Основные физические понятия

Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток.

Единица измерения удельного сопротивления в СИ — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².

В технике часто применяется в миллион раз меньшая производная единица: Ом·мм²/м, равная 10^-6 от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1*10⁶ Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в технике: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 кв.мм.

Величина удельного сопротивления обозначается символом ρ (ро). Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

Временное сопротивление или предел прочности — механическое напряжение σ_0(в), выше которого происходит разрушение материала. Поскольку при оценке прочности время нагружения образцов часто не превышает нескольких секунд от начала нагружения до момента разрушения, то его также называют условно-мгновенным пределом прочности, или хрупко-кратковременным пределом прочности. Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

Предел текучести — механическое напряжение σ_т, дальше которого упругая деформация тела (исчезающая после снятия напряжения) переходит в пластическую (необратимую, когда геометрия тела не восстанавливается после снятия деформирующего напряжения).

Предел текучести соответствует площадке текучести диаграммы деформирования материала. В случае, если такая площадка отсутствует, вместо σ_т используется напряжение σ_0,2 (читается: сигма ноль-два), которое соответствует напряжению, при котором остаточные деформации конструкции (пластические деформации) составляют 0,2 % от длины испытываемого образца. Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

Относительное удлинение — отношение абсолютного удлинения или уменьшения, т. е. приращения длины линейного элемента или образца или части их при растяжении, к их первоначальной длине. Измеряют в долях (в процентах).

Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела, а также свойство более твёрдого тела проникать в другие материалы. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость. Относительная — твёрдость одного минерала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная — измеряется методами вдавливания. Твердость определяют различными методами: по Виккерсу, по Бринеллю, по Роквеллу и т.д. Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

в чем измеряется / Справочник :: Бингоскул

Удельное электрическое сопротивление материала: в чем измеряется

добавить в закладки удалить из закладок

Содержание:

Сопротивлением (импедансом) в электрике называется свойство токопроводящего материала оказывать противодействие пропусканию электрического тока. Оно зависит от параметров электричества, внешних условий, состава и состояния самого проводника. Что такое удельное электрическое сопротивление материала (УСМ), как оно определяется, в чем измеряется. Разберёмся с отличиями УСМ от обычного импеданса.

Что называют удельным сопротивлением проводника

Удельное электрическое сопротивление – это дискретная величина, описывающая способность проводника противостоять пропусканию проходящей через него электрической волновой энергии. В физике оно обозначается буквой ρ, как и плотность материалов. Зависит удельное сопротивление проводника от:

• Самого вещества, из которого изготовлен проводник либо полупроводниковый материал.
• Температуры – нагрев проводников увеличивает УЭС, для полупроводников – уменьшает.
• Площади сечения проводящего материала.
• Длины полу- или проводника.

При этом считается, что габариты проводящего ток объекта не изменяются по всей его длине.

Значение, на которое снижается либо повышается удельное сопротивление, называют температурным коэффициентом удельного сопротивления, обозначается α.

Температурная зависимость для проводящих материалов объясняется повышением амплитуды колебания атомов вещества в кристаллической решётке при нагреве. Рост интенсивности колебания препятствует передачи волновой электроэнергии. В проводниках, наоборот, с ростом температуры повышается число носителей электрического заряда: дырки, электроны.

Дефекты в структуре кристаллической решётки и наличие примесей повышают ρ, например, при добавлении 1% марганца в медь удельный импеданс материала повышается втрое.

Формула вычисления удельного сопротивления 

Вычисляют УСМ по формуле:

\rho = \frac{R*S}{l}, здесь:

• R – электрическое сопротивление;
• S – поперечное сечение проводника;
• l – его длина.

Кроме закона Ома электрическое сопротивление выражают через удельное ρ:

R = \frac{ \rho *S}{l}.

Температурная зависимость УСМ описывается уравнением, актуальным и для сопротивления:

ρ = ρ₀ (1 + αt), где:

• ρ₀ – удельный импеданс при 0 °C;
• α – коэффициент УСМ;
• t – текущая температура материала. 2}{м} = Ом · м.

  В 1911 году обнаружен так называемый эффект сверхпроводимости. При охлаждении ртути до 4 К её удельный импеданс скачкообразно падает до нуля.

  Поделитесь в социальных сетях:

  14 апреля 2022, 10:15

  Физика

  Could not load xLike class!

  
  
  

  SURAGUS Все об измерении удельного сопротивления

  Обзор содержания

  Измерение вихретоковым методом | Определение | Методы | Полупроводники | Стандарты измерения | Испытательные устройства

  Измерение удельного сопротивления / проводимости с помощью вихретоковых датчиков

  Вихретоковые датчики и датчики обычно применяются для измерения проводимости и удельного сопротивления во многих отраслях промышленности. Большинство систем работают контактно, но есть и бесконтактные варианты. Вихретоковый метод используется по разным причинам, некоторые из которых перечислены ниже:

  • Высокая воспроизводимость и точность
  • Колодец автоматизируемый
  • Независимо от топографии поверхности / измерение на шероховатой поверхности
  • Контактный и бесконтактный режим (предпочтителен при постоянном расстоянии до образца)
  • Измерение через слой окисления / измерение через герметизацию
  • Легко наносимый сенсорный зонд
  • Измерение в реальном времени / сверхбыстрое (20 мс / измерение)
  • Нет или мало изнашивается
  • Большой диапазон измерения
  • Малая глубина проникновения для характеризации очень тонких материалов

  Оценка его объемной характеристики используется для получения прямой и косвенной информации от образца

  • Мониторинг состава
    • Тип материала / сортировка
    • Контроль чистоты
    • Допинг-мониторинг
  • Контроль механических свойств
    • Изменение структуры зерна
    • Изменение напряжения
    • Изменение твердости
  • Контроль дефектов
    • Трещины
    • Поверхностные дефекты, такие как коррозия/окисление

  Приборы и датчики, используемые для измерения удельного сопротивления, включают комплекты для интеграции ручных, настольных, визуализирующих и вихретоковых датчиков для автоматизированных испытательных установок.

  Типы приборов для измерения удельного сопротивления

  Определения и единицы измерения удельного сопротивления

  Электрическое сопротивление (R) — это электрическая величина, которая описывает, как материал, или группа материалов, или секция материала уменьшают протекающий через него электрический ток. Закон Ома гласит, что ток (I), протекающий по проводнику, пропорционален разности потенциалов (V), которая обратно пропорциональна сопротивлению (R). Сопротивление измеряется в омах, что обозначается греческой буквой омега (Ом). Он назван в честь немецкого физика Георга Симона Ома (1784-1854), изучавшего взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением.

  Объемное удельное сопротивление (ρ, rho) является объемным свойством, означающим, что его значение не зависит от размера или формы конкретного образца. Это зависит только от самого материала. Объемное удельное сопротивление выражает сопротивление на единицу объема образца и также называется объемным удельным сопротивлением или удельным сопротивлением. Этот термин обычно применяется для характеристики и классификации материалов. Каждый материал имеет уникальное характеристическое значение объемного удельного сопротивления. Его единица обычно указывается в [Ом∙см] или [Ом∙м].

  Поверхностное сопротивление (R _s ) или более часто используемое как поверхностное сопротивление представляет собой сопротивление на единицу поверхности образца. Сопротивление и удельное сопротивление материала связаны друг с другом через его размеры или его сопротивление для его поперечного сечения. Его можно описать как:

  Сопротивление является внешним свойством (зависит от его геометрии), тогда как удельное сопротивление является внутренним (независимым от его геометрии) свойством. Технически оба имеют одну и ту же единицу измерения — Ом. Чтобы отличить это от сопротивления, пишут Ω/□ или Ω/кв. Пожалуйста, обратитесь к нашим разделам сопротивления листов для получения дополнительной информации.

  Определения и единицы, используемые для описания электропроводности

  Электропроводность (σ, сигма) обратно пропорциональна объемному удельному сопротивлению. Ее также называют удельной проводимостью. Единицей измерения является См/см или См/м.

  Проводимость (G) является мерой того, как геометрически определенный материал (резистор) способен проводить электрический заряд при определенном напряжении. Это величина, обратная сопротивлению листа. Единицей электрического сопротивления в системе СИ является ом (Ом), а электрическое 9Проводимость 0097 измеряется в Сименсах (S), что равно 1/R.

  Методы/методы измерения проводимости и удельного сопротивления

  Измерение удельного сопротивления/проводимости методом 4-точечного зонда

  Удельное сопротивление сыпучих материалов может быть охарактеризовано методом 4PP, если толщина материала полубесконечна. Экспериментальные установки Valdes (LB Valdes , «Измерения удельного сопротивления германия для транзисторов», Proceedings of the IRE, 42(2), 420-427, 1954) показал, что если расстояние до наконечника, умноженное на коэффициент 5, меньше толщины материала, то сопротивление может быть получено без поправочных коэффициентов или с учетом толщины материала.

  Измерение удельного сопротивления/проводимости методом вихревых токов

  Подобно 4PP, вихретоковый метод также позволяет определять удельное сопротивление, если толщина образца больше, чем глубина проникновения индуцированных токов. Ключевое отличие состоит в том, что глубина проникновения токов намного меньше, чем в установках 4PP, даже если использовать очень малые расстояния между наконечниками. Глубина проникновения, то есть анализируемая область для измерения удельного сопротивления, зависит от нескольких факторов. На глубину проникновения вихревых токов в материал влияют частота вихревых токов, электропроводность и магнитная проницаемость образца. Для его теоретического расчета используется следующая формула.

  Глубина проникновения уменьшается с увеличением частоты и увеличением проводимости и магнитной проницаемости. Глубина, на которой плотность вихревых токов уменьшилась до 1/е, или около 37% от поверхностной плотности, называется стандартной глубиной проникновения (d или 1d) и используется в качестве критерия идеального измерения при исследовании сыпучих материалов. При трех стандартных глубинах проникновения (3d) плотность вихревых токов составляет всего 5% от поверхностной плотности. Более подробная информация представлена ​​в разделе «Выбор технологии».

   

  Удельное сопротивление полупроводников

  Удельное сопротивление кремниевой пластины варьируется в зависимости от типа полупроводника и уровня легирования, процесса его производства и положения пластины в слитке, а также от самой пластины. Производители десятилетиями пытаются улучшить разброс удельного сопротивления от центра к краю. Тем не менее, остаются изменения удельного сопротивления, которые можно эффективно отслеживать с помощью вихретоковой визуализации удельного сопротивления пластины. Соответствующими материалами являются моно-, моно- и поликристаллические пластины с легированием p- и n-типа, особенно в фотоэлектрической промышленности, а также пластины SiC, GaN и Si, були или слитки. Характеристика процессов включает рост/создание, имплантацию, отжиг.

  Характеристика удельного сопротивления пластин

  Пластина кремния  может поставляться в виде моно- и поликристаллических материалов без легирования или легирования p- и n-типа. На следующем графике показана зависимость удельного электрического сопротивления от концентрации легирующих элементов бора и фосфора/мышьяка в кристаллическом кремнии, где легирование бором (B) приводит к образованию легирующих примесей n-типа, а фосфора (P)/мышьяка (As) – к полупроводниковым соединениям p-типа. материал. Вихретоковые датчики используются для измерения поверхностного сопротивления пластины, тестеры PN используются для определения типа легирования, а емкостные датчики или оптические датчики используются для определения ее толщины.

  SiC как материал превосходен благодаря своим характеристикам при высоких температурах, быстрому переключению и высокому напряжению пробоя для p-n-переходов, что позволяет использовать очень компактные компоненты, использующие более высокие напряжения. Визуализация удельного сопротивления пластин SiC используется для обнаружения и описания граней материала и других дефектов, таких как дислокации. Удельное сопротивление пластин SiC может быть ниже 1 Ом·см в диапазоне до Ом·см в зависимости от уровня легирования. Металлическое удельное сопротивление достигается сильным легированием бором, алюминием или азотом. Сверхпроводимость наблюдалась в 3C-SiC:Al, 3C-SiC:B и 6H-SiC:B при температуре 1,5 К. Вихретоковые датчики используются для контроля пластин и булей.

  Пластины GaN обычно применяются для светодиодов и транзисторов. Во всем мире были предприняты большие усилия по производству GaN с помощью процессов эпитаксии на широко распространенных и недорогих кремниевых пластинах. Однако из-за сильно различающихся постоянных решетки и коэффициентов теплового расширения GaN и SiC нанесение слоев GaN является сложной задачей, поскольку они часто содержат дефекты. Визуализация удельного сопротивления поддерживает процесс характеризации по всей цепочке обработки.

  Определение удельного сопротивления слитков или блоков

  Удельное сопротивление слитков варьируется в зависимости от производственных процессов и распределения легирующих примесей в пластинчатом блоке или слитке. Существует вариант от центра к краю и сверху вниз. На доступные поверхности наносятся вихретоковые датчики для контроля изменения. Хорошие свойства поверхности способствуют хорошему измерению.

  Характеристика SiC Boule

  Довольно новым применением является определение характеристик SiC Boule с помощью бесконтактных вихретоковых датчиков. Удельное сопротивление SiC выявляет изменения чистоты и зернистой структуры. Вихретоковые датчики используются для анализа состава, структуры и зон дислокаций SiC, а также для обнаружения дефектных зон и оценки плотности дефектов. Кроме того, изображения электрического импеданса с помощью высокочастотных вихретоковых датчиков показывают эффективность процессов имплантации и показывают количество последующих процессов отжига для активации имплантатов и показывают дальнейшие изменения материала, связанные с температурой.

  Характеристика графена

  Графен как материал с одним углеродным (C) слоем широко исследовался благодаря его глубоким электрическим, механическим и оптическим свойствам. Высокая проводимость графенового слоя обеспечивает большой потенциал применения во многих аспектах электронных устройств. Наиболее многообещающее применение графена на данный момент состоит в том, чтобы стать хотя бы частично возможной заменой кремния, производя ультраминиатюрные транзисторы, которые будут использоваться для производства процессоров для будущих суперкомпьютеров, которые будут работать в сотни раз быстрее благодаря применению графена. Есть много важных свойств графенового слоя. Поверхностное сопротивление и проводимость отражают не только электрические характеристики, но и качество образцов графена. Электрическая однородность является отличным показателем, характеризующим производительность производственного процесса. Бесконтактные системы SURAGUS используются для измерений различных типов графена. Их предполагаемые значения поверхностного сопротивления варьируются в зависимости от масштаба, процессов изготовления и подложек графеновых образцов, которые будут применяться в различных областях промышленности.

  Материалы

  Полный список материалов, включая металлы, сплавы и полупроводники, а также их соответствующие сопротивления и проводимости, можно найти в нашей базе данных материалов.

  Стандарты измерений

  • SEMI M87 — Метод испытаний для бесконтактного измерения удельного сопротивления полуизолирующих полупроводников
  • SEMI MF673 — Метод испытаний для измерения удельного сопротивления полупроводниковых пластин или поверхностного сопротивления полупроводниковых пленок с помощью бесконтактного вихретокового датчика
  • ASTM F84-02 — Стандартный метод испытаний для измерения удельного сопротивления кремниевых пластин с помощью встроенного четырехточечного датчика (отозван в 2003 г. без замены)

  Приборы для испытаний / Системы измерения удельного сопротивления / проводимости / Оборудование / Устройства

  Институты и производственные предприятия применяют испытания удельного сопротивления в самых разных целях с очень разными требованиями к количеству испытаний в день, плотности точек измерения и степени автоматизации.

  Доступны следующие серии устройств.
  • Портативный
  • Одна точка
  • Визуализация
  • Встроенный / Встроенный инструмент
    • Встроенный статический одиночный/мультисенсорный датчик
    • Линейное перемещение
    • Интеграция робота/инструмента

  Метод удельного электрического сопротивления – анализ недр

  Целью метода удельного электрического сопротивления (как и всех геофизических методов) является получение информации о недрах. Как следует из названия, в методе удельного электрического сопротивления мы получаем эту информацию путем измерения и интерпретации электрических свойств недр.

  Это включает следующие этапы:

  1. Измерение удельного электрического сопротивления подповерхностного слоя в различных местах с помощью специального прибора (измерителя удельного сопротивления)
  2. Преобразование этих измерений в одномерное, двухмерное, трехмерное или четырехмерное распределение электрических свойств недра и
  3. Интерпретация этого распределения в контексте определенных вопросов.

  Поскольку удельное электрическое сопротивление является функцией различных свойств недр (таких как пористость, насыщенность, химический состав воды, литология, биогеохимические процессы и температура), электрическое сопротивление является очень универсальным методом.

  Стандартным методом измерения удельного электрического сопротивления является измерение с четырьмя электродами, в котором мы используем два токовых электрода и два потенциальных электрода. Такое измерение схематично показано на рисунке ниже.

  При измерении с четырьмя электродами мы прикладываем напряжение постоянного тока к двум электродам (известным как токовые электроды). Это создает ток и связанное с ним потенциальное поле в недрах. Теперь мы можем измерить как ток между токовыми электродами, так и электрический потенциал на двух других электродах (потенциальных электродах). Из тока (в амперах) и потенциала (в вольтах) мы можем рассчитать так называемое передаточное сопротивление по закону Ома (R=V/I).

  Это сопротивление переносу является функцией электрических свойств подповерхностного слоя и геометрии электрода.

  По разным причинам на практике обычно собирают и усредняют данные за несколько циклов, в которых (как показано на рисунке ниже) меняется полярность напряжения, подаваемого на токовые электроды. Обычно этот цикл будет включать период, в течение которого ток не подается. Ток и результирующее напряжение измеряются для каждого цикла и усредняются или складываются для получения единого измерения. Таким образом, он состоит из тока (данного в Амперах, А) и соответствующего измеренного напряжения (данного в Вольтах, В). Обратите внимание, что, как показано на рисунке справа, это измерение также может иметь часть, вызванную поляризацией (в результате того, что земля действует и как проводник, и как конденсатор).

  Измерения удельного сопротивления чувствительны к распределению удельного электрического сопротивления в объеме под землей. Размер и форма этого объема зависят как от геометрии электрода, так и от значений удельного электрического сопротивления подповерхностного слоя.

  Например, если у нас есть очень проводящий слой в верхнем метре земли, то большая часть тока будет направляться в этот слой, и мы будем менее чувствительны к более глубоким слоям. В целом наши измерения будут более чувствительными к свойствам вблизи электродов. Мы можем численно рассчитать размер и форму чувствительного объема. Подробное техническое обсуждение этого типа анализа можно найти в статье Алекса Фурмана 2003 года в журнале Vadose Zone.

  Из приведенного выше рисунка видно, что сопротивление переносу зависит как от свойств подповерхностного слоя, так и от геометрии электрода. Принимая во внимание геометрию электродов, мы можем рассчитать геометрический коэффициент K (см. рисунок ниже), который можно использовать для расчета так называемого кажущегося сопротивления ρ _a (которое выражается в Ом·м). Кажущееся удельное сопротивление широко используется для визуализации, поскольку оно позволяет легко сравнивать измерения, выполненные с разным расстоянием между электродами. Обратите внимание, что (по историческим причинам) токовые электроды часто обозначаются как A и B, а потенциальные электроды — как M и N.

  Целью метода удельного электрического сопротивления является определение объемного распределения электрических свойств недр. Для этого нам нужно провести несколько измерений с разными комбинациями электродов. Для этого был разработан ряд стандартных геометрий, которые обычно встречаются. Подробная информация об этих геометриях и сборе данных представлена ​​здесь.

  Существует три взаимосвязанных метода, в которых мы используем гальванически измеренные (т. е. посредством контакта электрода с почвой) электрические свойства недр, которые обычно встречаются. Описанный здесь метод (и основное внимание в учебнике) является наиболее распространенным, и его обычно называют методом удельного электрического сопротивления. Двумя другими являются метод собственного потенциала и метод комплексного сопротивления или метод вынужденной поляризации. В методе собственного потенциала мы измеряем естественный потенциал.