Кристаллические полупроводниковые материалы

Некристаллические полупроводниковые материалы

16) Важнейшая область применения полупроводниковых материалов — микроэлектроника. Полупроводниковые материалы составляют основу современных больших и сверхбольших интегральных схем, которые делают главным образом на основе Si. Дальнейший прогресс в повышении быстродействия и в снижении потребляемой мощности связан с созданием интегральных схем на основе GaAs, InP и их твёрдых растворов с др. соединениями типа А^IIIВ^V. В больших масштабах используют полупроводниковые материалы для изготовления «силовых» полупроводниковых приборов (вентили, тиристоры, мощные транзисторы). Здесь также основным материалом является Si, а дальнейшее продвижение в область более высоких рабочих температур связано с применением GaAs, SiC и др. широкозонных полупроводниковых материалов. С каждым годом расширяется применение полупроводниковых материалов в солнечной энергетике. С применением в солнечных батареях некристаллических гидрированных полупроводниковых материалов связаны перспективы резкого снижения стоимости солнечных батарей. Полупроводниковые материалы используют для создания полупроводниковых лазеров и светодиодов. Полупроводниковые материалы составляют основу современных приемников оптического излучения (фотоприемников) для широкого спектрального диапазона. Полупроводниковые лазеры и фотоприемники — важнейшие составляющие элементной базы волоконно-оптической линий связи. Полупроводниковые материалы используются для создания различных СВЧ приборов (биполярных и полевых транзисторов, транзисторов на «горячих» электронах, лавинопролетных диодов и др.). Другие важные области применения полупроводниковых материалов: детекторы ядерных излучений, изготовление термохолодильников, тензодатчиков, высокочувствительных термометров, датчиков магнитных полей и др.

17) 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.

j_c - энергетический потенциал дна зоны проводимости и j_v - энергетический потенциал потолка валентной зоны. Ширина запрещенной зоны Dj_g определяется разностью j_c-j_v.

18)

19)

20)

21) повтор.

22) Медь — элемент побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко применяется человеком.

Применение

В электротехнике:

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C 0,01724-0,0180 мкОм·м), медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Например, присутствие в меди 0,02 %алюминия снижает её электрическую проводимость почти на 10 %.

23) Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Применение:

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле^[11] за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Недостатком алюминия как электротехнического материала является наличие прочной оксидной плёнки, затрудняющей пайку.

§ Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

§ Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

§ Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.

§ В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

§ Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.

§ Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.

§ Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

24) ----

25) Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляться) — структурный элемент электрической цепи, основной функциональным свойством которого является определённое (номинальное) активное сопротивление.

По характеру изменения сопротивления все резисторы подразделяются на постоянные и переменные.

По материалу токонесущей части резистивного элемента резисторы разделяют на следующие группы:

· проволочные;

· непроволочные, которые в свою очередь, делятся на проводниковые и полупроводниковые;

· металлофольговые с резистивным элементом из фольги определенной конфигурации, нанесенной на изолированное основание.

По назначениюрезисторы разделяют на следующие группы:

· резисторы общего назначения

· прецизионные резисторы;

· высокочастотные и импульсные резисторы;

· высоковольтные резисторы;

· высокомегомные резисторы;

· переменные (подстроечные и регулировочные) резисторы.

Принцип их действия основан на свойстве токопроводящих материалов с большим удельным электрическим сопротивлением оказывать сопротивление проходящему электрическому току.

26) Основные параметры резисторов:

Основными параметрами резисторов являются: номинальное сопротивление и его допустимое отклонение, номинальная мощность рассеивания, предельное рабочее напряжение, температурный коэффициент сопротивления и шумы.

Номинальное сопротивление постоянных и переменных резисторов указывает значение их сопротивления в омах, килоомах или мегаомах и проставляется на резисторах. Установлено шесть рядов номинальных значений сопротивлений: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Цифры после букв указывают число номинальных значений в данном ряду.

Допустимое отклонение сопротивления указывает на наибольшее возможное отклонение от номинального значения в сторону увеличения или уменьшения действительного значения активного сопротивления резисторов и выражается в процентах.

Номинальная мощность рассеивания указывает максимально допустимую мощность, которую резистор может рассеивать при длительной электрической нагрузке, нормальных атмосферном давлении и температуре. Непроволочные резисторы изготовляют на номинальную мощность 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 и 10 Вт, а проволочные — 0,2—150 Вт. Как показано на pисунке 2, на пpинципиальных электpических схемах номинальную мощность pассеивания обозначают условно чеpточками на изобpажении pезистоpа для мощностей менее одного Ватта и pимскими цифpами пpи мощностях, пpевышающих один Ватт. Номинальная мощность рассеивания резисторов должна быть на 20—30 % больше рабочей рассеиваемой мощности.

Рисунок 2.

Предельное рабочее напряжение — это максимально допустимое напряжение, приложенное к выводам резистора, которое не вызывает превышения норм технических условий (ТУ) на электрические параметры. Эта величина задается для нормальных условий эксплуатации и зависит от длины резистора, шага спиральной нарезки, температуры, давления окружающей среды и атмосферного давления. Чем выше температура и ниже атмосферное давление, тем выше вероятность теплового или электрического пробоя и выхода из строя резистора.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С. У непроволочных резисторов, применяемых в БРЭА, ТКС не превышает ±0,04—0,2 %, а у проволочных — ±0,003—0,2 %.

Шумы в резисторах обусловлены хаотическим движением носителей зарядов, что вызывает появление дополнительного шумового напряжения на выводах резисторов и создает помехи при прохождении сигнала. Собственные шумы резисторов бывают тепловые и токовые.

Тепловые шумы возникают под действием хаотического движения электронов в токопроводящем слое, что вызывает микроизменения сопротивления резистора и переменные пульсации напряжения в нем. С увеличением температуры резистора тепловые шумы возрастают.
Токовые шумы появляются в углеродистых, металлизированных и композиционных резисторах. С увеличением приложенного напряжения они возрастают.
Наибольшие токовые шумы создают непроволочные резисторы. Проволочные резисторы обладают лишь тепловыми шумами, гораздо меньшими, чем токовые.

27) Проводящим элементом углеродистых резисторов является пленка пиролитического углерода, в который часто добавляют до 4%бора для стабилизации характеристик резистора во времени. Такие резисторы имеют небольшой уровень собственных шумов и малый отрицательный ТКС, стойки к импульсным перегрузкам, величина их сопротивления незначительно изменяется от величины и частоты приложенного напряжения. Углеродистые резисторы изготовляются прецизионными и высокочастотными на частоты до 1 ГГц (в виде шайб, стержней, пластинок).

28) В металлопленочных резисторах проводящим элементом является пленка специального сплава из нескольких компонентов (Fe, Si, Ni, Cr) в различных процентных соотношениях. Пленка наносится на основание резистора методами вакуумного испарения или катодного распыления. По основным электрическим характеристикам металлопленочные резисторы несколько превосходят углеродистые: они более стабильны и теплостойки, имеют при одинаковой мощности рассеяния меньшие размеры. К их недостаткам относятся пониженная устойчивость к импульсным нагрузкам (из-за неоднородности токопроводящей пленки), худшие, чем у углеродистых резисторов, частотные свойства и знакопеременный ТКС.

Композиционные резисторы.

Композиционные резисторы изготавливаются на основе аморфного углерода или графита. Эти материалы легкодоступны, дешевы, легко обрабатываются, способны выдерживать высокие температуры и позволяют в зависимости от состава композиции получать широкий диапазон удельного сопротивления (от 8Ч10^-6 до 8Ч10^-5 ОмЧм при 20° C) и температурного коэффициента. Удельное сопротивление чистого аморфного углерода при нагревании до 3000° C уменьшается приблизительно на 30%. Удельное сопротивление графита в том же диапазоне температуры изменяется в пределах ±10%.

30) Проволочные резисторы начали применяться в электро- и радиотехнике значительно раньше непроволочных. И сейчас они широко применяются в низкочастотных цепях РЭА и измерительной технике. Проволочные резисторы отличаются весьма высокой стабильностью сопротивления, малым уровнем собственных шумов, высокой механической прочностью. Однако они более дорогие, имеют довольно большие габариты и массу, обладают довольно значительными величинами L_R и C_R.

Постоянные проволочные резисторы (см. кадр2) имеют каркас из изоляционного материала (керамики, пластмассы, эмалированного металла и др.), а в качестве проводящего элемента в них используются изолированные или неизолированные провода из сплавов с высоким значением r (манганина, константана, нихрома и др.) Применение манганина и константана позволяет получить ТКС, близкий к нулю. Резисторы с нихромовой проволокой по сравнению с другими проволочными резисторами более теплостойки, имеют меньшие габариты, однако обладают пониженной стабильностью.

Постоянные проволочные резисторы можно подразделить на регулируемые и нерегулируемые. Величина сопротивления регулируемых резисторов может изменяться при настройке аппаратуры в процессе изготовления или после ремонта. Намотанный на изоляционный каркас провод обычно покрывают силикатной эмалью или кремнийорганическими материалами, предохраняющими проволоку от механических повреждений и коррозии, а также улучшающими теплоотвод. У регулируемых резисторов защитный слой наносится так, чтобы оставалась продольная полоска оголенной проволоки. Перемещением вдоль этой полоски хомутика с зажимным винтом можно подбирать требуемое сопротивление.

В последние годы разработаны прецизионные постоянные проволочные резисторы на номинальные сопротивления 1 Ом...10 МОм (однослойные и многослойные) с намоткой из микропровода диаметром около 1 мкм. Они имеют стеклянную изоляцию на основе свинцово-боросиликатных стекол. В качестве материала микропровода применяются медь, серебро, никель, манганин и некоторые сплавы, причем сопротивление одного метра микропровода из этих сплавов может достигать 200 кОм.

31) Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Классификация диэлектрических материалов

По области применения все диэлектрические материалы можно разделить наэлектроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.

Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.

По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.).

Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).

В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.

Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.

32) ----

33) Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

34) Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накоплениязаряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Основные параметры

Мкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 ёмкостью 12000 мкФ x 450 В и массой 1.9 кг плотность энергии составляет 639Дж/кг или 845Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.

Полярность

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 301; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!