Файл: Конспект лекций по дисциплине оп. 06 Материаловедение, электрорадиомате риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11. 02. 16 сост. Фролов А. Л.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 60
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство образования и науки Самарской области
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
Самарской области
«САМАРСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
(ГБПОУ «СЭК»)
А. Л. Фролов
ОП.06 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, ЭЛЕКТРОРАДИОМАТЕРИАЛЫ
И РАДИОКОМПОНЕНТЫ
Конспект лекций для студентов специальности 11.02.16
Монтаж, техническое обслуживание и ремонт электронных приборов и устройств
Самара
2
Конспект лекций по дисциплине ОП.06 Материаловедение, электрорадиомате- риалы и радиокомпоненты для студентов специальности 11.02.16 / сост.: Фролов А.Л.
– Самара: ГБПОУ «СЭК». – 34 с.
Издание содержит конспект лекций по дисциплине ОП.06 Материаловедение, электрорадиоматериалы и радиокомпоненты.
Замечания, предложения и пожелания направлять в ГБПОУ «СЭК» по адресу:
443001, г. Самара, ул. Самарская 205-А или по электронной почте info@sam-ek.ru
ГБПОУ «СЭК»
3
Раздел 1 Основы материаловедения
Тема 1.1 Строения и свойства материалов
1. Общие сведения о строении материалов. Классификация материалов по составу, свойствам и техническому назначению. Основные механические, химические и электрические свойства применяемых в электронной технике материалов
Все материалы в зависимости от их электрических свойств можно разделить на диэлектрики, проводники и полупроводники. Различие между диэлектриками, про- водниками и полупроводниками наиболее наглядно можно показать с помощью энер- гетических диаграмм зонной теории твердых тел [2]. В энергетической диаграмме твердого тела различают три зоны: заполненная электронами, запрещенная (такие энергии электроны данного материала иметь не могут) и зона проводимости (свобод- ная зона) (рис. 1).
У диэлектрика запрещенная зона настолько велика (
3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычных условиях не наблюда- ется, так как энергию
3,5 эВ имеют лишь фотоны космических лучей и радио- активного излучения.
Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 <
< 0), которая может быть преодолена за счет внешних воздействий (облучение полупроводника, нагрев и т. д.), и у материала появляется проводимость.
У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне проводимо- сти или даже перекрывается ею (
). Вследствие этого электроны из заполнен- ной зоны могут свободно переходить на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием слабой напряженности электрического поля и вызывать протекание тока.
Рис. 1. Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в)
Классификация материалов по магнитным свойствам
По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы: Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Если взять катушку и поместить в нее сердечники из разных материалов, то магнитное поле, возникающее внутри сердечника, будет усиливать или ослаблять внешнее поле в
4 1); 1) слабомагнитные (µ
2) сильномагнитные (µ >> 1).
Слабомагнитные материалы в технике применяются редко, поэтому их рассматривать не будем. В энергетике в качестве магнитных материалов используются лишь мате- риалы, у которых µ >> 1.
Таким образом, в разделе «Электротехнические материалы» будут рассмотрены сле- дующие группы материалов:
1. диэлектрики;
2. проводники;
3. полупроводники;
4. магнитные материалы (µ >> 1).
Конструкционные материалы – твѐрдые материалы, предназначенные для изготов- ления изделий, подвергаемых механическому нагружению.
Они делятся на типы, основными из которых являются:
− металлы и сплавы;
− неметаллические материалы (пластмассы, полимеры, древесина и др.);
− композиционные материалы.
Раздел 2 Электрорадиоматериалы
Тема 2.1 Проводниковые радиоматериалы
1. Физическая природа электропроводности металлов и сплавов. Классификация про- водниковых материалов. Основные свойства и характеристики проводниковых мате- риалов. Благородные металлы. Тугоплавкие металлы. Металлы различного примене- ния. Материалы высокого сопротивления. Контактные материалы. Припои.
1. По агрегатному состоянию
1. Газообразные
Газы при низких значения напряжѐнности электрического поля не являются провод- никами. При высоких значениях напряжѐнности электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма.
Применение: газоразрядные приборы.
2. Жидкие а) Электролиты (водные растворы кислот, щѐлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, при этом состав электролита постепенно изменяется, и на электродах вы- деляются продукты электролиза.
Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование).
5 б) Расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg t плавHg
=-39 0
С и галлий Ga t плавGa
=29,7 0
С) – носители заряда электроны.
Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.
3. Твѐрдые
Металлы и сплавы – носители заряда электроны.
Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.
2. По удельному электрическому сопротивлению
1. Высокой проводимости (ρ≤0,05 мкОм∙м) а) Серебро Ag.
Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели. б) Медь Cu.
Применение: жилы проводов и кабелей. в) Золото Au.
Применение: контакты, электроды, фотоэлементы. г) Алюминий Al.
Применение: провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей. д) Железо Fe.
Применение: провода ЛЭП не большой мощности. е) Металлический натрий Na.
Применение: провода и кабели в полиэтиленовой оболочке.
2. Высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м). а) Манганин сплав Cu – Mn – Ni.
Применение: образцовые резисторы. б) Константан сплав Cu – Ni – Mn.
Применение: реостаты и электронагревательные приборы. в) Сплавы на основе железа (нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al).
Применение: электронагревательные элементы.
3. Сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 0
С.
Алюминий Al, олово Sn, свинец Pb.
4. Криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 0
С, но не переходя в сверхпроводящее состоянии.
Алюминий Al, медь Cu, бериллий Be.
Применение: провода ЛЭП большой мощности, жилы кабелей, электрические маши- ны, трансформаторы.
Электропроводность проводниковых материалов.
Электропроводность твѐрдых проводников
Металлы и сплавы являются кристаллическими телами. Кристаллическое строение характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в
6 пространстве, связанных с соседними при помощи валентных электронов, которые могут перемещать. Если соединить атомы линиями, то получиться пространственная кристаллическая решѐтка.
Электроны в металле, при отсутствии внешнего электрического поля, совершают хаотическое движение, а ионы в узлах кристаллической решѐтки совершают тепло- вые колебания. Под действием внешнего электрического поля электроны приобрета- ют направленное движение, причѐм энергия, которую электрическое поле затрачива- ет на перемещение электронов, переходит в запас самих электронов. Когда на пути электронов оказывается ион, происходит столкновение, это и есть сопротивление
проводника. Во время столкновений электроны отдают энергию ионам и начинают новый разбег и т.д. Ион, получив от электрона энергию, начинает колебаться с боль- шей амплитудой, поэтому увеличивается температура проводника.
Удельная проводимость металлов и сплавов
(1) где q – заряд электрона; n – число электронов в единице объѐма;
µ – подвижность электрона;
λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решѐтки; m – масса электрона;
υ
т
– средняя скорость теплового движения свободного электрона.
Тема 2.2 Полупроводниковые материалы
1. Свойства полупроводников Простые и сложные полупроводники. Получение и применение полупроводниковых материалов
Из десяти элементов, обладающих свойствами полупроводников, наибольшее приме- нение в технике нашли германий и кремний.
Германий –один из наиболее тщательно изученных полупроводников, и многие яв- ления, характерные для полупроводников, впервые экспериментально были обнару- жены на этом материале.
Содержание германия в земной коре невелико, около 7·10
-4
%. Для полупроводников необходим тщательно очищенный германий. Один из способов очистки – метод зон- ной плавки. Германий применяется для изготовления выпрямителей, транзисторов, фоторезисторов, фототранзисторов и т. д. Рабочий диапазон температур германиевых приборов – от –60 до +70
о
С. Германиевые приборы должны быть защищены от дей- ствия влажности воздуха.
Кремний, как и германий, относится к IV группе таблицы Д. И. Менделеева. Он яв- ляется одним из самых распространенных элементов в земной коре, его содержание составляет примерно 29 %. Однако в свободном состоянии в природе он не встреча- ется.
7
Технический кремний (около одного процента примесей), получаемый восстановле- нием из диоксида (SiO
2
) в электрической дуге между графитовыми электродами, ши- роко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, в элек- тротехнической стали). Технический кремний как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводни- ковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10
-6
%. Техноло- гия получения кремния полупроводниковой чистоты очень сложна, она включает не- сколько этапов. Конечная очистка кремния может выполняться методом зонной плавки, при этом возникает ряд трудностей, так как температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия.
В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полу- проводниковых приборов: диодов, транзисторов, стабилитронов, тиристоров и т. д. У кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависи- мости от степени очистки материалов 120–200 о
С, что значительно выше, чем для германия.
Полупроводниковые химические соединения (бинарные соединения)
Полупроводниковыми свойствами обладают не только простые полупроводники
(германий, кремний), но и целый ряд химических соединений. Среди них наибольшее распространение получили двойные (бинарные) соединения А
III
В
V
, А
II
B
VI
, А
IV
B
IV
и др.
Соединения А
III
В
V
являются ближайшими аналогами кремния и германия. Они обра- зуются в результате взаимодействия элементов III подгруппы таблицы Менделеева
(бор, алюминий, галлий, индий) с элементами
V подгруппы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма), которые соответственно называются нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Среди соединений А
III
В
V
особое поло- жение занимает арсенид галлия (GaAs). У него ширина запрещенной зоны превышает ширину запрещенной зоны германия и кремния, но ещѐ не очень велика (1,43 эВ).
Полупроводниковые приборы из арсенида галлия по частотному пределу превосхо- дят германиевые, а по максимальной рабочей температуре (до 450 о
С) – кремниевые.
Соединения А
II
B
VI
образуются в результате взаимодействия элементов II подгруппы
(цинк, кадмий, ртуть, медь, висмут) с элементами VI подгруппы (сера, селен, теллур, кислород), которые соответственно называются сульфиды, селениды, теллуриды, ок- сиды. Технология изготовления полупроводниковых соединений А
II
B
VI
разработана гораздо менее полно. Это связано с тем, что они обладают высокими температурами плавления. Обычно их выращивают в запаянных кварцевых ампулах.
К этой же группе относится оксид цинка ZnO, имеющий ΔW = 3,2 эВ, который широ- ко используется в ограничителях перенапряжения. Но о нѐм подробнее будет расска- зано в разделе «Керамические полупроводники».
Карбид кремния (SiC) является единственным бинарным соединением, образован- ным элементами IV подгруппы (А
IV
B
IV
) и относящихся к полупроводникам. Этот по- лупроводниковый материал с большой шириной запрещѐнной зоны (ΔW = 2,8–3,1
8 эВ) применяется для изготовления полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах (до 700 о
С). Карбид кремния является одним из наиболее твер- дых веществ, он устойчив к окислению до температуры свыше 1 400 о
С.
Тема 2.3 Диэлектрические материалы
1. Свойства, классификация и область применения диэлектрических материалов.
Электропроводность диэлектриков. Твердые органические диэлектрики. Твердые не- органические диэлектрики. Активные диэлектрики.
Большинство неорганических твердых диэлектриков имеют ионно-кристаллическое строение, отличаются высокой нагревостойкостью и электрической прочностью.
Слюда
Слюда - минерал ионно-кристаллического строения, обладающий способностью расщепляться на пластины. По химическому составу слюда представляет собой вод- ные алюмосиликаты. Основные диэлектрические характеристики слюды:
•ε = 5…7;
•tgδ = (5…50).10-4;
•ρ = 1013 Ом·м;
•Епр = 12 МВ/м.
Слюда относится к электроизоляционным материалам высшего класса нагревостой- кости: температура начала резкого ухудшения свойств составляет 700...900°С. Слюда применяется для конденсаторов, штампованных деталей электронных и осветитель- ных ламп, для изоляции коллекторных пластин электрических машин.
Стекла
Стекла - материалы аморфного строения, состоящие из оксидов различных элемен- тов. В качестве стеклообразующих оксидов используются SiO2, B2O3, Al2O3, P2O5.
Наибольшее распространение получили силикатные стекла на основе двуокиси крем- ния SiO2, благодаря химической стойкости, дешевизне и доступности сырья.
При охлаждении расплава имеются две характерные точки: температура текуче- сти Тт, выше которой стекло проявляет текучесть, и температура стеклования Тс, ни- же которой проявляется хрупкость стекла. Для большинства силикатных стекол Тт =
900...700 °С, Тс=600...400°С. Интервал температур между Тт и Тс называют интерва- лом размягчения, когда стекло обладает пластичными свойствами. Чем шире интер- вал размягчения, тем технологичнее стекло.
Формовку изделий осуществляют путем выдувания, центробежного литья, вытяжки, прессования, прокатки, отливки и т.д. Изготовленные изделия подвергают отжигу для снятия внутренних напряжений. При отжиге изделие нагревают до 300...400°С и мед- ленно охлаждают.
Группы силикатных стекол:
• щелочные стекла - это большинство обычных стекол, в которых помимо стеклооб- разующих оксидов содержатся оксиды щелочных металлов (Na2O, K2O), понижаю-