Реферат на тему проводники, полупроводники и диэлектрики | Рефераты Физика
Скачай Реферат на тему проводники, полупроводники и диэлектрики и еще Рефераты в формате PDF Физика только на Docsity! МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ФАКУЛЬТЕТ ИиИТ Направление: Информационная безопасность РЕФЕРАТ На тему: «Проводники, полупроводники и диэлектрики» Выполнил: Студент 1 курса ИБ Магомедов А.А. Проверил: Д.ф-м.н., профессор Гусейханов М.К. Махачкала, 2019 Содержание Введение-3 1. Проводниковые материалы-3 1.1. Общие сведения-3 1.2. Медь-6 1 1.3. Алюминий-8 2. Полупроводники. Полупроводниковые приборы-9 2.1. Общие сведения-9 2.2. Полупроводниковые диоды-14 2.3. Тиристоры-18 3. Электроизоляционные материалы-20 3.1. Основные определения и классификация диэлектриков-20 3.2. Характеристики электроизоляционных материалов-22 Заключение-27 Список литературы-28 Введение В зависимости от характера действия на тела электрического поля их можно разделить на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Свойства тел и поведение их в электрическом поле определяются строением и расположением атомов в телах. В состав атомов входят электрически заряженные частицы: положительные – протоны, отрицательные – электроны. В нормальном состоянии атом электрически нейтрален, так как число протонов, входящих в состав ядра атома, равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих «электронные оболочки» атома. Электроны внешней валентной оболочки определяют электропроводность вещества. Энергетические уровни внешних валентных электронов образуют валентную, или заполненную зону. В этой зоне электроны находятся в устойчивом связанном состоянии. Чтобы освободить какой-либо электрон 2 высоких, так и при очень низких температурах, когда применение жидкостных термометров невозможно. Из понятия о проводимости проводника следует, что чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость. При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении – уменьшается. В 1911 г. Голландский физик Камерлинг-Оннес провел опыты с ртутью, которую можно получить в чистом виде. Он столкнулся с новым, совершенно неожиданным явлением. Удельное сопротивление ртути при температуре 4,2 K (около -269°C) резко упало до такой малой величины, что его практически стало невозможно измерить. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью. В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, большого числа сплавов, некоторых полупроводников и полимеров. Температура Tкр перехода проводника в сверхпроводящее состояние для чистых металлов лежит в пределах от 0,14 K для иридия до 9,22 K для ниобия. Движение электронов в металле, находящемся в состоянии сверхпроводимости, является до такой степени упорядоченным, что электроны, перемещаясь по проводнику, почти не испытывают соударений с атомами и ионами решетки. Полное объяснение явления сверхпроводимости можно дать с позиций квантовой механики. Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью пластичностью. 1.2. Медь Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов. На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород h3S, аммиак Nh4, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы. Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки МО и М1. Почти все изделия из проводниковой меди изготавливаются путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм. 5 Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ). При температурах термообработки выше 900°C вследствие интенсивного роста зерна механические свойства мели резко ухудшаются. В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07 – 0,15%, а также магнием, кадмием, цирконием и другими элементами. Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин. 1.3. Алюминий Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь. Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь. Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать. Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим путем. Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным. Таблица 1.2. Основные характеристики проводниковых материалов Материал Плот- ность, Кг/ м³٠10³ Темпера тура плавлен ия, °C Удельное электрическо е сопротивл ение при 20°C, Ом٠м٠10ˉ Средний температурн ый Коэффицие нт сопротивлени я от 0 до 100°C, 1/град Примечание Алюмини й 2,7 660 0,026–0,028 ־10³∙4 Провода, кабели, шины, 6 проводники короткозамкнуты х роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин Бронза 8,3–8,9 885–1050 0,021–0,052 ־10³∙4 Кадмиевая бронза – контакты, фосфористая — пружины Латунь 8,4–8,7 900–960 0,03–0,08 ־10³∙2 Контакты, зажимы Медь 8,7–8,9 1080 0,0175– 0,0182 ־10²∙3 Провода, кабели, шины Олово 7,3 232 0,114–0,120 ־10³∙4,4 Припои для лужения и пайки в сплаве со свинцом 2. Полупроводники. Полупроводниковые приборы 2.1. Общие сведения Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника. Типичными полупроводниками являются углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si). Германий – это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля. Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен в земной коре в виде кремнезема (двуокиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Двуокисью кремния богаты песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом. Рассмотрим подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z=14 в периодической системе Д. И. Менделеева. Поэтому в состав его 7 электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными. Рис. 2.3 При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа. Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется p-nпереходом и обладает очень важным свойством – его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника. p-n переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения p-n переходов описаны ниже. Итак, в куске монокристаллического полупроводника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n переход. На ней имеет место значительный перепад концентраций носителей зарядов. Концентрация электронов в n-области во много раз больше их концентрации в p-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в p-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем создают пространственный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок. Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается не скомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов донора. Таким образом, на границе создается двойной слой пространственного заряда (рис. 2.4), обедненный основными носителями тока. В этом слое возникает контактное электрическое поле Eк, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую. Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные 10 носители заряда p- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются. Если к p-n переходу подключить внешний источник тока, то напряжение указанной на рис. 2.5 обратной полярности приведет к появлению внешнего поля E, совпадающего по направлению с контактным полем Eк. В результате ширина двойного слоя увеличится, и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей (обратный ток Iобр). Рис. 2.4 Рис. 2.5 Рис. 2.6 При включении напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно направлению контактного поля (рис. 2.6). Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет большой прямой ток Iпр. Таким образом, p-n переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Это выражает его вольтамперная характеристика (рис. 2.7). Рис. 2.7 Когда к p-n переходу приложено прямое напряжение, то ток быстро возрастает с ростом напряжения. Когда же к p-n переходу приложено обратное напряжение, ток очень мал, быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного значения обратного напряжения Uобр, после чего резко возрастает. Это так называемое напряжение пробоя, при котором наступает пробой p-n перехода и он разрушается. Следует отметить, 11 что на рисунке 2. 7 масштаб обратного тока в тысячу раз меньше масштаба прямого тока. 2.2. Полупроводниковые диоды P-n переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления переменного тока и для других нелинейных преобразований электрических сигналов. Диод проводит ток в прямом направлении только тогда, когда величина внешнего напряжения (в Вольтах) больше потенциального барьера (в эВ). Для германиевого диода минимальное внешнее напряжение равно 0,3 В, а для кремниевого 0,7 В. Когда диод начинает проводить ток, на нем появляется падение напряжения. Это паление напряжения равно потенциальному барьеру и называется прямым падением напряжения. Все диоды обладают малым обратным током. В германиевых диодах он измеряется в микроамперах, а в кремниевых в наноамперах. Германиевый диод имеет больший обратный ток, так как он более чувствителен к температуре. Этот недостаток германиевых диодов компенсируется невысоким потенциальным барьером. Как германиевые, так и кремниевые диоды могут быть повреждены сильным нагреванием или высоким обратным напряжением. Производители указывают максимальный прямой ток, который может безопасно течь через диод, а также максимальное обратное напряжение (пиковое обратное напряжение). Если превысить пиковое обратное напряжение, то через диод пойдет большой обратный ток, создающий избыточный нагрев и выводящий его из строя. При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увеличивается, нарушая работу диода. В германиевых диодах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры, удваиваясь при повышении температуры приблизительно на 10°C. Схематическое обозначение диода показано на рисунке 2.8, p-часть представлена стрелкой, а n-часть – чертой. Прямой ток течет от части p к части n (по стрелке). Часть n называется катодом, а часть p – анодом. Рис. 2.8 Существуют три типа p-n переходов: выращенные переходы, вплавленные переходы и диффузионные переходы, которые изготавливаются по различным технологиям. Методы изготовления каждого их этих переходов различны. Метод выращивания перехода (наиболее ранний) состоит в следующем: чистый полупроводниковый материал и примеси p-типа помещают в кварцевый контейнер и нагревают до тех пор, пока они не расплавятся. В расплавленную смесь помещают маленький полупроводниковый кристалл, называемый затравкой. Затравочный кристалл медленно вращается и вытягивается из расплава настолько медленно, чтобы на нем успел нарасти 12 Рис. 2.11 Основными параметрами стабилитронов являются максимальный ток стабилизации, обратный ток и обратное напряжение. Максимальный ток стабилизации — это максимальный обратный ток, который может течь через стабилитрон без превышения рассеиваемой мощности указанной производителем. Обратный ток — это ток утечки перед началом пробоя. Он указывается при некотором обратном напряжении, равном примерно 80% напряжения стабилизации. Стабилитроны используют для стабилизации напряжения, например, для компенсации изменения напряжения линии питания или изменения резистивной нагрузки, питаемой постоянным током. На рисунке 2.12 показана типичная регулирующая цепь со стабилитроном. Стабилитрон соединен последовательно с резистором R. Резистор обуславливает прохождение через стабилитрон такого тока, чтобы он работал в режиме пробоя (стабилизации). Входное постоянное напряжение должно быть выше напряжения стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на стабилитроне равно напряжению стабилизации стабилитрона. Стабилитроны выпускают с определенным напряжением пробоя, которое называют напряжением стабилизации. Падение напряжения на резисторе равно разности входного напряжения и напряжения стабилизации. Рис. 2.12 Входное напряжение может увеличиваться или уменьшаться. Это обуславливает соответствующее увеличение или уменьшение тока через стабилитрон. Когда стабилитрон работает при напряжении стабилизации (в области пробоя), при увеличении входного напряжения через него может идти большой ток. Однако, напряжение на стабилитроне останется прежним. Стабилитрон оказывает противодействие увеличению входного напряжения, так как при увеличении тока его удельное сопротивление падает. Это позволяет выходному напряжению на стабилитроне оставаться постоянным при изменениях входного напряжения. Изменение входного напряжения проявляется только в изменении падения напряжения на последовательно включенном резисторе. Сумма падений напряжения на этом резисторе и стабилитроне равна входному напряжению. Выходное напряжение снимается со стабилитрона. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и включенного последовательно с ним резистора. Описанная цепь выдает постоянное напряжение. При расчете цепи должны учитываться как ток, так и напряжение. Внешняя нагрузка потребляет ток, который определяется её сопротивлением и выходным напряжением. Через 15 резистор, включенный последовательно со стабилитроном, протекает и ток нагрузки и ток стабилизации. Этот резистор должен быть подобран таким образом, чтобы через стабилитрон шел ток стабилизации, и он находился в области пробоя. При увеличении резистивной нагрузки, идущий через нее ток уменьшается, что должно вызвать увеличение падения напряжения на нагрузке. Но стабилитрон препятствует любому изменению напряжения. Сумма тока стабилизации и тока нагрузки через последовательно включенный резистор остается постоянной. Это обеспечивает постоянство падения напряжения на последовательно включенном резисторе. Аналогично, когда ток через нагрузку увеличивается, ток стабилизации уменьшается, обеспечивая постоянство напряжения. Это позволяет цепи поддерживать постоянным выходное напряжение при колебаниях входного. 2.3. Тиристоры Тиристоры — это обширный класс полупроводниковых приборов, используемых для электронного переключения. Эти полупроводниковые устройства обладают двумя устойчивыми состояниями, и имеют три или более p-n переходов. Тиристоры охвачены внутренней положительной обратной связью, позволяющей увеличивать амплитуду выходного сигнала путем подачи на вход части выходного напряжения. Тиристоры широко используются при управлёнии мощностью постоянного и переменного тока. Они применяются для включения и выключения мощности, подаваемой на нагрузку, а также для регулирования ее величины, например, для управления освещённостью или скоростью вращения двигателя. Тиристоры изготавливаются из кремния диффузионным или диффузионно- сплавным методом и состоят из четырех полупроводниковых слоев p-типа и n-типа, расположенных поочередно. На рисунках 2.13, 2.14 и 2.15 изображены упрощенная схема тиристора, его вольтамперная характеристика и его схематическое обозначение соответственно. Четыре слоя прилегают друг к другу, образуя три p-n-перехода. Два крайних вывода — это анод и катод, а к одному из средних слоев может быть подключен управляющий электрод. Данный тиристор не содержит управляющего электрода, и управление его открыванием и закрыванием осуществляется путем изменения приложенного к нему напряжения. Такие тиристоры называются динисторами. При указанной на рисунке 2.13 полярности приложенного к тиристору напряжения, основная его часть придется на закрытый p-n-переход 2, тогда как переходы 1 и 3 окажутся открытыми. При этом дырки, переходящие из слоя p1 в слой p2, частично рекомбинируют с электронами в слое n1 . Их нескомпенсированный заряд в слое p2 вызовет вторичную встречную инжекцию электронов из слоя n2, и электроны из слоя n2 пройдут через слой p2 в слой n1, частично рекомбинируя с дырками в слое p2. Они вызовут вторичную встречную инжекцию дырок из слоя p1. Эти явления создадут необходимые условия для развития лавинного процесса. Однако лавинный процесс начнется только при некотором достаточно большом внешнем 16 напряжении Uпер. При этом тиристор перейдет из точки A вольтамперной характеристики на участок BC (рис. 2.14), и ток через него резко возрастет. При этом, благодаря обилию зарядов в переходе 2, напряжение на нем сильно упадет (примерно до 1 В), и энергия, выделяемая в этом переходе, окажется недостаточной для развития необратимых процессов в структуре прибора. Рис. 2.13 Рис. 2.14 Рис. 2.15 Если ток через тиристор сильно уменьшить до некоторого значения Iуд (тока удержания), то тиристор закроется и перейдет в состояние с низкой проводимостью (участок ОА на рис. 2.14). Если к тиристору приложить напряжение обратной полярности, то его вольтамперная характеристика будет такой же, как у полупроводникового диода (участок OD на рис 2.14). Рассмотренный неуправляемый тиристор имеет существенный недостаток: его открывание и закрывание возможно лишь при больших изменениях внешнего напряжения и тока. Значительно чаще используют тиристоры, которые имеют управляющий электрод (рис. 2.16). Рис. 2.16 3. Электроизоляционные материалы 3.1. Основные определения и классификация диэлектриков Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводниковыми материалами диэлектрики 17 Совол и совтол – негорючие синтетические жидкости. Совол получают в результате хлорирования кристаллического вещества – дифенила. Совол представляет собой прозрачную вязкую жидкость. Совол токсичен, раздражает слизистые оболочки, поэтому работа с ним требует соблюдения правил техники безопасности. Совтол является смесью совола и трихлорбензола, вследствие чего он имеет значительно меньшую вязкость. Совол и совтол применяются для пропитки бумажных конденсаторов для установок постоянного тока и переменного тока промышленной частоты. ПЭС-Д является жидким кремнийорганическим диэлектриком и обладает повышенной нагревостойкостью и морозостойкостью. Кремнийорганические жидкости нетоксичны, не обладают коррозионной активностью. Вазелины представляют собой полужидкие массы. Применяются для пропитки бумажных конденсаторов. Высокополимерные органические диэлектрики состоят из молекул, образованных десятками, сотнями тысяч молекул исходного вещества – мономера. Полимеры могут быть природными (натуральный каучук, янтарь и др.) и синтетическими. Характерной особенностью высокополимерных материалов являются их высокие диэлектрические свойства. Воскообразные диэлектрики : парафин, церезин и другие представляют собой вещества поликристаллического строения с отчетливо выраженной температурой плавления. Электротехнические пластмассы – пластические массы (пластмассы) представляют собой композиционные материалы, состоящие из какого-либо связывающего вещества (смолы, полимеры), наполнителей, пластифицирующих и стабилизирующих веществ и красителей. По отношению к нагреву различают термореактивные и термопластичные пластмассы. Первые в процессе горячего прессования или последующего нагрева становятся неплавкими и нерастворимыми. Термопластичные пластмассы (термопласты) после нагрева в процессе прессования способны размягчаться при последующем нагревании. Электроизоляционные бумаги и картоны относятся к волокнистым материалам, получаемым из химически обработанных растительных волокон: древесины и хлопка. Электрокартоны для работы в воздушной среде обладают более плотной структурой по сравнению с картонами, предназначенными для работы в масле. Фибра – монолитный материал, получаемый прессованием листов бумаги, предварительно обработанных раствором хлористого цинка. Фибра поддается всем видам механической обработки и штамповки. Листовая фибра поддается формированию после размягчения ее заготовок в горячей воде. Слоистые электроизоляционные пластмассы – к ним относятся гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Эти материалы представляют собой слоистые пластмассы, в которых в качестве связывающего вещества применяются бакелитовые (резольные) или кремнийорганические смолы, переведенные в неплавкое и нерастворимое состояние. 20 В качестве наполнителей в слоистых электроизоляционных материалах применяют специальные сорта пропиточной бумаги (гетинакс), а также хлопчатобумажные ткани (текстолит) и бесщелочные стеклянные ткани (стеклотекстолит). Заливочные и пропиточные электроизоляционные составы (компаунды). Компаундами называются электроизоляционные составы, жидкие в момент их применения, которые затем отверждаются и в конечном (рабочем) состоянии представляют собой твердые вещества. Согласно своему назначению компаунды делятся на пропиточные и заливочные. Первые применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, вторые – для заливки полостей в кабельных муфтах, а также в корпусах электрических аппаратов и приборов (трансформаторы, дроссели и др.). Компаунды могут быть термореактивными, не размягчающимися после своего отвердения, или термопластичными, размягчающимися при последующих нагревах. К термопластичным относятся компаунды на основе эпоксидных, полиэфирных и некоторых других смол. К термопластичным – компаунды на основе битумов, воскообразных диэлектриков и термопластичных полимеров (полистирол, полиизобутилен и др. ). Широкое применение получили компаунды на основе битумов как наиболее дешевые и химически инертные вещества, обладающие высокой стойкостью к воде и хорошими электрическими характеристиками. Электроизоляционные лаки и эмали. Лаки представляют собой растворы пленкообразующих веществ: смол, битумов, высыхающих масел (льняное, тунговое), эфиров целлюлозы или композиций этих материалов в органических растворителях. В процессе сушки лака из него испаряются растворители, а в лаковой основе происходят физико-химические процессы, приводящие к образованию лаковой пленки. Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью цементации их витков, увеличения коэффициента теплопроводности обмоток и повышения их влагостойкости. С помощью покровных лаков создают защитные влагостойкие, маслостойкие и другие покрытия на поверхности обмоток или пластмассовых и других изоляционных деталей. Клеящие лаки предназначаются для склеивания листочков слюды друг с другом или с бумагой и тканями (миканиты, микаленты), а также для склеивания пленочных материалов с бумагой, картоном, тканями и для других целей. Эмали представляют собой лаки с введенными в них пигментами – неорганическими наполнителями (окись цинка, двуокись титана, железный сурик). Пигментирующие вещества вводятся с целью повышения твердости, механической прочности, влагостойкости, дугостойкости и других свойств эмалевых пленок. Эмали являются покровными материалами. По способу сушки различают лаки и эмали горячей (печной) и холодной (воздушной) сушки. Первые требуют для своего отвердения 80 – 180°C, а вторые высыхают при комнатной температуре. 21 Электроизоляционные лакированные ткани (лакоткани) представляют собой гибкие материалы, состоящие из ткани, пропитанной лаком или каким- либо жидким электроизоляционным составом. Лак или другой пропиточный состав после отвердевания образует гибкую пленку, которая обеспечивает электроизоляционные свойства лакотканям. В зависимости от тканевой основы лакоткани делятся на хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (стеклолакоткани). В качестве пропиточных составов для лакотканей применяются масляные, масляно-битумные, полиэфирные. Эскапоновые или кремнийорганические лаки, а также растворы латексов кремнийорганических каучуков или суспензии фторопластов. Липкие стеклоткани и резиностеклоткани, пропитанные термореактивными составами с повышенной липкостью, обеспечивают монолитность изоляции, выполненной из этих материалов. Основными областями применения лакотканей являются: электрические машины, аппвраты и приборы низкого напряжения. Лакоткани применяются для гибкой межвитковой и пазовой изоляции, а также в качестве различных электроизоляционных прокладок. Для изолирования лобовых частей обмоток и других токоведущих элементов неправильной формы применяют лакотканые ленты, вырезанные под углом 45° по отношению к основе лакоткани. Пленочные электроизоляционные материалы представляют собой тонкие (от 10 до 200 мкм) гибкие пленки, бесцветные или окрашенные. Применение пленочных материалов для пазовой изоляции в электрических машинах позволяет уменьшить толщину изоляции. Пленочные электроизоляционные материалы получают преимущественно из синтетических высокомолекулярных диэлектриков (лавсан, фторопласт-4 и др. ). Электроизоляционные слюды. Для электрической изоляции применяется преимущественно природная слюда. Из синтетических слюд находит применение фторфлогопит. Слюды представляют собой вещества с характерным листовым сложением. Это позволяет расщеплять кристаллы слюды на тонкие листочки – от 6 до 45 мкм и более. Из всех природных слюд в качестве диэлектриков применяются только мусковит и флогопит. Эти слюды хорошо расщепляются и обладают высокими электрическими свойствами. В электротехнике применяются следующие разновидности слюд. Щипаная слюда – тонкие листочки произвольного контура. В зависимости от площади прямоугольника, который можно вписать контур листочка, щипаная слюда делится на девять размеров. По толщине листочков щипаную слюду делят на четыре группы. Щипаная слюда применяется для изготовления клееных слюдяных электроизоляционных материалов (миканиты, микафолий, микаленты и др.). Конденсаторная слюда – листочки прямоугольной формы, получаемые штампованием (вырубкой) из пластинок слюды (полборы). Конденсаторная 22
Чем отличаются проводники от полупроводников
В электронных приборах используются самые разные материалы. Основными элементами, применяемыми для этих устройств, является проводниковая и полупроводниковая продукция. Для более эффективного их использования, необходимо точно знать, чем отличаются проводники от полупроводников. Свойства каждого элемента, применяемые в комплексе, позволяют создавать приборы, обладающие уникальными качествами и характеристиками.
Свойства проводников и полупроводников
Очень многие вещества способны проводить электрический ток. Они могут находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Основными проводниками, применяемыми в электротехнике, являются различные виды металлов или их сплавов. Они отличаются высокими качествами проводимости и удельным электрическим сопротивлением, характерным для каждого материала.
В электротехнике металлы применяются в качестве проводников, конструкционных и контактных материалов, а также для спаивания между собой любых видов проводников. Основным свойством проводников является наличие в них свободных электронов, обеспечивающих прохождение электрического тока.
К категории полупроводников относятся вещества, занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Эти границы достаточно условны, поскольку под влиянием различных факторов, полупроводники могут иметь свойства и проводников и изоляторов. Например, под влиянием низких температур, они становятся диэлектриками, а при повышении температуры, в них начинают появляться свободные носители зарядов. Это связано с тем, что при росте температуры, возрастают и колебания кристаллической решетки, разрывая определенные валентные связи и образуя свободные электроны, проводящие электрический ток.
Проводники и полупроводники: основные отличия
Для того, чтобы правильно использовать те или иные материалы в электронике и электротехнике, необходимо, прежде всего, знать, чем отличаются проводники от полупроводников. В проводниках всегда имеются свободные электроны, от которых зависит движение тока. В полупроводниках образование свободных электронов происходит только при наличии определенных условий. Это дает возможность технологического управления свободными носителями полупроводника.
Одним из основных отличий является более высокая проводимость проводников в сравнении с полупроводниками. Кроме того, если при повышении температуры проводимость полупроводника резко возрастает, то в проводнике, наоборот, происходит уменьшение этого показателя с одновременным ростом электрического сопротивления. Наличие примесей также оказывает неодинаковое действие: в проводниках они снижают проводимость, а в полупроводниках она повышается. Все эти свойства рационально используются в электронных приборах, позволяя добиваться их максимальной эффективности.
Что такое полупроводник? | Принцип полупроводника
Что такое полупроводник? | Принцип полупроводника | музей нанотехнологий| Этот веб-сайт использует файлы cookie | × |
Файлы cookie могут включать сторонние файлы cookie, которые отслеживают использование вами нашего веб-сайта. Вы можете изменить настройки других файлов cookie, кроме основных, в любое время в настройках вашего браузера.
Используя наш веб-сайт, вы соглашаетесь с нашей Политикой в отношении файлов cookie.
JavaScript отключен.
Включите JavaScript для просмотра этого контента.
Ни проводник, ни изолятор
Материалы можно разделить на три категории: проводники, пропускающие электроны, изоляторы, препятствующие прохождению электронов, и полупроводники, пропускающие электроны только при определенных условиях. Различие между ними может быть лучше всего объяснено разницей в их запрещенных зонах.
Ширина запрещенной зоны — это диапазон энергий в материале, в котором не может существовать электрон. У проводников нет запрещенной зоны, поэтому электроны могут свободно перемещаться по ним, создавая электрический ток. Металлы, включая железо, медь, серебро, золото и алюминий, являются репрезентативными проводниками. Изоляторы, такие как масло, стекло, резина и керамика, имеют большую ширину запрещенной зоны, которая препятствует потоку электронов. Полупроводники, напротив, имеют небольшую ширину запрещенной зоны, а потоки электронов и электронных дырок можно контролировать, добавляя в материал примеси.
Полупроводники N- и p-типа
Чистые кристаллы кремния и германия обладают изоляционными свойствами, и электричество почти не протекает через них даже при приложении напряжения. Это связано с тем, что их кристаллическая решетка плотно удерживает электроны на месте и с трудом позволяет им двигаться.
Однако, когда вводится очень небольшое количество примеси, такой как фосфор, она высвобождает часть электронов и придает кристаллам проводящие свойства. Полупроводники, содержащие примеси, которые производят избыточные электроны, называются полупроводниками n-типа («n» означает отрицательный), а те, которые содержат примеси, такие как бор, которые создают дефицит электронов, называются полупроводниками p-типа («p» означает положительный). В полупроводнике p-типа носителями заряда служат электронные дырки, а не электроны, которые ведут себя так, как будто текут положительно заряженные электроны.
При соединении полупроводников p-типа и n-типа составное устройство (называемое диодом p-n-перехода) создает эффект выпрямителя, при котором поток электрического тока высвобождается или прекращается в зависимости от направления электрического поля.
Транзистор: устройство для усиления электрического тока
Транзистор — это полупроводниковое устройство, используемое для усиления или переключения электрических сигналов. Название «транзистор» представляет собой сочетание слов «передача» и «резистор». Транзисторы были разработаны потому, что после того, как эффект выпрямителя был достигнут с помощью полупроводников, люди нуждались в полупроводниковом устройстве для усиления электрических сигналов для телеграфа и телефона.
Первый в мире МОП-транзистор был изготовлен в 1960 году Давоном Кангом и М.М. Аталлой в Bell Labs. МОП-транзисторы сегодня являются наиболее часто используемыми транзисторами.
Они имеют две области подложки n-типа, разделенные стенкой подложки p-типа. Когда прикладывается положительное напряжение затвора, верхняя часть подложки p-типа становится проводящей за счет индукции, снижая барьер и позволяя электронам течь между двумя клеммами n-типа. Фактически небольшие изменения напряжения на затворе усиливают изменения выходного тока.
Расширяющаяся область полупроводников
Сегодня полупроводник в широком смысле определяется как материал с электропроводностью, которую можно свободно контролировать теми или иными средствами. Другими словами, любой материал, который можно использовать в качестве транзистора, является полупроводником.
Было время, когда германий и кремний использовались исключительно как полупроводники, и только элементы 14-й группы в периодической таблице считались полупроводниками. Однако по мере развития исследований составных полупроводников и органических полупроводников определение полупроводника также изменилось и теперь включает все виды полупроводниковых материалов, а не только определенную группу элементов.
Довольно недавние дополнения к категории полупроводников включают углеродные нанотрубки, открытые доктором Сумио Иидзимой, и проводящие полимеры, открытые доктором Хидэки Сиаракавой и другими лауреатами Нобелевской премии по химии. Применение этих полупроводниковых материалов изучается исследователями по всему миру.
Что такое полупроводник?
Что такое интегральная схема (ИС)?
Что такое двоичные числа?
Что такое микропроцессор?
Что такое запоминающее устройство?
Что такое жидкий кристалл?
Что такое датчик изображения CMOS?
Что такое светодиод?
Диэлектрические материалы | Gelest, Inc.
Микроэлектроника
Диэлектрические материалы обычно называют электрическими изоляторами. Поскольку в этом тысячелетии развилась технология сверхбольшой интегральной (СБИС) микроэлектроники, потребность в специализированных материалах с (i) низкой диэлектрической проницаемостью K, а также (ii) высокой диэлектрической проницаемостью K для таких схем стала критической.
Под действием малых полей электроны довольно свободно перемещаются по проводникам, тогда как в изоляторах или диэлектрических материалах поля лишь незначительно смещают электроны из их равновесных состояний. Говорят, что небольшое смещение электронов поляризует диэлектрик. Диэлектрическая проницаемость связана как с индуцированной поляризацией, так и с постоянным диполем. В реальных приложениях диэлектрические материалы имеют широкий диапазон составов и физических форм (как видно из приведенных ниже примеров). Они являются обычными изоляторами, а также предшественниками или промежуточными продуктами для структур с точно контролируемыми диэлектрическими свойствами.
Непрерывное совершенствование устройств на интегральных схемах с целью уменьшения размера элементов и повышения скорости достигло точки, когда задержка сигнала межсоединения или задержка сопротивление-емкость становится сравнимой с задержкой затвора транзистора. В полупроводниках диэлектрик с низким значением K представляет собой материал с малой диэлектрической проницаемостью по сравнению с диоксидом кремния. Диэлектрический материал с низким содержанием калия позволяет масштабировать устройства микроэлектроники, а изолирующие диэлектрики могут приближаться друг к другу без накопления заряда и неблагоприятного воздействия на производительность устройства.
Более технологически продвинутые интегральные схемы с меньшими размерами элементов потребуют межслойных диэлектрических материалов с более низкой диэлектрической проницаемостью, чем существующий диоксид кремния, для предотвращения электронных перекрестных помех, а также для снижения энергопотребления. В результате в последние годы произошел всплеск активности по разработке вариантов с низким содержанием калия. Low-K может быть достигнут за счет увеличения пористости диоксида кремния или легирования углеродом или фтором. Силсесквиоксаны (иногда обозначаемые как POSS), которые можно рассматривать как гибрид кремнезема и органики, имеют более низкие значения K, чем SiO
Силсесквиоксаны со многими группами Si-H, например, имеют K ~2,8. Придание пористости таким силсесквиоксанам [полученным путем смешивания его с высококипящим органическим растворителем с последующим быстрым отверждением и удалением летучих веществ при высокой температуре] может обеспечить значения K от 1,5 до 2,5. Точно так же пористые метилсилсесквиоксаны использовались в качестве материалов с низким содержанием калия. Использование химически модифицированных силсесквиоксанов или сополимеров, содержащих органическую прокладку или боковую группу, которые могут подвергаться термическому разложению после отверждения с образованием пористости, также было опробовано в качестве диэлектрического материала с низким значением k.
Ожидается, что высокоэффективные диэлектрические материалы, известные как материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, будут играть все более важную роль в следующем поколении электроники и технологии сверхбольшой интегрированной (СБИС) микроэлектроники. Керамические материалы на основе диоксида кремния, такие как диоксид кремния (SiO 2 ), силикат гафния (HfSiO 4 ) и силикат циркония (ZrSiO 4 ), являются распространенными межслойными диэлектрическими материалами, используемыми в микроэлектронных корпусах высокой плотности. Титанат бария (BaTiO
Существующие диэлектрические конденсаторы имеют низкую плотность энергии как по объему, так и по массе. Ни одна современная конденсаторная технология не обладает сочетанием плотности энергии, плотности мощности и пропускной способности, необходимой для портативных импульсных систем питания, которые в настоящее время разрабатываются или планируются в будущем.
Наиболее очевидным способом увеличения плотности энергии является выбор диэлектрических материалов с максимально возможной напряженностью поля пробоя. Многие полимеры не только имеют высокие значения напряженности поля диэлектрического пробоя, но и обеспечивают дополнительное преимущество технологичности. К сожалению, диэлектрическая проницаемость полимеров относительно низка. Смешивание неорганических керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью с полимерами может привести к более высоким эффективным диэлектрическим постоянным и, таким образом, увеличить плотность энергии. Важно отметить, что модификация поверхности BaTiO3 различными органофосфоновыми кислотами приводит к лучшему диспергированию частиц BaTiO3 в полимерной матрице и, следовательно, к высокой эффективной диэлектрической проницаемости.
В области диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью крайне желательно иметь зерна керамики, состоящие из ядра практически чистого BaTiO3, окруженного оболочкой, в которой титан частично замещен другим элементом, таким как цирконий или ниобий. Локальный градиент дает распределение температуры Кюри и, следовательно, более пологие диэлектрические температурные характеристики по сравнению с чистым BaTiO3. Эти локально неоднородные керамики обычно получают путем смешивания BaTiO 3 порошка со вторым оксидом, например ZrO 2 или Nb 2
Несколько перечисленных ниже материалов являются рекомендуемыми прекурсорами с высоким значением k и обычно наносятся методом атомно-слоевого осаждения (см.
