ряде случаев для подстройки катушек индуктивности внутрь их вводят
только один подстроечный сердечник из ферромагнетика или диамагнетика.
Диамагнетики (латунь, медь) используют только на высоких частотах (десятки—сотни
МГц). В отличие от ферромагнетика при их введении индуктивность катушки
уменьшается.
В катушках индуктивности, работающих на низких частотах (до 1 кГц), в
качестве магнитопроводов обычно используют пермаллои (железо-никелевые сплавы).
При этом магнитопровод, как правило, тороидальный, собранный из тонких колец (h =
0,002 — 0,1 мм) или навитый из ленты тех же толщин. На более высоких частотах (до
нескольких МГц) широко применяют ферриты, причем их марка зависит от диапазона
рабочих частот. На частотах свыше нескольких МГц используют катушки
индуктивности, имеющие только подстроечные сердечники или вообще не имеющие
их.
При ориентировочных расчетах можно использовать приближенные формулы.
Для однослойной цилиндрической катушки, намотанной виток к витку или с шагом,
индуктивность (мкГн)
0,001dW 2
L
,
l / d  0,44
где d, l—диаметр и длина катушки, мм; W—число витков.
Важнейшим параметром катушки индуктивности является добротность, которая
равна отношению мнимой части Х ее полного сопротивления к действительной части
R: Q=X/R.
Значение добротности зависит от частоты. Если ферромагнитный
  0 ), а емкость С достаточно мала, то
магнитопровод отсутствует ( Rпот  ; Rпот
добротность зависит от соотношения между индуктивностью L и активным сопротивлением провода rпр и увеличивается при повышении частоты.
Однако на частотах порядка нескольких МГц из-за проявлений поверхностного
эффекта активное сопротивление провода увеличивается и добротность снижается.
Для снижения rпр обмотки катушек стремятся наматывать достаточно толстым
проводом (излишне большой диаметр может привести даже к увеличению rпр на
25
высоких частотах из-за проявления эффекта близости), применять специальный многожильный провод (литцендрат). Магнитопроводы и сердечники выбирают с малыми
потерями на вихревые токи и гистерезис.
Одна из разновидностей катушек индуктивности носит название дросселей. Их
основное назначение—обеспечить большое сопротивление для переменных токов и
малое для постоянных или низкочастотных токов.
Различают дроссели низкой и высокой частот. Дроссели низкой частоты
используются в выпрямительных устройствах для создания фильтров, сглаживающих
пульсации.
Их применяют тогда, когда источник питания должен отдавать большой ток
(амперы—сотни ампер) и требуется получить малые пульсации постоянного
напряжения. Дроссель низкой частоты наматывается аналогично силовым
трансформаторам с использованием тех же магнитопроводов.
Основные параметры катушки индуктивности (ГОСТ 20718—75)
1. Номинальная индуктивность катушки (значение индуктивности, являющееся
исходным для отсчета отклонений).
2. Допускаемое отклонение индуктивности катушки (разность между
предельным и номинальным значениями индуктивности).
3. Номинальная добротность катушки индуктивности (значение добротности
при номинальном значении индуктивности).
4. Эффективная индуктивность (значение индуктивности, определенное с
учетом влияния собственной емкости, собственной индуктивности и изменения
начальной проницаемости сердечника).
5. Начальная индуктивность (значение индуктивности, определенное на низкой
частоте, где отсутствует влияние собственной емкости).
6. Температурный коэффициент индуктивности катушки (TKL)—отношение
относительного изменения индуктивности L/L к интервалу температур, вызвавшему
L
это изменение: TKL 
LT
7. Температурная нестабильность индуктивности катушки (относительное
изменение индуктивности, вызванное изменением температуры).
8.
Температурный
коэффициент
добротности
(ТКД)—отношение
относительного изменения добротности Q/Q к интервалу температур, вызвавшему это
Д
изменение: TKД 
ДT
9. Собственная емкость катушки индуктивности (электрическая емкость)
составляющая с ее индуктивностью резонансный контур, измеренная на частоте
собственного резонанса.
10.Рабочий диапазон температур (максимальная и минимальная температуры).
Для дросселей, используемых в цепях питания, важны: 1) ток подмагничивания
Io, 2)индуктивность L, 3) сопротивление обмотки дросселя постоянному току.
Лекция 14
ДИЭЛЕКТРИКИ
Диэлектрики- вещества, основным электрическим свойством которых является
способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых
диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или
ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. Происходит разделение
центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация.
Для диэлектрика характерным является весьма большое сопротивление
прохождению постоянного тока. Удельное сопротивление диэлектриков составляет 107
– 1016 Ом∙м.
26
Диэлектрическими материалами
называют класс электротехнических
материалов, предназначенных для использования их в качестве электрической
изоляции.
Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы,
предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в
электротехнических и радиоэлектронных устройствах.
В электротехнике диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных
материалов и для изготовления конденсаторов.
Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. Основным,
характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на
него электрического напряжения, является поляризация, то есть ограниченное
смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
Поляризация диэлектриков может происходить мгновенно, без рассеяния
энергии, либо замедленно с рассеянием энергии. Мгновенную поляризацию называют
упругой (нерелаксационной), это электронная и ионная поляризации. Упругая
поляризация происходит за время много меньшее, чем полупериод приложенного
напряжения, порядка 10-15 – 10-14 с. Неупругая (релаксационная) поляризация
завершается за время, соизмеримое с полупериодом приложенного напряжения.
Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется электрическим
моментом единицы объема Р [Кл/м2], которая связана с диэлектрической
проницаемостью соотношением:
Р = 0( - 1) Е.
ПРИРОДА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ.
Процессы
поляризации, длящиеся некоторое время, вызывают
поляризационные токи или токи смещения. При ионной и электронной поляризации
они очень кратковременны. У большинства технических диэлектриков поляризация
замедленна, при этом возникают абсорбционные токи.
Наличие небольшого числа свободных электронов в диэлектрике приводит к
возникновению слабых сквозных токов или токов утечки.
Плотность тока в диэлектрике представляет собой сумму токов смещения и
утечки
 

j  jск  jаб э
Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по
сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на
электродах.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
При повышении напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике
может достигнуть некоторого критического значения, выше которого диэлектрик
теряет свои электроизолирующие свойства.
При этом сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до 10 8
2
А/м . Если напряжение, приложенное к диэлектрику, достигло значения Uпр, то
сквозной ток резко увеличивается даже при уменьшении напряжения на электродах,
поскольку в диэлектрике происходят необратимые процессы, резко уменьшающие его
электрическое сопротивление. Сопротивление уменьшается до такого значения, что
происходит короткое замыкание электродов.
Это явление называют пробоем диэлектрика. Значение напряжения в момент
пробоя называют пробивным напряжением, напряженность электрического поля, при
которой происходит пробой – электрической прочностью.
Если пробой электрической изоляции происходит в однородном электрическом
поле, то электрическая прочность определяется выражением:
Eпр = Uпр/h,
где h – расстояние между электродами, Uпр – пробивное напряжение, Епр –
27
электрическая прочность.
На практике напряжение, как правило, выражают в киловольтах, толщину
диэлектрика в мм, электрическую прочность в кВ/мм. Тогда справедливы соотношения:
106 В/м = 1 МВ/м = 1кВ/мм.
Лекция 15
АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято
называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних
условий - температуры, давления, напряженности поля
и так далее. Такие диэлектрики могут служить рабочими телами в разнообразных
датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах.
К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики,
электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др.
Сегнетоэлектрики.
Сегнетоэлектриками
называют
материалы,
обладающие
спонтанной
поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего
электрического поля.
В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило,
имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области,
обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у ферромагнетиков также
имеются домены - области спонтанного намагничивания, поэтому поведение
сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в
магнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками и
ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется
вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в
магнитное поле меняется индукция B = H+I.
Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем, что в том
случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованы в одном и
том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическое поле.
Наличие электрического поля повышает энергию системы и для снижения энергии
кристалл самопроизвольно разбивается на домены.
Поскольку ниже температуры Кюри симметрия кристаллической решетки
уменьшается, то число направлений, вдоль которых выгодна спонтанная поляризация
соседних кристаллических решеток, сравнительно мало. Такими направлениями будут
направления типа 111. Соответственно соседние домены могут быть
разориентированы на 180 или на 90 градусов.
Поскольку
суммарные
электрические
моменты
соседних
доменов
антипараллельны или перпендикулярны, то в целом кристалл сегнетоэлектрика не
обладает электрическим моментом.
Важно отметить, что на границах доменов происходит постепенный поворот
дипольных моментов из одного направления в другое, аналогично тому, как
происходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно сходство
сегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в
сегнетоэлектриках взаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так
же, как и ферромагнетиках.
Пьезоэлектрики.
В 1880 году братьями П. и Ж. Кюри был открыт прямой
пьезоэффект – возникновение электростатических зарядов на пластинке, вырезанной из
кристалла кварца, под действием механических напряжений. Эти заряды
пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают
после снятия напряжений.
28
Наряду с прямым пьезоэффектом, наблюдается и обратный пьезоэффект, когда
под действием электрического поля возникает механическая деформация кристалла,
причем величина механической деформации прямо пропорциональна напряженности
электрического поля.
Пьезоэлектрический эффект наблюдается только тогда, когда кристаллическая
решетка несимметрична. Отсутствие центра симметрии кристаллической решетки
является необходимым, но недостаточным условием появления пьезоэлектрического
эффекта.
В настоящее время известно большое количество веществ, обладающих
пьезоэлектрическими свойствами, в том числе – все сегнетоэлектрики. Однако не все
пьезоэлектрические материала нашли техническое применение.
Одним из наиболее известных пьезоэлектриков является монокристаллический
кварц – безводный диоксид кремния, кристаллизующийся в тригональнотрапецоэдрическом классе гексагональной сингонии. Крупные природные прозрачные
кристаллы кварца получили название горного хрусталя. В кристаллах кварца принято
различать три главные оси: Х – ось, проходящую через вершины шестиугольника
поперечного сечения (таких осей 3); Y - ось, перпендикулярную осям шестиугольника
поперечного сечения (таких осей также три); Z – ось, проходящую через вершины
кристалла.
Помимо кварца, в качестве материалов для пьезоэлектрических элементов
широко используют ниобат и танталат лития. По своей природе данные материалы
являются сегнетоэлектриками. Для придания им пьезоэлектрических свойств
производят отжиг в сильном электрическом поле, что проводит к созданию
монодоменного состояния.
Аналогичным образом можно перевести в пьезоэлектрическое состояния
сегнетокерамику. Поляризованную сегнетокерамику называют пьезокерамикой.
Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее
можно изготовить активный элемент любой формы и размера. В качестве материала
для пьезокерамики используют твердые растворы на основе титаната бария, титанатацирконата свинца, метаниобата свинца.
Материалы на основе титаната бария. Наиболее дешевым материалом
является пьезокерамика ТБ-1 (BaTiO3). Отсутствие в составе летучих при обжиге
компонентов и простота технологии изготовления обусловливают его широкое
распространение. Большей температурной стабильностью характеристик обладают
твердые растворы титанатов бария и кальция с добавкой кобальта (ТБК-3) и титанатов
бария кальция и свинца (ТБКС).
Материалы на основе твердых растворов титаната – цирконата свинца. На
основе этих твердых растворов разработана серия пьезоэлектрических материалов,
носящих условное название ЦТС (за рубежом PZT). Состав этих материалов
базируется на твердом растворе, содержащем 53-54% цирконата свинца и 46-47%
титаната свинца. Для улучшения характеристик в основной раствор вводятся добавки
титаната стронция, а также ряд оксидов – оксиды ниобия, тантала, лантана, неодима и
др.
Температура Кюри этих материалов превышает 250 С, и у них отсутствуют
низкотемпературные фазовые переходы, что приводит к большой стабильности
диэлектрической проницаемости и пьезомодуля по сравнению с характеристиками
керамики на основе титаната свинца. Технология получения изделий из ЦТС
усложнена тем, что в состав ЦТС входит летучий оксид свинца, который улетучивается
при обжиге. Это обстоятельство приводит к плохой воспроизводимости свойств,
поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов производят в атмосфере паров оксида свинца.
Материалы на основе метаниобата свинца. Твердые растворы метаниобатов
свинца и бария ((Pb,Ba)Nb2O3), содержащие 40-50% метаниобата бария, имеют
29
высокую температуру точки Кюри (свыше 250 С); у них также отсутствуют
низкотемпературные фазовые переходы. Технология изготовления изделий из них
проще, поэтому материалы марок НБС получили широкое распространение.
Лекция 16
ПОЛИМЕРЫ
Полимеры – это высокомолекулярные соединения, то есть вещества, состоящие из
больших молекул, содержащих иногда многие тысячи атомов. Молекулярная масса
таких веществ может доходить до миллиона, а геометрические размеры молекул
настолько велики, что растворы этих веществ, если они вообще способны растворяться,
приближаются по свойствам к коллоидным системам.
Полимеры получают из мономеров, веществ, каждая молекула которых способна
образовывать одно или несколько составных звеньев. Полимеры характеризуются
степенью полимеризации, то есть числом элементарных звеньев в молекуле.
Полимеры подразделяются на линейные и пространственные. В линейных
полимерах макромолекулы состоят из последовательно повторяющихся звеньев с
большим отношением длины молекулы к ее поперечным размерам. Макромолекулы
пространственных полимеров связаны в общую сетку.
Линейные полимеры используют для получения термопластов. При нагревании
они размягчаются, а при охлаждении затвердевают. При этом процессе не происходит
никаких химических изменений. На основе пространственных полимеров получают
термореактивные полимеры. При
нагревании они переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Совокупность
характеристик, определяющих поведение полимеров в электрическом поле (Епр, ρ, ε,
tgδ) зависит от полярности звеньев макромолекул, наличия остаточных
реакционноспособных групп и различных примесей и изменяется от температуры,
частоты и амплитуды внешнего электрического поля.
При высоких частотах используются полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен,
у которых малы ε и диэлектрические потери. В низкочастотных конденсаторах и при
постоянном токе можно применять полимеры с повышенным ε и в стеклообразном
состоянии.
Полиэтилен – получают при высоком, низком и среднем давлении полимеризацией
этилена в присутствии катализаторов. Этилен Н2С = СН2 – при комнатной температуре
газообразное вещество. Полиэтилен - твердое вещество.
В промышленности получают полиэтилен со сшитой структурой молекул, когда
создаются поперечные химические связи между линейными цепями молекул. Сшитый
полиэтилен получают при облучении электронами, ионами газового разряда или при
воздействии специальных перекисных соединений, вызывающих сшивку молекул при
высокой температуре. Такой полимер становится резиноподобным при 110-115оС и
сохраняет прочность до температур порядка 200оС.
Полиэтилен применяется в качестве электроизоляционного материала в
электротехнике и радиоэлектронике, в кабельной промышленности. Кабельный ПЭ
имеет более высокую стойкость к процессам термоокислительной деструкции по
сравнению с ПВХ.
Полистирол – получают полимеризацией мономерного стирола.
Формула полистирола [ – H2C – CH – C6H5 – ]n. Полистирол – термопластичный
материал с высокими диэлектрическими свойствами.
Полистирол химически стоек, устойчив к воздействию влаги, растворяется в
хлорированных углеводородах. Недостатки – низкая механическая прочность и
невысокая теплостойкость.
Полистирол прозрачен, бесцветен, применяется для изготовления оптических
стекол. Температура стеклования 80-82оС, температура эксплуатации не должна
30
превышать 60оС.
Полистирол применяется для изготовления деталей электро- и радиоэлектронных
приборов, в конденсаторной технике, в кабельной промышленности в качестве
электроизоляционного материала, для изготовления полистирольных лаков.
Политетрафторэтилен [ – CF2 – CF2 – ]. Выпускается под названием фторопласт4 и получается полимеризацией тетрафторэтилена F2C = CF2. Рабочая температура от –
269 до 260оС.
Фторопласт-4 не горит, не растворяется в диапазоне рабочих температур ни в одном
растворителе, на него не действуют кислоты, щелочи и другие агрессивные вещества.
По химической стойкости превосходит золото и
платину, не смачивается водой, стоек к тропическому климату. Имеет исключительно
высокие электроизоляционные свойства.
Применяется в электронике и радиотехнике для изготовления электрической
изоляции проводов, кабелей, конденсаторов, трансформаторов, работающих при
высоких и низких температурах и в агрессивных средах.
Поливинилхлорид
(ПВХ)
представляет
собой
полимер,
получаемый
полимеризацией хлористого винила. Молекула хлористого винила асимметрична,
поэтому обладает резко выраженными полярными свойствами.
Поливинилхлорид не воспламеняется, почти не горит, нерастворим в воде, спирте,
бензине и других растворителях, при нагревании растворяется в хлорированных
углеводородах, ацетоне. Стоек к действию кислот, щелочей, смазочных масел. ПВХ
сшивается при облучении ионами газового разряда.
Материалы на основе ПВХ имеют высокую стойкость к электрическому старению,
высокую влагостойкость, поэтому применяются для изоляции защитных оболочек
кабелей, проводов, а также в виде лент, трубок, листов в электрических машинах.
Гетинакс получают путем горячего прессования бумаги, пропитанной
термореактивной смолой. Бумага пропитывается раствором смолы определенной
концентрации и сушится при температуре 100-140оС на пропиточных машинах со
скоростью 10-60 м/мин. Потом нарезается на листы, укладывается в пачки и прессуется
под давлением 6-10 МПа. Затем охлаждается при комнатной температуры без снятия
давления.
Гетинакс используется для панелей распределительных устройств, щитов,
изоляционных перегородок в устройствах низкого напряжения. Электрическая
прочность в направлении перпендикулярном слоям 20-40 МВ/м, диэлектрическая
проницаемость 5-6. Вдоль слоев электрическая прочность в 5-8 раз ниже, а удельное
сопротивление в 50-100 раз.
Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется из хлопчатобумажной ткани,
пропитанной фенолформальдегидной смолой. Может работать в интервале температур
от -60 до +105оС. Отличительная особенность – повышенное сопротивление
раскалыванию и истиранию, в 5-6 раз дороже гетинакса.
Лекция 17
КОНДЕНСАТОРЫ
Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать на
обкладках электрические заряды при приложении между ними напряжения.
Количественной мерой способности накапливать электрические заряды является
емкость конденсатора. В простейшем случае конденсатор представляет собой две
металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика. Емкость такого
конденсатора, пФ
- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика
S - площадь обкладок конденсатора (см2),
31
d - расстояние между обкладками (см).
Конденсаторы широко используются в РЭА для самых различных целей. На их
долю приходится примерно 25% всех элементов принципиальной схемы.
Классификация и конструкции конденсаторов.
По назначению конденсаторы делятся на конденсаторы общего назначения и
специального назначения. Конденсаторы общего назначения делятся на
низкочастотные и высокочастотные. К конденсаторам специального назначения
относятся высоковольтные, помехоподавляющие, импульсные, дозиметрические,
конденсаторы с электрически управляемой емкостью (варикапы, вариконды) и др.
По назначению конденсаторы подразделяются на контурные, разделительные,
блокировочные, фильтровые и т.д., а по характеру изменения емкости на постоянные,
переменные и полупеременные (подстроечные).
По материалу диэлектрика различают три вида конденсаторов: с твердым,
газообразным и жидким диэлектриком. Конденсаторы с твердым диэлектриком делятся
на керамические, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые, слюдяные,
бумажные, электролитические, полистирольные, фторопластовые и др.
Параметры конденсаторов
Основными параметрами являются емкость и рабочее напряжение. Кроме того,
свойства конденсаторов характеризуются рядом паразитных параметров.
Система обозначений и маркировка конденсаторов
В настоящее время принята система обозначений конденсаторов постоянной
емкости, состоящая из ряда элементов: на первом месте стоит буква К, на втором месте
-двухзначное число, первая цифра которого характеризует тип диэлектрика, а вторая особенности диэлектрика или эксплуатации (см. табл.2.5), затем через дефис ставится
порядковый номер разработки.
Например, обозначение К 10-17 означает керамический низковольтный
конденсатор с 17 порядковым номером разработки. Кроме того, применяются
обозначения, указывающие конструктивные особенности: КСО - конденсатор
слюдяной спрессованный, КЛГ - конденсатор литой герметизированный, КТ керамический трубчатый и т. д.
Подстроечные конденсаторы обозначаются буквами КТ, переменные
-буквами К П. Затем следует цифра, указывающая тип диэлектрика:
1 - вакуумные; 2 - воздушные; 3 - газонаполненные; 4 - твердый диэлектрик; 5 жидкий диэлектрик. В конструкторской документации помимо типа конденсатора
указывается величина емкости, рабочее напряжение и ряд других параметров.
Например, обозначение КП2 означает конденсатор переменной емкости с
воздушным диэлектриком, а обозначение КТ4 - подстроечный конденсатор с твердым
диэлектриком.
5.3.
Краткое описание лабораторных работ
5.3.1. Перечень рекомендуемых лабораторных работ
Лабораторная работа № 1 Диаграммы состояния.
Лабораторная работа № 2 Исследование рекомбинации неравновесных носителей
заряда в полупроводниках.
Лабораторная работа № 3 Исследование фотопроводимости полупроводников.
Лабораторная работа № 4 Температурная зависимость электропроводности
полупроводников
Лабораторная работа № 5 Определение магнитной проницаемости магнитных
материалов
Лабораторная работа № 6 Исследование свойств ферромагнетиков.
Лабораторная работа № 7 Исследование свойств ферритов.
32
Лабораторная работа № 8 Исследование температурных зависимостей сопротивления
постоянных резисторов.
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Лабораторная работа 1
ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ
Цель работы: ознакомиться с фазовыми диаграммами и научиться пользоваться
ими при решении задач.
Методика работы:
Работа выполняется с использованием диаграмм состояния систем оловосвинец, кремний-алюминий, кремний золото.
Задание:
1.
Свинцово-оловянный припой имеет весовую концентрацию свинца 70% при
Т=3000С. Определить концентрацию (вес.%) жидкой и твѐрдой фаз при 200 0С. Найти
при Т=2000С массы жидкости и твѐрдого тела, если общая масса равна 5г (см.рис.3).
2.
Какова максимальная растворимость (вес.%) Si в Al? При какой температуре она
достигается (см. рис. 4)?
3.
Какова минимальная температура пайки, необходимая для установки кристалла
кремния на золотую подложку? Какова при этой температуре концентрация Si в Au
(вес.%) (см. рис. 5)?
Содержание отчѐта
Отчет должен содержать название лабораторной работы, формулировку цели
работы, условия и решения заданий.
5.3.2.
Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕКОМБИНАЦИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ
ЗАРЯДОВ
Цель работы: определение времени жизни неравновесных носителей зарядов в
полупроводнике.
Методика эксперимента
Для исследования процесса рекомбинации в полупроводнике наиболее удобным
в лабораторных условиях является метод модуляции проводимости образца при
инжекции в него неравновесных носителей заряда импульсами тока через
невыпрямляющий контакт.
При инжекции носителей заряда импульсами определѐнной амплитуды
изменяется электрическая проводимость образца. С течением времени вследствие
рекомбинации происходит изменение проводимости к исходному значению. Если через
некоторое время на образец подать второй (задержанный) импульс той же амплитуды,
то проводимость вновь увеличится. Причѐм с уменьшением времени задержки между
импульсами падение напряжения на образцы при втором (задержанном) импульсе
уменьшается.
Таким образом, по разнице падений напряжений на образце и времени задержки
между импульсами можно определить время рекомбинации неравновесных носителей
заряда.
Порядок выполнения работы
Собрать лабораторную установку, не подключая образец.
Установить на монтажной плате полупроводниковый прибор. С помощью
осциллографа снять зависимость ln(U1-U2)=ƒ(t). Время задержки при этом меняется в
пределах от 1 до 10 мкс. Данные занести в таблицу 1.
Таблица 1.
33
№ опыта
t, мкс
∆U= U1 - U2, В
ln(∆U)
По полученным данным построить график и по тангенсу угла наклона прямой
определить время рекомбинации неравновесных носителей заряда. (Обратите внимание
на масштаб графика при определении tg).
Содержание отчѐта
Отчѐт должен содержать: название и формулировку цели работы, таблицу
полученных результатов, график зависимости ln(∆U) = ƒ(t), величину времени
рекомбинации.
Лабораторная работа 3
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Цель работы: изучение температурной зависимости электропроводимости
полупроводника n-типа.
Методика эксперимента
Исследование
температурной
зависимости
электропроводимости
полупроводника производится путѐм измерения сопротивления образца при различных
температурах, начиная с комнатной до 1000С, через каждые 5 градусов. По полученным
значениям сопротивления рассчитывают электрическую проводимость, результаты
заносят в таблицу.
По полученным данным строят зависимость ln ζ = ƒ(1/Т).Из графика по
тангенсу угла наклона прямых линий I и II участка зависимости определяют энергию
ионизации примеси и ширину запрещѐнной зоны полупроводника соответственно:
ΔW=tg
 ∙ 2k. Результаты исследования температурной зависимости
электропроводимости вводятся в таблицу 2.
Таблица 2.
Номер
t, C
Т, К
1/Т, 1/К
R, Ом
ζ, См
ln ζ
измерения
Содержание отчѐта
Отчѐт должен содержать название лабораторной работы, формулировку цели
работы, схему установки, результаты наблюдений, рассчитанные значения
электрической проводимости, график зависимости ln ζ = ƒ(1/Т), рассчитанные значения
энергии ионизации и ширины запрещѐнной зоны.
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Цель работы: исследование фотоэлектрических свойств полупроводника –
спектральной характеристики.
Методика эксперимента
Исследование спектральной характеристики полупроводника производится
путѐм измерения электрического сопротивления образца при изменении длины волны
падающего света.
Исследование фотоэлектрических свойств полупроводника осуществляется с
помощью монохроматора в спектрофотометре СФ-46. Изменение сопротивления
образца фиксируется на цифровом приборе Щ-4310. В качестве исследуемого образца
используется фотосопротивление СФЗ-I на основе селенида кадмия.
Порядок выполнения работы
Изменяя длину волны излучения от 470 до 900нм, измерьте значения
электрического сопротивления полупроводника через каждые 25нм. Результаты
запишите в таблицу 3.
34
, нм
R, МОм
, μСм
Таблица 3.
ф, μСм
Электрическая проводимость образца вычисляется по формуле =1/ R.
Фотопроводимость ф можно рассчитать по формуле
ф=- т, где т – темновая
проводимость, равная 1/RТ (RТ =16МОм).
По данным таблицы I постройте спектральную характеристику ф=ƒ( )
фоторезистора на основе селенида кадмия. Из полученного графика определите
длинноволновую (красную) границу кр фоторезистивного эффекта.
Вследствие того, что экспериментальная характеристика имеет размытую
длинноволновую область, кр примите равной 1/2, то есть длине волны, при которой
фотопроводимость равна половине максимального значения. По полученному
значению 1/2 вычислите энергию активизации фотопроводимости по формуле ( 4 ).
Содержание отчѐта
Отчѐт должен содержать: название и формулировку цели работы, таблицу
полученных результатов, графики зависимости полупроводника от длины волны
падающего света и от относительной освещѐнности, а также полученное значение
красной границы фоторезистивного эффекта и рассчитанное значение энергии
активации фоторезистивного эффекта для селенида кадмия.
Лабораторная работа 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАГНИТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Цель работы: экспериментальное определение магнитной проницаемости диа-,
пара- и ферромагнетиков.
Порядок выполнения работы:
1.
Вставить внутрь сдвоенной катушки индуктивности первый образец.
2.
Установить с помощью реостата ток в первой обмотке I1=2,5 А, записать
значение I2.
3.
Далее установить в 1 обмотке I1=4 А, соответственно записать I2.
4.
Пункты 3 и 4 выполнить для других образцов.
5.
Вычислить магнитную проницаемость для каждого опыта по формуле
I 2  l  R  t
,

 0N1  N 2  S  I1
гдe l - длина сердечника; l=0,1 м; R  полное сопротивление при переменном токе с
f=50 Гц (для бронзы R=1 Ом, для алюминия R=7 Ом, для железа R=150 Ом); ∆t=0,005
сек; μ0  магнитная постоянная, равная 4π·10-7 Гн/м; N1=N2=500 витков; S - сечение
сердечника, м2 (диаметр сердечника 40 мм).
Заполнить табл. 4.
Таблица 4
Номер
Материал
I1, A
I2, A
R,Ом
μ
образца
образца
..
.
Содержание отчѐта
Отчѐт должен содержать: название лабораторной работы и формулировку цели
работы, таблицу полученных результатов, величину относительной магнитной
проницаемости.
Лабораторная работа 6
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Цель работы: исследование осциллографическим методом петли гистерезиса и
35
основной кривой намагничивания (ОКН) ферромагнетика и определение частотной
зависимости его эффективной магнитной проницаемости.
Порядок выполнения работы
1. Получение основной кривой намагничивания.
2. Изменяя величину сигнала на выходе генератора, отсчитайте и запишите
координаты вершин семейства петель гистерезиса. Результаты запишите в
табл.
3. Постройте ОКН.
Таблица 5
Измерение
Н, А/м
В, Тл
μ
..
.
Значение магнитной проницаемости по данным осциллографических
исследований вычисляется из основной кривой намагничивания согласно выражению
μ =В/(μо∙ Н),
где μо = 4 π ∙ 10-7 Гн/м.
2. Определение частотной зависимости эффективной магнитной проницаемости
μ.
Установите переключатель S1 на измерительном стенде в положение
«измерение». Произведите измерения при частотах 50, 75, 100, 150, 200, 400, 800 Гц.
Для этого:
на каждой частоте (переключатель S2 в положении Ur) установите Ur равным
30 мВ;
измерьте величину входного напряжения Ubx (переключатель S2 в положение
Ubx).
Результаты запишите в табл. 6.
Таблица 6
Измерение
f, Гц
UR, B
Uвх, В
UL, В
L, Гн
μэф
Н, А/м
..
.
Для определения эффективной магнитной проницаемости на различных
частотах рассчитывается индуктивность катушки с испытуемым сердечником
UL
,
L
2  f  I
где I =UR / R  ток, протекающий в цепи, А; UL  падение напряжения на катушке
индуктивности, В. Полагая, что сопротивление катушки индуктивности носит чисто
индуктивный характер (что справедливо при малых амплитудах Н), напряжение UL
можно вычислить из соотношения
2
U L  U ВХ
 U R2 .
Эффективная магнитная проницаемость рассчитывается по формуле
2 rср  L
эф 
,
0  W1  S
где S  площадь поперечного сечения катушки, м2.
Результаты расчета данных μэф=f(f) запишите в табл. 6. Постройте частотную
зависимость магнитной проницаемости.
3. Определение тангенса угла магнитных потерь и добротности сердечника.
Для выполнения этого задания необходимо получить динамическую петлю
гистерезиса исследуемого сердечника на частоте 1 МГц.
Содержание отчета
Отчет должен содержать табл. 5-6, рисунки основной кривой намагничивания,
график частотной зависимости эффективной магнитной проницаемости, рисунок петли,
36
снятой при частоте 1 МГц и графические построения для определения тангенса утла
потерь и добротности сердечника.
Лабораторная работа 7
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРИТОВ
Цель работы: является измерение полевой и частотной зависимостей магнитной
проницаемости марганец-цинковых ферритов.
Методика эксперимента
Измерение полевой и частотной зависимостей магнитной проницаемости марганеццинковых ферритов проводят с помощью установки, схема которой показана на рис. 5.
Синусоидальное напряжение от генератора сигналов G подается с помощью
переключателя S 1 на одну из катушек индуктивности L с испытуемым сердечником и
последовательно соединенным с ней резистором. Вольтметр в зависимости о т положения
переключателя S2 может измерять напряжение Uвых на резисторе Rо пропорциональное
току I и, соответственно, напряженности магнитного поля Н, воздействующего на образец или
напряжение на входе схемы Uвх.
Исследуемые ферритовые сердечники имеют кольцевую форму, которая
характеризуется следующими параметрами: наружный диаметр D, внутренний диаметр d,
толщина кольца h.
Порядок выполнения работы
Для выполнения работы необходимо собрать лабораторную установку, соединив
выход генератора сигналов с гнездом G измерительного стенда и подключив вольтметр
к гнезду V.
Задание 1. Определение полевой зависимости магнитной проницаемости.
Установите переключатель S1 в положение, соответствующее измерению
зависимости μ(Н) одного из образцов. Установите необходимую частоту сигнала (10 кГц).
Переключатель S2 поставьте в положение Uвых. Установите одно из требуемых значений
Uвых, регулируя величину выходного напряжения генератора. Измерьте величину сигнала
на входе измерительной схемы, переключив S2 в положение Uвх. Аналогичным
способом произведите измерения для других образцов и результаты зашипите в табл. 7.
Таблица 7
Образец
Марка
Uвых, мВ
Uвх,мВ
Нm, А/м
μ
Bm, Тл
феррита
..
.
Измерения производятся при следующих значениях Uвых: 100, 150, 200, 300, 400, 500,
600, 800, 1000, 1500, 2000, 3000 мВ.
Амплитудное значение напряженности магнитного поля в сердечнике катушки
определяется выражением
2 2 I w
,
Hm 
  (D  d )
где I = Uвых /Ro; Ro=47 Ом; w  число витков обмотки катушки; D, d соответственно
внешний и внутренний диаметры образца.
Магнитная проницаемость кольцевого сердечника рассчитывается по приближенной
формуле
  (D  d )
,
L
o  w2  h  ( D  d )
где μо = 4 π ∙ 10-7 Гн/м; L= U L /(2πf) – индуктивность исследуемой катушки. Падение
напряжения на катушке индуктивности U L =(U2вх - U2вых)1/2 . Амплитудное значение
магнитной индукции в сердечнике Вm =μμо Нm.
3адание 2. Определение частотой зависимости проницаемости.
37
Измерения следует произвести при значениях частоты: 1,0∙10 4; 2,0∙104; 3,0∙104;
4,0∙104; 5,0∙104; 1,0∙105; 1,5∙105; 2,0∙105 Гц. На каждой частоте сигнала установите
Uвых =0,5 В и измерьте Uвх. Результаты запишите в табл. 9.
Таблица 9
Образец
марка
f, Гц
UBX, МВ
μ
..
.
Результаты измерений в лабораторной работе необходимо представить в виде
табл. 7, 9 и графиков μ( H m ) , μ (lg f ) .
Лабораторная работа 8
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ РЕЗИСТОРОВ
Цель работы: Исследование температурной зависимости сопротивления для
резисторов различных типов и определение температурного коэффициента
сопротивления (ТКС) в исследованном температурном диапазоне
Порядок выполнения работы
1. Собрать на лабораторном стенде схему, изображенную на рис. 6, и снять
вольтамперную характеристику мощного проволочного резистора R2 типа ПЭВ–25 (по
действующему ГОСТу С5-35В-25).
По результатам измерений заполняется табл. 10.
Таблица 10
Температура
Ток через
Падение
Сопротивление
Мощность,
резистора R2
резистор R2
напряжения
резистора R2
рассеиваемая
на резисторе R2
резистором R2
[°С]
[А]
[В]
[Ом]
[Вт]
По данным табл. 10 рассчитываются значения сопротивления резистора R2 и
строятся зависимости R2 от температуры T, а также зависимость температуры
резистора от рассеянной в нем мощности Р (формулы 1.1 и 1.2.). Из графика R2 = f(T)
по формуле 1.3 рассчитывается максимальное значение ТКС в исследованном
диапазоне температур.
2. Исследование температурных зависимостей сопротивления композиционных и
пленочных резисторов
Собрать схему и используя R2 в качестве нагревателя, исследовать температурную
зависимость сопротивления имеющихся образцов резисторов в диапазоне от комнатной
температуры до +100°С. По результатам исследований заполнить табл. 11 и рассчитать
максимальные ТКС резисторов.
Таблица 11
Номинальное
СопротиТип
Сопротивление
Расчетное
№
сопротивление
вление Сопротивление
резиспри комнатной
значение
п/п
(по
при
при +100°С
тора
температуре
ТКС
маркировке)
+50°С
1
2
Содержание отчета
Заполненные таблицы 10 и 11.
Графики зависимости сопротивления от температуры для всех исследованных
резисторов.
Расшифровку маркировки всех исследованных резисторов.
Выводы о результатах сравнения температурных зависимостей резисторов
38
различных типов.
5.4. Краткое описание практических занятий
5.4.1.
Перечень практических занятий
 Решение зада на тему «Электропроводность полупроводников»
 Решение задач на тему «Оптическое поглощение и фотопроводимость
полупроводников»
 Решение задач на тему «Электропроводность металлов и сплавов»
 Решение задач на тему «Поляризация диэлектриков»
 Решение задач на тему «Электропроводность диэлектриков»
 Решение зада на тему «Диэлектрические потери»
 Решение зада на тему «Пробой диэлектриков».
5.4.2.
Методические указания по выполнению заданий на
практических занятиях
Практические занятия связаны с решением задач по теме.
Цель занятии: решить задачи, предложенные преподавателем по теме занятия.
Для практических занятий используется книга Антипов, Б. Л. Материалы
электронной техники. Задачи и вопросы : учеб. для вузов по специальностям
электрон. техники / Б. Л. Антипов, В. С. Сорокин, В. А. Терехов; под ред. В. А.
Терехова. - Изд. 3-е, стер . - СПб.: Лань, 2005. - 206 с. : a-ил. - (Учебники для вузов.
Специальная литература)
В отчете по практическому занятию должны содержаться:
1.
Условия задачи.
2.
Принципиальная электрическая схема (если используется).
3.
Графики характеристик электронных приборов (если используются).
4.
Решение задачи с полной выкладкой формул и численных расчетов.
5.
Ответ в развернутом виде.
5.5. Краткое описание видов самостоятельной работы
5.5.1. Общий перечень видов самостоятельной работы
1. Составление отчета и подготовка к защите лабораторных работ.
2. Подготовка к коллоквиуму.
3. Самостоятельное изучение разделов курса.
5.5.2. Методические рекомендации для выполнения для каждого задания
самостоятельной работы
Самостоятельное изучение разделов курса
Самостоятельная работа студентов предполагает работу с литературой,
нормативно-технической документацией.
При изучении тем, заданных на самостоятельное изучение, студент пишет
конспект, отмечая труднодоступные моменты и отвечает на контрольные вопросы для
самостоятельной оценки.
Темы для самостоятельного изучения:
1. Виды химической связи
2. Кристаллическое строение твердых тел (кристаллические решетки, индексы
Миллера, дефекты кристаллической структуры)
3. Тугоплавкие металлы
4. Люминесценция
5. Электропроводность полупроводников в сильном электрическом поле
6. Композитные порошковые пластмассы
39
7. Слоистые пластики
Подготовка к защите лабораторных работ и к коллоквиуму
Защита лабораторных работ и коллоквиум проводятся по заранее выданным
преподавателем контрольным вопросам. Для подготовки необходима работа с текстом
(лекций, учебников, дополнительной литературы): чтение, составление краткого
конспекта текста)
Применяемые образовательные технологии
При реализации данной программы применяются образовательные технологии,
описанные в табл. 2.
Таблица 2 - Применяемые образовательные технологии
Технологии
Лекции
Лаб. работы
Работа в команде
6
Групповая
4
дискуссия
6.
Контрольно-измерительные материалы и оценочные средства для
текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам
освоения дисциплины
7.1. Краткое описание контрольных мероприятий, применяемых контрольноизмерительных технологий и средств.
7.
 опрос и оценка работы на практических занятиях;
 защита лабораторных работ;
 аттестация по итогам освоения дисциплины – зачет.
7.2. Контрольно измерительные материалы для итоговой аттестации по
дисциплине.
Контрольные вопросы для итогового контроля:
1. Классификация радиоматериалов.
2. Виды химической связи.
3. Основы кристаллического строения твердых тел. Дефекты кристаллической
решетки.
4. Основы зонной теории твердых тел.
5. Дрейфовое движение носителей заряда. Подвижность носителей заряда.
6. Удельная электропроводность. Поверхностная проводимость.
7. Собственные и примесные полупроводники.
8. Функция распределения Ферми-Дирака. Уровень Ферми.
9. Температурная
зависимость
концентрации
носителей
заряда
в
полупроводниках.
10. Температурная
зависимость
подвижности
носителей
заряда
в
полупроводниках.
11. Температурная
зависимость
удельной
электропроводности
полупроводников.
12. Неравновесные носители заряда. Рекомбинация носителей заряда.
13. Фотоэлектрические свойства полупроводников. Виды поглощения света в
полупроводниках.
14. Внутренний фотоэффект. Красная граница фотоэффекта.
15. Фоторезисторы.
16. Виды полупроводников их применение в РЭА. Кремний.
17. Германий.
18. Полупроводниковые соединения типа А(3)В(5) и А(2)В(6).
40
19. Основные положения теории сопротивления металлов. Время релаксации.
Длина свободного пробега электрона в металле.
20. Сопротивление сплавов.
21. Диаграммы состояния бинарных систем.
22. Температурная зависимость сопротивления металлов. Температурный
коэффициент удельного сопротивления металлов.
23. Сверхпроводимость. Теория БКШ.
24. Идеальный диамагнетизм. Сверхпроводники первого и второго рода.
25. Высокотемпературная сверхпроводимость.
26. Характеристика основных проводниковых материалов в РЭА (медь,
алюминий, золото).
27. Резистивные материалы. Требования к резистивным материалам.
28. Характеристики основных резистивных материалов в РЭА.
29. Резисторы. Модели, параметры, маркировка.
30. Применение и эксплуатация резисторов.
31. Виды
магнитных
материалов.
Диамагнетики,
парамагнетики,
ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики.
32. Основная кривая намагничивания.
33. Магнитный гистерезис.
34. Магнитные потери. Тангенс угла магнитных потерь.
35. Магнитомягкие материалы.
36. Магнитотвердые материалы.
37. Материалы специального назначения (материалы с ППГ, тонкие магнитные
пленки, материалы с ЦМД).
38. Катушки индуктивности.
39. Поляризация диэлектриков.
40. Пьезоэлектрики.
41. Пироэлектрики.
42. Сегнетоэлектрики.
43. Электропроводность твердых диэлектриков.
44. Электропроводность жидких и газообразных диэлектриков.
45. Электрическая прочность. Пробой диэлектриков. Электрический, тепловой,
поверхностный пробой.
46. Диэлектрические потери. Тангенс угла диэлектрических потерь.
47. Конденсаторы. Параметры, маркировка конденсаторов.
48. Полимерные материалы.
49. Слоистые пластики.
50. Жидкие кристаллы.
7.
Рекомендуемое информационное обеспечение дисциплины
7.1.
Основная учебная литература
1. Петров, К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника :
учеб. пособие для вузов по направлению 654200 "Радиотехника" / К. С. Петров. - СПб.:
Питер, 2006. - (Учебное пособие) (26 экз.)
2. Сорокин В.С. Материалы и элементы электронной техники : учеб. для вузов по
направлению подгот. бакалавров, магистров и специалистов 210100 "Электроника и
микроэлектроника": в 2 т. / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. - М.:
Академия, 2006-Т. 1Проводники, полупроводники, диэлектрики . - Б.м.: Б.и., 2006. - 439
с. : a-ил (25 экз.)
3. Антипов, Б. Л. Материалы электронной техники. Задачи и вопросы : учеб. для вузов
по специальностям электрон. техники / Б. Л. Антипов, В. С. Сорокин, В. А. Терехов;
под ред. В. А. Терехова. - Изд. 3-е, стер . - СПб.: Лань, 2003. - 206 с. : a-ил. - (Учебники
для вузов. Специальная литература) (25 экз.).
7.2. Дополнительная учебная и справочная литература.
41
Грабовски Б. Краткий справочник по электронике : пер. с фр. / Богдан
Грабовски. - Изд., 2-е, испр . - М.: ДМК Пресс, 2005. - 409 с..
2.
Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные
устройства РЭА : справочник / Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю.
П. Ходоренок. - Минск: Беларусь, 2001. - 591 с. : a-ил
3.
Мукосеев,
Валентин
Валентинович
Маркировка
и
обозначение
радиоэлементов: Системы цветовой и буквенно-цифровой маркировки отечеств. и
зарубеж. электрон. элементов : справочник / В. В. Мукосеев, И. Н. Сидоров . - М.:
Горячая линия-Телеком, 2001. - 348 с.
7.3. Электронные образовательные ресурсы:
7.3.1. Ресурсы ИрГТУ, доступные в библиотеке университета или в
локальной сети университета.
1. http://library.istu.edu/hoe
2. http://www2.viniti.ru
3. Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.www1.fips.ru
4. Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.elibrary.ru
5. http://www.springerlink.com/home/main.mpx
6. http://www.OECDiLibrary.org
7.3.2. Ресурсы сети Интернет.
1. http://window.edu.ru/window/library
2. http://uisrussia.msu.ru
8.
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лаборатория электрорадиоматериалов (Г-220а*).
Перечень оборудования: генератор импульсов Г5-54, генератор импульсов Г5-63,
осциллограф С1-73, термостат, вольтметр В7-27А, спектрофотометр СФ-46,
вольтметрВ7-16, генератор сигналов специальной формы Г6-27, генератор Г3-109,
прибор комбинированный цифровой Щ 4300.
Приложение к программе (обязательное) – учебно-тематический план
Программа составлена в соответствии с образовательным стандартом высшего
профессионального образования (ФГОС3) по направлению 210400 «Радиотехника».
1.
42
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа