Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Материалы электронной техники: Конспект лекций

Голосов: 0

В пособии приводятся основные физические явления в полупроводниках и активных диэлектриках, описываются их электрические, физико-химические и механические свойства. Методическое пособие предназначено для изучения курса "Материалы электронной техники" студентами специальностей 210200, 210600, а также может быть полезно студентам других специальностей. Пособие подготовлено на кафедре технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры Таганрогского технологического института Южного федерального университета.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                        Рис. 7.

               Ионно-релаксационная поляризация
   Наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристал-
лических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом
случае слабо связанные ионы вещества под действием внешнего электриче-
ского поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные
перебросы в направлении поля. Время установления лежит в пределах 10 -13
-10-8 с.
   Графики зависимости ε' от частоты и температуры показаны на рис.8.

   ε'                                ε'                    f1   f2


                                                f 2 > f1
     0         10 − 10
                 8   13
                           f , Гц      0
                                                           t ,o C
                                     Рис.8.

   Сначала с увеличением температуры увеличивается количество ионов,
участвующих в ионизации, что облегчает поляризацию и ε' растет. Затем,
уменьшается число молекул в единице объема, увеличиваются хаотические
колебания, ε' падает. Затем, ε'опять может возрастать в связи с появлением
новых видов поляризации. Максимум ε' наблюдается в области отрицатель-
ных температур при низких частотах. К веществам, у которых преобладает
этот вид поляризации, относятся некоторые сорта керамики.

             Дипольно-релаксационная поляризация
   Заключается в частичном ориентировании полярных молекул вещества
под действием электрического поля, а также в упругом смешении зарядов
внутри молекул. Связана с тепловыми колебаниями частиц. Характерна для
полярных газов и жидкостей, а также для твердых полярных органических
диэлектриков, но в этом случае поляризация обусловлена не поворотом
самой молекулы, а поворотом в ней полярных радикалов по отношению к
молекуле. Такую поляризацию также называют дипольно-радикальной. Этот
вид поляризации характерен для полиамидных, эпоксиальных, фенолофар-
мальдегидных, полиэфирных, органических смол, фторопласта-3, полихлор-
винила, целлюлозы и ее производных. Время установления лежит в преде-


                                                                       31


лах 10-13-10-8с. Зависимости ε' от частоты и температуры такие же, как пока-
занные на рис.8.
   При отрицательных температурах в зависимости имеется максимум. С
увеличением частот максимум перемещается в область положительных тем-
ператур.
                              Структурная поляризация
    Проявляется в твердых диэлектриках с неоднородной структурой при
наличии макроскопических неоднородностей и примесей. Заметна на низких
частотах и связана со значительными потерями энергии. Отдельные области
диэлектрика- с разной проводимостью ведут себя как большие полярные мо-
лекулы. В электрическом поле свободные носители заряда перемещаются в
пределах каждой области. С увеличением частоты ε'падает (рис.9), т.к. обла-
сти не успевают переориентироваться. По графику ε'=f(f) можно судить о
степени неоднородности диэлектрика. Время установления лежит в преде-
лах от сотых долей секунды до нескольких часов. Характерна для бумаги,
пропитанной головаксом, текстолита, гетинакса.
                                      ε'



                                           0                      f , Гц
                                                        Рис. 9.

                       Резонансные виды поляризации
   Наблюдаются на частотах, совпадающих с собственной частотой колеба-
ний электронов и ионов. Характерные зависимости ε’ и ε’’ показаны на
рис.10.
ε'                                                      ε ''
                                                          1


1
                                               f , Гц                             f , Гц
 0          1013 − 1014 - для ионов
                                                           0        1013 − 1014
            1014 − 1016 - для электронов                            1014 − 1016


                                  Рис. 10
   На резонансной частоте поглощение энергии максимально, т.е. эти виды
поляризации хотя и мгновенные, но с потерями.

32


   Спонтанная (самопроизвольная) поляризация связана с образованием в
ряде веществ при определенной температуре группировок ионов, обладаю-
щих большим электрическим моментом. Поляризованность нелинейно за-
висит от напряженности внешнего электрического поля. Поляризация со-
провождается значительными потерями энергии. Спонтанной поляризацией
обладают сегнетоэлектрики.

      5. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И ПРОБОЙ ДИ-
                   ЭЛЕКТРИКОВ

                 5.1. Виды диэлектрических потерь
   Различают следующие виды потерь энергии в диэлектрике:
   - потери, обусловленные сквозной проводимостью;
   - потери, связанные с поляризацией.
   - потери на ионизацию воздушных включений.
   - потери, обусловленные неоднородностью структуры.,
   Потери на сквозную проводимость значительны у материалов высокой
объемной и поверхностной проводимостью. Если конденсатор с потерями
представить параллельной, схемой замещения, состоящей из емкости С и
сопротивления RИЗ, то
                                 U
                             Ia           1
                       tgδ =    = ωC =        .
                             I p RизU  Rизω С
   Мощность потерь



   Видно, что tgδ обратно пропорционален частоте, а мощность потерь от
частоты не зависит.

   С другой стороны, т.к.             (S-площадь обкладок, d - толщина
диэлектрика), то




удельная сквозная проводимость.



                                                                     33


   Чем больше Yскв и меньше ε’, тем больше tgδ. Для хороших диэлектри-
ков потерями на сквозную проводимость можно пренебречь уже на частотах
1-100 кГц.
   Температурные зависимости tgδ и Ра описываются выражениями:



   где: А,В,b,с, - постоянные коэффициенты, зависящие от материала.
   Видно, что и tgδ и Pa с ростом температуры возрастают, что связано с
уменьшением Rиз.

   Так как            для потерь на поляризацию, то общую частотную за-
висимость ε’ и ε’’ для диэлектриков удобнее представлять в виде, приведен-
ном на рис.1.
                           ∆ ε Ι стр
              εΙ                     ∆ ε Ι рел.   Ι
                                                       ∆ε н

                                                                   Ι
                                                              ∆ε       э

                 1

                      0                                             f ,Гц
                                                              lg(f, Гц)

               ε ΙΙ



                          3-8      8-13        13-14     14-16lg(f, Гц)
                                                                   f,Гц
                                           Рис.1

     Здесь:           приращение          за счет структурной поляризации;
∆ ε ' рел - приращение      за счет релаксационных видов поляризации;
            - приращение     за счет ионной и электронной поляризаций.
   При совпадении частоты сигнала с частотой собственных колебаний ча-
стиц вещества наблюдается интенсивное поглощение энергии электрическо-


34


го поля. Потери и                    возрастают с частотой в каждом пике до тех

пор, пока поляризация успевает следовать за смещением поля. Чем больше
частота f, тем больше число переориентаций диполя, тем больше tgδ и Ра.
Когда частицы не успевают ориентироваться за полем, ε’’, tgδ падает, а
мощность потерь становится постоянной ( Pa                        = U 2ω Ctgδ , ω – растет, tgδ
– падает,     Pa = const ). Это показано на рис. 2.

   Pa                                          Pa                                Pa
   tgδ
                                                                    tgδ
                                    tgδ                               tgδ



                                                                                                       ω
                                               Рис. 2

   В температурных зависимостях tgδ и Ра имеется максимум. Например,
для силикатного стекла и бумаги такие зависимости показаны на рис. 3.

   tgδ ⋅ 10 − 5                                    tgδ ⋅ 10 − 3             для бумаги
                  для силикатного стекла
        30                                                         f = 1кГц           f = 100кГц
                                                         3

        20                                               2

        10                                               1


                                          t ,o C         − 160 − 120 − 80 − 40    0      40   80   t ,o C
                  100   200   300
                                               Рис. 3

    Графики, приведенные на рис.1, можно использовать для ориентирован-
ного предсказания частотных характеристик диэлектриков. Например, для
полиэтилена, имеющего только электронный вид поляризации, зависимость
ε' и ε" от частоты будут иметь вид, показанный на рис.4

                                                                                                            35


                 ε'


                   1


                    0                                          lg( f , Гц )

                 ε ''




                                                10 − 10
                                                  14
                                               14-16
                                                       16
                                                                lg( f , Гц )

                                       Рис. 4

   Для бумаги, у которой вероятна структурная дипольно-релаксационная и
электронная поляризации эти же зависимости будут такими, как показано на
рис. 5.
                        ε'



                          1
                           0                                 lg( f , Гц )

                        ε ''




                               3− 8   8 − 13       14 − 16   lg( f , Гц )


                                   Рис. 5
    Потери в диэлектриках с неоднородной структурой зависят от степени и
характера неоднородности. В частотной зависимости tgδ также имеется
максимум, а в температурной зависимости tgδ может быть несколько мак-
симумов. Например, для бумаги, пропитанной масляно-канифольным
компаундом в зависимости tgδ от температуры имеется два максимума, пер-
вый (-60°С) характерен для бумаги, второй (60°С) характерен для компаун-
да.
    Потери на ионизацию воздушных включений в твердом диэлектрике воз-
никают при высоких напряжениях, когда начинается их ионизация. При уве-
36


личении напряжения tgδ сначала возрастает, а затем уменьшается, когда все
молекулы уже ионизированы.

                            5.2. Пробои диэлектриков

   Нарушение электрической прочности диэлектрика в электрическом поле
называют пробоем.
   Напряжение, при котором происходит пробой, называют пробивным -
Unp, а соответствующее значение напряженности электрического поля –
пробивной напряженностью


   Пробой газов обусловлен ударной ионизацией и фотоионизацией, сопро-
вождается коронным разрядом. Пробивная напряженность зависит от хими-
ческого состава газа, температуры, давления, расстояния между электрода-
ми, от формы воздействующего напряжения. При нормальных условиях
пробивная напряженность воздуха                                  Длительность подготовки
                                                                .
пробоя газов составляет, 10-7-10-8с. Чем больше величина приложенного к
газовому промежутку напряжения, тем быстрее развивается пробой.
   Пробивное напряжение при воздействии импульсов выше, чем при воз-
действии постоянного напряжения, что оценивается коэффициентом им-

пульса                      , величина    β достигает 1,5.

   При уменьшении зазора между электродами Епр увеличивается (рис.6),
что объясняется трудностью формирования разряда.

           кВ                                     кВ
   Епр ,                                  Епр ,
           см                                     см
      60                                      10
      50
      40                                          1

      30

                10 − 1   1     10 d, см            0,1   P0 1       10 100 P, мм. рт.ст.
                         Рис. 6.                                    Рис. 7.

   График зависимости Епр воздуха от давления показан на рис.7.

                                                                                           37


   При увеличении давления от Ро уменьшается расстояние между молеку-
лами, уменьшается длина свободного пробега, Епр растет. При уменьшении
давления от Ро уменьшается число молекул в единице объема, уменьшается
вероятность столкновения атомов с электронами, Епр также растет.
   Влияние частоты f на Епр воздуха видно из рис.8.

                                кВ
                        Епр ,
                                см




                                1



                                     10 6 10 7   f , Гц
                                     Рис. 8

   С увеличением частоты до 5*106 Гц, Епр сначала уменьшается, что объ-
ясняется искажениями поля, обусловленными образованием объемных заря-
дов в воздухе и вследствие различия в подвижностях ионов и электронов.
При увеличении частот больше 5*106 Гц Епр растет, что объясняется тем,
что ударная ионизация не успевает развиваться за полупериод приложенно-
го напряжения.
   Влияние химического состава газа на пробивную напряженность видно

из следующих данных: для азота             , для гексафторида серы (эле-
газа) SF6 это отношение равно 2,5, для фреона CCl2F2 -2,6, для паров
четыреххлористого углерода – 6,4.
   На Епр также влияет степень однородности поля. В неоднородном поле
возможно возникновения коронного разряда в критических местах (между
остриями). Неоднородность поля ведет к уменьшению Епр.
   Пробой жидкостей происходит при более высоких напряженностях, чем
в газах. Пробивная напряженность сильно зависит от концентрации приме-
сей, особенно воды. Сотые доли процентов воды снижает Епр в несколько
раз. Пробой жидкостей объясняется диссоциацией молекул примесей и соб-
ственных молекул при высоких напряженностях поля, а также ударной
ионизацией.




38


              6. ОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

   6.1. Основы строения и классификация органических ди-
                       электриков
   Диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основой орга-
нических материалов служит углерод, а неорганических - кремний. Встреча-
ются также и кремний-органические материалы. Органические диэлектрики
делятся на естественные и синтетические. Это высокомолекулярные соеди-
нения- смолы. К естественным, или природным, смолам относятся кани-
фоль, шеллак, янтарь, натуральный воск, горный воск (озокерит). Канифоль
получается из соков деревьев хвойных пород, янтарь - ископаемая смола,
шеллак- отложение испражнений насекомых тропических стран.
   Синтетические смолы получаются путем химических реакций полимери-
зации или поликонденсации. Реакция полимеризации - это химический про-
цесс соединения молекул простых по составу веществ(мономеров) в
большие молекулы(полимеры) без получения побочных продуктов. Напри-
мер, этилен C2H4:




   Здесь n - степень полимеризации, т.е. число молекул мономера в молеку-
ле полимера.
   Соединения, содержащие единицы молекул мономера - газы, десятки-
жидкость, сотни- твердые вещества. С увеличением количества атомов угле-
рода увеличивается температура размягчения вещества.
   Если в реакции участвует несколько полимеров - это реакция сополиме-
ризации и получаемое вещество сополимер.
   Реакция поликонденсации - химический процесс образования высокомо-
лекулярных соединений, когда в молекулу полимера входят не все молекулы
мономера и образуется низкомолекулярные побочные продукты в виде
воды, аммиака и других. По строению молекулы полимеров делятся на ли-
нейные и пространственные. Линейные полимеры образуются. когда моле-
кула мономера имеет две реактивные точки (две свободные валентности ),
создающие связи между молекулами, как у этилена. При большом количе-
стве реактивных точек получаются пространственные полимеры. Линейные
полимеры гибки и эластичны, легко размягчаются и расплавляются при по-
вышении температуры, легко растворяются в растворителях.


                                                                      39


    Пространственные полимеры обладают большой жесткостью, плавятся
при высоких температурах, а многие из них при высоких температурах раз-
рушаются(сгорают, обугливаются), растворяются плохо, многие практиче-
ски нерастворимы. Линейные полимеры термопластичны, то есть их свой-
ства меняются при нагревании и охлаждении. Термопластичные материалы
легко перерабатываются литьем, прессованием, выдавливанием. Линейные
полимеры могут иметь аморфную структуру, а также содержать и кристал-
лическую фазу (до 90%). Материалы с кристаллической фазой теряют
способность растворяться. Пространственные полимеры термореактивны,
то есть при нагревании переходят в новое состояние.
    Полимеризационные смолы термопластичны, поликонденсационные-
бывают как термопластичными (новолак и полиамидные смолы), так и тер-
мореактивными (глифталевые, бакелитовые). Поликонденсационные смолы
полярные и гигроскопичные, полимеризационные смолы могут быть поляр-
ными и неполярными. Неполярные смолы практически не гигроскопичны.

          6.2. Неполярные высокочастотные полимеры
   Полиэтилен получается полимеризацией этилена, который извлекают из
газов, выделяющихся при переработке нефти и коксового угля. Структурная
формула этилена C2H4:




   Коэффициент полимеризации n достигает (20-35)*103 . Существуют два
способа получения полиэтилена – при высоком и низком давлении. В пер-
вом случае полимеризация происходит при температуре t = 2000C и давле-
нии P=1500 - 3000 атмосфер в присутствии катализатора. При втором спосо-
бе полимеризация происходит при давлении P=1--75 атмосфер в раствори-
теле (углеводороде) с добавлением металлоорганического катализатора,
температура t=(30-70)0C.
   Полиэтилен представляет собой белый (роговидный) материал, на ощупь
напоминает парафин, в тонких пленках прозрачен. До переработки в изде-
лие полиэтилен гранулируется. Это легкий материал, удельный вес


   При поджигании полиэтилен загорается, медленно горит синеватым пла-
менем без копоти. Полиэтилен термопластичен, температура размягчении t
= 1100C. При комнатной температуре на него не действуют ни кислоты, ни

40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика