1. Электротехнический материал. Общие понятия и определения. Требования, предъявляемые к электротехническим материалам. 3 страница

34. Основы технологии пайки металлов. Флюсы и припои для высокотемпературной пайки.

Пайка - сложный физико-химический процесс получения соединения в результате взаимодействия твердого паяемого (основного) и жидкого присадочного металла (припоя)Паяемый материал- расплав припоя – расплав флюса при температуре ниже плавления паяемых материалов. Технология пайки Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов:A. Предварительная подготовка паяемых соединений; B. Нагрев соединяемых деталей до температуры ниже температуры плавления паяемых деталей; C. Удаление окисной плёнки с поверхностей паяемых металлов с помощью флюса; D. Введение в зазор между паяемыми деталями жидкой полоски припоя; E. Взаимодействие между паяемыми деталями и припоем; F. Кристаллизация жидкой формы припоя, находящейся между спаевыми деталями;

Для высокотемпературной пайки применяются припои на основе меди и серебра и ряда других металлов. Они дают большую прочность паяному шву и высокую допустимую температуру для теплоносителя. При использовании припоя на основе меди и фосфора или меди с фосфором и серебром, при спаивании медных деталей флюс не применяется.

Высокотемпературные (более 450°С) флюсы (бура и её смесь с борной кислотой, смеси хлористых и фтористых солей натрия, калия, лития).

35.Общие сведения и классификация полупроводниковых материалов.

Большая группа материалов с электронной п и дырочной р
проводимостью, удельное сопротивление р которых при температуре 20 °С больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, относится к полупроводникам. С точки зрения зонной теории твердого тела, к полупроводникам относятся те материалы, ширина запрещенной зоны (33) которых имеет величину в пределах от 0,05 до 3 эВ. Электрофизические характеристики полупроводниковых материалов зависят не только от их природы, но и от интенсивности внешнего энергетического воздействия, природы и концентрации легирующей примеси — примеси, которую специально вводят в полупроводниковый материал для создания определенного типа и величины электропроводности. Полупроводниковый материал, используемый для изготовления приборов, должен иметь очень высокую степень чистоты. Например, содержание случайных примесей в кремнии Si не должно превышать 11 %, германии Ge — 9%, селене Se — 3%, а для синтеза полупроводниковых соединений применяют Se с содержанием примесей не более 5—6 %. Высокая степень чистоты полупроводниковых материалов достигается путем применения специальных технологий.
Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы
обладают рядом преимуществ: 1) большим сроком службы; 2) малыми габаритами и массой; 3) простотой и надежностью конструкции, большой механической прочностью (не боятся вибрации и ударов); 4) отсутствием цепей накала, что при замене ими электронных ламп приводит к снижению потребления мощности и инерционности.

Классификация полупроводников. Используемые в технике полупроводниковые материалы подразделяются на три основные группы.
I. Простые полупроводники. Это девять химических элементов: бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сера, селен, теллур, йод.
II. Полупроводниковые химические соединения с общими
формулами:

1) — карбид кремния SiC;

2) — различные фосфиды, арсениды, антимониды, например арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, антимонид индия InSb;

3) — различные сульфиды, селениды, теллуриды, например сульфид свинца PbS, селенид ртути HgSe, теллурид кадмия CdTe.
Буквы А и В — химические элементы, а показатель степени (II, III, IV, V, VI) — валентность этих элементов.
К этой группе полупроводников относятся также некоторые
оксиды металлов, например закись меди Си2О, и соединения сложного химического состава,которые в отличие от других обладают самой высокой рабочей температурой.
III. Полупроводниковые комплексы — многофазные материалы с полупроводящей или проводящей фазами, например из карбида кремния, графита и т. п., сцепленных глинистой, стеклянной или другой связкой. Известны также полупроводники органические стеклоообразные и жидкие.

36.Общие сведения о собственных и примесных полупроводниках. Электропроводность собственных полупроводников.

Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10⁻⁸ … 10⁻⁹%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Технология позволяет получать материалы с высокой степенью очистки, среди которых можно выделить непрямозонные полупроводники: Si (при комнатной температуре количество носителей n _i= p _i=1,4·10¹⁰ см^-3), Ge (при комнатной температуре количество носителей n _i= p _i=2,5·10¹³ см^-3) и прямозонный GaAs.

Примесный полупроводник - это полупроводник, электрофизические свойства которого определяются, в основном, примесями других химических элементов. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием полупроводника, а сами примеси называют легирующими.

Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью, которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого дрейфовым током i_др. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:

i_др= i_n+ i_p,

где индекс n соответствует электронному вкладу, а p - дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.

37. Общие сведения о собственных и примесных полупроводниках. Электропроводность примесных полупроводников.

Наличие в кристалле примесей и дефектов приводит к появлению в запрещенной зоне энергетических уровней, положение которых зависит от типа примеси или дефекта.
Так, например, примесные атомы B (3 группа периодической таблицы элементов) в кристалле Si принимают электроны из валентной зоны, что ведет к образованию дырок и возникновению дырочной проводимости (легированный акцепторной примесью материал приобретает проводимость "Р" типа).
Атомы P (5 группа) в кристалле Si отдают электроны в зону проводимости, что приводит к возникновению электронной проводимости (легированный донорной примесью материал приобретает проводимость "N" типа).

Таким образом, когда речь идет о примесной проводимости, то концентрация положительно заряженных дырок примерно равна концентрации отрицательно заряженных атомов акцепторной примеси (элементов третьей группы, захвативших валентный электрон). Концентрация электронов примерно равна концентрации положительно заряженных доноров (элементов пятой группы, отдавших электрон).

38. Виды примеси полупроводникового материала. Акцепторная примесь.

По способности примесного атома отдавать электрон в зону проводимости либо принимать его из валентной зоны примесные уровни разделяют на донорные и акцепторные.

Если в решетку IV валентного полупроводника ввести III элемент, например, бор, то он установит три ковалентные связи с атомами германия, для связи с четвертым атомом германия у атома бора нет электрона. Таким образом, у нескольких атомов германия будет по одному электрону без ковалентной связи. Достаточно теперь небольших внешних воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атомов германия. Освободившиеся электроны, захваченные атомами бора, не могут создать электрический ток. А дырки у атомов германия позволяют электронам с соседних атомов перейти на них, освобождая другие дырки. Т.о., положительно заряженная дырка будет перемещаться по кристаллу, а под действием поля возникает примесный дырочный ток.

С точки зрения зонной теории, акцепторная примесь образует незаполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Тепловое возбуждение будет в первую очередь перебрасывать электроны из валентной зоны на эти энергетические уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси, электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в образовании электрического тока. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую концентрации электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости. И его относят к полупроводнику p-типа.

39. Виды примеси полупроводникового материала. Донорная примесь.

Если в кристаллическую решетку IV валентного элемента ввести атом элемента с валентностью V, то четыре электрона на его внешней оболочке свяжутся с четырьмя атомами IV валентного элемента, а один электрон становится избыточным, слабосвязанным со своим атомом. Он под вличнием тепловой энергии начнет свободно блуждать по полупроводнику, а под воздействием электрического поля он станет направленно перемещаться (электропроводность типа n), а атом, отдавший электрон, будет неподвижно находиться в данном месте решетки полупроводника.

С точки зрения энергетических диаграмм донорные примеси образуют заполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. При этом энергия активации примесных атомов меньше ширины запрещенной зоны, поэтому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки.

40. Виды примеси полупроводникового материала. Примесь замещения

Примеси замещения в кристаллической решетки соединений АIIIВV распределяются таким образом, чтобы не возникало центров с большим избыточным зарядом. Поэтому примеси элементов II группы-Ве, Mg, Zn и Cd, образующие твердые растворы замещения, всегда занимают в решетке АIIIВV узлы металлического компонента и при этом являются акцепторами, благодаря меньшей валентности по сравнению с валентностью замещаемых атомов. В тоже время примеси элементов VI группы-S, Se, Te- всегда располагаются в узлах ВV и играют роль доноров. Более сложным характером отличается поведение примесей элементов IV группы. Поскольку в этом случае при замещении атомов одной из двух подрешеток имеется избыток или недостаток лишь одного валентного электрона, то атомы примесей IV группы могут занимать как узлы А так и В, проявляя при этом донорные или акцепторные свойства соответственно. Замещение должно сопровождаться наименьшей деформацией кристаллической решетки. Поэтому критерием донорного или акцепторного действия примесей может служить соответствие размеров замещающего и замещаемого атомов.

41.Зависимость удельной электропроводности полупроводников от температуры.

Уход электрона из ковалентной связи сопровождается появлением двух электрически связанных атомов единичного положительного заряда, получившего название дырки, и свободного электрона. Фактически дырку можно считать подвижным свободным носителем элементарного положительного заряда, а заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно представить как перемещение дырки. Процесс образования пар электрон-дырка называют генерацией свободных носителей заряда. Одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей.

Из-за постоянного протекания процессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при заданной температуре в полупроводнике устанавливается равновесное состояние, при котором присутствует некоторая концентрация свободных электронов (ni) и дырок (pi).

Электропроводность полупроводников с ростом t – возрастает.

Зависимость удельной электропроводности проводника от t:

А-постоянная величина, - ширина запрещенной зоны, к – постоянная Больцмана, Т-температура.

Собственная и примесная электропроводности полупроводниковых материалов с ростом t возрастают, они обладают отрицательным температурным коэффициентом. На этом принципе работают датчики t, терморезисторы.

Температурный коэффициент сопротивления терморезистора 100%.

Полупроводниковые терморезисторы с отрицательным коэфф. сопротивления назыв. термисторами.

Терморезисторы с положительным температурным коэфф. сопротивления назыв. позисторами.

42.Очистка кремния методом зонной плавки.

В противоположность германию кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре; его содержание в ней около 29%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только в соединениях в виде окисла и в солях кремниевых кислот. Чистота природной окиси кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,9%; в ряде месторождений чистота песка достигает 99,8-99,9%.

Технический кремний, получаемый восстановлением природного диоксида SiO₂ (кремнезем) в электрической дуге между графитовыми электродами, широко применяется в черной металлургии как легирующий элемент (например, трансформаторная сталь) и как раскислитель при производстве стали.

Технический кремний представляет собой мелкокристаллический спек, содержащий около 1% примесей, и как полупроводник использован быть не может. Он является исходным сырьем для производства кремния полупроводниковой чистоты, содержание примесей в котором должно быть менее 10^-6%.

В отличие от германия основная очистка кремния от примесей осуществляется химическими методами. Кристаллизационные методы имеют цель - превратить полукристаллический кремний, полученный химическим путем, в монокристаллы с определенными электрофизическими свойствами. Объемные кристаллы кремния выращивают методами выращивания из расплава и бестигельной вертикальной зонной плавки. Первый метод применяется, как правило, для получения крупных монокристаллов с относительно небольшим удельным сопротивлением (< 2,5 Ом-м). Второй метод используется для получения высокоомных монокристаллов кремния с малым содержанием остаточных примесей. Следует заметить, что в технологическом отношении кремний - более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1412 °С и в расплавленном состоянии химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми тигельными материалами).

Вертикальная бестигельная зонная плавка обеспечивает очистку кристаллов кремния от примесей и возможность выращивания монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода. В этом методе узкая расплавленная зона удерживается между твердыми частями слитка за счет сил поверхностного натяжения. Расплавление слитков осуществляется с помощью высокочастотного индуктора (рис.2), работающего на частоте 5 МГц. Высокочастотный нагрев позволяет проводить процесс бестигельной зонной плавки в вакууме и в атмосфере защитной среды.

Методом вертикальной бестигельной плавки в настоящее время получают кристаллы кремния диаметром до 100 мм. Кристаллы кремния n - и p - типов получают путем введения при выращивании соответствующих примесей, среди которых наиболее часто используются фосфор и бор. Такие кристаллы электронного и дырочного кремния маркируются соответственно КЭФ и КДБ.

43.Выращивание монокристалла кремния.

Производство монокристаллов кремния в основном осуществляют методом Чохральского (до 80—90 % потребляемого электронной промышленностью) и в меньшей степени методом бестигельной зонной плавки.

Метод Чохральского

Идея методаполучения кристаллов по Чохральскому заключается в росте монокристалла за счет перехода атомов из жидкой или газообразной фазы вещества в твердую фазу на их границе раздела.

рименительно к кремнию этот процесс может быть охарактеризован как однокомпонентная ростовая система жидкость - твердое тело.

Скорость роста V определяется числом мест на поверхности растущего кристалла для присоединения атомов, поступающих из жидкой фазы, и особенностями переноса на границе раздела.

Технология процесса.

Затравочный монокристалл высокого качества опускается в расплав кремния и одновременно вращается. Получение расплавленного поликремния происходит в тигле в инертной атмосфере (аргона при разрежении ~10⁴ Па.) при температуре, незначительно превосходящей точку плавления кремния Т = 1415 °С. Тигель вращается в направлении противоположном вращению монокристалла для осуществления перемешивания расплава и сведению к минимуму неоднородности распределения температуры. Выращивание при разрежении позволяет частично очистить расплав кремния от летучих примесей за счет их испарения, а также снизить образование на внутренней облицовке печи налета порошка монооксида кремния, попадание которого в расплав приводит к образованию дефектов в кристалле и может нарушить монокристаллический рост.

В начале процесса роста монокристалла часть затравочного монокристалла расплавляется для устранения в нем участков с повышенной плотностью механических напряжений и дефектами. Затем происходит постепенное вытягивание монокристалла из расплава.

44.Диэлектрические материалы. Поляризация диэлектриков. Мгновенные и замедленные виды поляризации.

Диэлектрическими материалами считают класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств, а именно большого сопротивления прохождению электрического тока и способности поляризоваться.

Электроизоляционными называют диэлектрические материалы, предназначенные для электрической изоляции токоведущих частей электроустановок.

Изолятором называется изделие из электроизоляционного материала, задачами которого является крепление друг о друга проводников, находящихся под различными материалами.

По функциям, выполняемым в аппаратуре диэлектрики разделены на пассивные и активные.
К пассивным диэлектрикам относятся изоляционные материалы, недопускающие утечки тока и конденсаторные, выполняющие роль накопителей энергии.
К активным диэлектрикам относятся материалы, которые используются для создания различных преобразователей, усиления сигналов по мощности, элементов памяти, датчиков, активных элементов лазеров и т.д.

Поляризацией называется процесс смещения электрических зарядов под действием сил внешнего и внутреннего электрических полей. В результате поляризации диэлектрика в нём создаётся внутреннее электрическое поле, противоположное к внешнему полю, вызвавшему эту поляризацию.

Процесс поляризации диэлектриков проходит в течение некоторого времени. Различают мгновенные и замедленные виды поляризации. К мгновенным видам поляризации относят те, время установления которых менее 10 -12с. Время установления замедленных видов поляризации может достигать нескольких минут. За время установления данного вида поляризации принимают время, в течение которого ток, связанные с этим видом поляризации,уменьшается в е раз.

45. Диэлектрические материалы. Относительная диэлектрическая проницаемость, поверхностная плотность связанных зарядов, поляризованность диэлектрика.

Если между обкладками конденсатора поместить диэлектрик, то имеющиеся в диэлектрике связанные заряды смещаются в направлении действующих на них сил электрического поля. На поверхности, обращенной к положительному электрону образуется отрицательный заряд, а на поверхности, обращенной к отрицательному электрону – положительный заряд. Наличие связанных зарядов на поверхности диэлектрика приводит к тому, что на обкладках конденсатора появляется дополнительный заряд.

Отношение зарядов называется относительной диэлектрической проницаемостью.

Поверхностная плотность заряда на обкладке конденсатора:

Заряд на поверхности диэлектрика:

Плотность заряда на поверхности диэлектрика:

При рассмотрении поляризации вводится понятие поляризованность диэлектрика.

Т.к. электрические заряды в глубине диэлектрика компенсируют друг друга электрический момент всего объема диэлектрика равен:

Объем между обкладками конденсатора:

Поляризованность – это векторная величина, которая изотропна в диэлектрике, совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля.

Вектором электрической индукции называется вектор равный:

Электрическая проницаемость:

46. Диэлектрические материалы. Зависимость напряженности электрического поля от величины диэлектрической проницаемости материала.

Напряженность электрического поля, образованная связанными зарядами диэлектрика направлена на встречу основному полю. Поле внутри диэлектрика ослабляется. В воздухе напряженность электрического поля выше. Напряженности поля обратно пропорциональны отношению диэлектрическим проницаемостям:

Напряженность поля не зависит от свойств диэлектрика. От свойств диэлектрика зависит емкость и заряд конденсатора.

Если расстояние в воздухе

Напряженность электрического поля в -раз больше, чем напряженность в диэлектрике, то в воздушном промежутке может возникнуть пробой, этот пробой будет неполным или незавершенным, т.к. диэлектрик является барьером. Такой пробой носит название частичного пробоя или частичного разряда.

47. Диэлектрические материалы. Объемное и поверхностное сопротивление диэлектриков.

В твердых диэлектриках необходимо различать объёмную и поверхностную электропроводность.

Объемная электропроводность при низких t° обусловлена передвижением слабо закреплённых ионов – ионов примеси. Поверхностная электропроводность диэлектрика зависит от состояния поверхности диэлектрика, от степени ее увлажнения и загрязнения.

Объемная и поверхностная электропроводность характеризуются удельным объемным и удельным поверхностным сопротивлениями диэлектрика.

Удельное объемное сопротивление – это сопротивление куба диэлектрика с ребром 1 метр умноженное на 1 метр, причем считают, что ток проходит только сквозь куб от одной его грани к противоположной.

Объемное удельное сопротивление плоского образца материала рассчитывается так:

ρ_V = R_V ∙ S ∕ h,

где R_V – объемное сопротивление образца в Ом;

S – площадь электрода, м²;

h – толщина образца.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_S равно сопротивлению любых размеров квадрата на поверхности диэлектрика, ток через который идет от одной стороны к другой противоположной.

Это сопротивление в Ом рассчитывается так:

ρ_S = R_S ∙ d ∕ l,

где R_S – поверхностное сопротивление образца между параллельными электродами шириной d на расстоянии друг от друга l. При d = l ρ_S = R_S

Полное сопротивление диэлектрика в Ом можно рассматривать как сумму параллельно включенных объемных и поверхностных сопротивлений:

1 ∕ R = 1 ∕ R_V + 1 ∕ R_S = (R_S + R_V) ∕ (R_V ∙ R_S).

48. Диэлектрические материалы. Электропроводность газов.

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают очень малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений ионизированных частиц самого газа, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа (ударная ионизация).

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновские, ультрафиолетовые и космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа).

Одновременно с процессом ионизации, при котором происходит образование положительных и отрицательных ионов или электронов, часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частицами, образует нейтральные молекулы. Этот процесс называют рекомбинацией.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения перемещаются, и в цепи возникает ток. Часть ионов нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.

По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, разряжаются на электродах. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызовет возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой рис. 4.3 (ток насыщения при напряжениях от ). Ток насыщения для воздуха в нормальных условиях и расстояния между электродами наблюдаются при напряженностях поля около .

Плотность тока насыщения в воздухе весьма мала и составляет около . Поэтому воздух можно рассматривать как совершенный диэлектрик, до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации. Ток при увеличении напряжения остается постоянным, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации (выше на рис. 4.3) ток начинает быстро увеличиваться с возрастанием напряжения.

Дата добавления: 2015-09-30; просмотров: 38 | Нарушение авторских прав

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.028 сек.)

<== предыдущая лекция

следующая лекция ==>