Кафедра НАНОЕЛЕКТРОНІКИ МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ Дрозденко Олексій Олександрович

Кафедра «НАНОЕЛЕКТРОНІКИ» МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ Дрозденко Олексій Олександрович ст. викладач, к. ф. -м. н. , перший заступник декана

Структура предмету • Лабораторні роботи (ЕТ-105), 10 х4 = 40 балів • Тести (теоретична атестація), 10 х3 = 30 балів • ОДЗ, 3 -й модуль = 14 балів • Разом: 84 балів • ДСК=56 Rmax=140 б

Рейтингові бали ECTS оцінка Rmax = 140 A відмінно 126 ≤ RD < 140 B C дуж. добре 112 ≤ RD < 126 91 ≤ RD < 112 D E задовівльно достатньо 77 ≤ RD < 91 70 ≤ RD < 77 FX незадов. 49 ≤ RD < 70 F неприйнят. RD < 49 За умови виконання всіх видів навчальної роботи студент автоматично отримує відповідну оцінку (д/залік) Студент складає 1 -2 перездачі. Відрахування. Повторне вивчення курсу

Рекомендована література • І. І. Василенко, В. В. Широков, Ю. І. Василенко, Конструкційні та електротехнічні матеріали. - Львів: Магнолія 2006, 2008 – 242 с. • Богородицкий Н. П. , Пасынков В. В. , Тареев Б. М. Электротехнические материалы. – Л. : Энергоатомиздат, 1985. – 304 с. • Пасынков В. В. Материалы электронной техники. – М. : Высшая школа, 1986. – 367 с. • Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу "Матеріали електронної техніки" / Укладач Зимогляд В. І. – Суми: Вид-во Сум. ДУ, 2005. – 36 с. • http: //ftemk. mpei. ac. ru/ELTM/etm. htm • http: //ru. wikipedia. org

Матеріали електронної техніки Електротехнічні матеріали Магнітні матеріали Діелектрики Магнітом’які Напівпровідники Магнітотверді Провідники Спеціальні магнітні Корпусні та спеціальні матеріали Надпровідники Діамагнетики Парамагнетики Феромагнетики

Структура H и H 2 а — найпростіша планетарна модель атома водню (пунктиром показана дозволена, але не зайнята електроном у незбудженому стані атома, орбіта); б — квантовомеханічна модель електроної структури двох відокремлених атомів водню; в — квантовомеханічна модель молекули водню (точками показана щільність заряду электрона.

Орбіти електронів атомів Н

Енергетичні рівні атомів Н

Розміри атомів, позитивних та негативних іонів деяких елементів в ангстремах.

Види зв'язку у речовинах: ковалентний звякок Ковалентная связь Ковалентний зв'язок є формою хімічного зв'язку, характерною особливістю якого є утворення однієї чи більше спільних пар електронів, що і спричиняють взаємне притяжіння атомів, яке утримує їх у молекулі. Електрони при цьому, як правило, заповнюють зовнішні електронні оболонки задіяних атомів. Такий зв'язок завжди сильніший ніж міжмолекулярний зв'язок та порівняльний за силою чи сильніший за йонний зв'язок. Ковалентний зв'язок найчастіше виникає між неметалами, тоді як іонний зв'язок є найбільш поширеною формою зв'язку між атомами металів та неметалів. Ковалентний зв'язок – НАПРАВЛЕНИЙ!

Види зв'язку у речовинах: іонний зв'язок Na. Cl Cs. Cl Йо нний хімі чний зв'язо к, також іонний хімічний зв'язок — це тип зв'язку, при якому електрони переходять із одного атома до іншого, й основний вклад в притягання вноситься електростатичною взаємодією. Утворюється між атомами або групами атомів зі значною різницею в електронегативностях. Характерний для сполук металів з найтиповішими неметалами. Кристалічні тверді тіла, утворені завдяки йонному зв'язку, називаються іонними кристалами. Прикладом такого кристалу є кам'яна сіль Na. Cl. До йонних кристалів належать також численні оксиди (Mg. O).

Види зв'язку у речовинах: металевий зв'язок Металі чний зв'язо к — тип хімічного зв'язку, при якому валентні електрони атомів делокалізуються й стають загальною власністю усього тіла. При встановленні металічного типу зв'язку між атомами утворюється метал, в якому позитивно заряджені іони занурені в електронний газ. Незважаючи на заряджений стан іонів, взаємодія між ними екранується рухливими електронами, й не поширюється на далекі віддалі.

Види зв'язку у речовинах : зв'язок Ван-дер-Ваальса або молекулярний зв'язок Сили ван дер Ваальса слабкі в порівнянні з іншими видами електромагнітної взаємодії (енергія ван-дер-ваальсових зв'язків становить 0, 1 -2, 4 ккал/моль ( або 0, 8 — 8, 16 к. Дж/моль ), водневих зв'язків – 5 -6 ккал/моль, хімічних зв'язків – 50 -100 ккал/моль). Проте вони зумовлюють утворення молекулярних кристалів.

Кристалічні гратки • Это присущее кристаллическому состоянию вещества регулярное расположение частиц (атомов, ионов, молкул) • Возможные расположения частиц подразделены на 32 класса симметрии, объединяющие 230 пространственных групп (Е. С. Федоров)

Решетки Браве

Сингонии решеток Браве • триклинная сингония — наименьшая симметрия, нет одинаковых углов, нет осей одинаковой длины; • моноклинная сингония — два прямых угла, нет осей одинаковой длины; • ромбическая сингония — три прямых угла (поэтому ортогонально), нет осей одинаковой длины; • гексагональная сингония — две оси одинаковой длины в одной плоскости под углом 120°, третья ось под прямым углом; • тетрагональная сингония — две оси одинаковой длины, три прямых угла; • тригональная сингония — три оси одинаковой длины и три равных угла, не равных 90°; • кубическая сингония — высшая степень симметрии, три оси одинаковой длины под прямым углом.

Дефекты кристаллических решеток

• • • Дефекти – вакансія та міжвузловий атом Вакансія - дефект кристалу, що полягає у відсутності атома або йона у вузлі кристалічної ґратки. Вакансія поряд із міжвузловим атомом належать до точкових дефектів кристалічної гратки. Міжвузловий атом - точковий дефект кристалічної гратки, атом, який займає проміжне положення між вузлами ґратки. Рівноважні положення, які займають міжвузлові атоми, залежать від матеріалу й типу ґратки. Зазвичай їх буває кілька на елементарну комірку. Сусідні атоми у вузлах кристалічної ґратки дещо зміщуються, викликаючи невелику деформацію. Міжвузлові атоми зазвичай утворюються в парі з вакансіями (Френкелівська пара).

Дефект - дислокація Дислокація - неточковий дефект у кристалі, додаткова кристалічна площина, вставлена в кристалічну ґратку. Розрізняють крайові й ґвинтові дислокації, а також дислокації невідповідності. В окремих випадках дислокації утворюють дислокаційні петлі. Крайова та гвинтова дислокації

Енергетичні рівні ансамблю атомів провідник діелеткрик

ДІЕЛЕКТРИКИ • Діеле ктрики — це матеріали, в яких заряди не можуть пересуватися з однієї частини тіла в іншу (зв'язані заряди). Зв'язаними зарядами є заряди що входять в склад атомів або молекул діелектрика, заряди іонів, в кристалах з іонною ґраткою. • На практиці абсолютних діелектриків немає

• Поляризáція діелектр ична — обмежений зсув звязаних зарядів або орієнтація дипольних молекул.

Діелектрична стала • Діелектрична стала – це велечина, що показує відношення заряду Q, отриманому при певній напрузі на обкладинках конденсаторах, до заряду Q, що можна отримати на цьому ж конденсаторі і при тій же напрузі, але без досліджуваного діелектрика (у вакуумі). Матеріал Діелектрична стала Вакуум 1 Повітря 1. 0005 Папір 3 Гума 7 Метиловий спирт 30 Вода 80

• Класифікація діелектриків по виду поляризації (по механізму ). • 1. Неполярні діелектрики. Діелектрики, що не містять електричних диполів, здатних до переорієнтації в зовнішнім електричному полі. Властива електронна поляризація. Вони застосовуються як високоякісні електроізоляційні матеріали в техніці високих і надвисоких частот. До них відносять полістирол, поліетилен, бензол, повітря й ін. • 2. Полярні діелектрики. Діелектрики, що містять електричні диполі, що здатні до переорієнтації в зовнішнім електричному полі. Крім електронної спостерігають і дипольно-релаксаційну поляризацію. Знижені електричні властивості в порівнянні з неполярними і застосовуються як електроізоляційні матеріали в області низьких частот. Полівінілхлорид, епоксидні смоли, лавсан, органічне скло і ін. • 3. Діелектрики з іонною структурою. У цю групу входять тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонної і іонно-електронно-релаксаційною поляризаціями. Дві підгрупи у залежності від величини втрат електричної енергії, що витрачається на поляризацію: а) діелектрики з електронним і іонним видами поляризації, при яких втрат електричної енергії практично немає. До них відносять кварц, слюду і ін. ; б) діелектрики з електронним, іонним і релаксаційним видами поляризації, при яких маються істотні втрати електричної енергії. Наприклад, неорганічні стекла, кераміка, мікалекс і ін. • • • 4. Сегнетоелектрики. Матеріали, що володіють насамперед спонтанною поляризацією. До них можна віднести сегнетову сіль, титанат барію (Ва. ТіОз).

• 1. Електронна поляризація являє собою зсув центра заряду електронної хмари щодо центра позитивно зарядженого ядра під дією зовнішнього електричного поля, зміщенню протидіє кулонівське притягання електронів до ядра. Час встановлення електродної поляризації дуже малий (біля 10 -15 с), тому вона практично не залежить від частоти електромагнітного поля, не зв'язана з втратою енергії і не залежить від температури. Електронна поляризація спостерігається у всіх видах діелектриків. Схематичне зображення електронної поляризації: а – неполярний атом при відсутності електричного поля; б – полярний атом при дії електричного поля;

• 2. Іонна поляризація виникає внаслідок пружного зсуву зв'язаних іонів з положення рівноваги на відстань, менша постійних кристалічних ґрат. З підвищенням температури поляризація зростає, оскільки теплове розширення, видаляючи іони друг від друга, послабляє діючі між ними сили взаємодії Час встановлення іонної поляризації біля 10 -13 с. Вона, так само як і електронна, не зв'язана з втратами енергії і не залежить від частоти, аж до частот інфрачервоного діапазону. Іонна поляризація характерна для кристалічних діелектриків іонної структури з щільним упакуванням іонів. Схематичне зображення іонної поляризації. Іонна кристалічне решітка: а – при відсутності електричного поля; б – при дії електричного поля;

• 3. Дипольно-релаксаційна поляризація полягає в повороті (орієнтації) дипольних молекул у напрямку зовнішнього електричного поля. Дипольні молекули, що знаходяться в хаотичному тепловому русі, орієнтуються в напрямку зовнішнього електричного поля, створюючи ефект поляризації діелектрика. При знятті поляризація порушується хаотичним тепловим рухом молекул, а поляризація Р спадає по експонентному закону: Час - 10 -6 -10 -10 с, отже на частотах нижче 106— 1010 Гц і зв'язана з втратою енергії Схематичне зображення дипольно-релаксаційної поляризації

• 4. Іонно-релаксаційна поляризація обумовлена зсувом слабко зв'язаних іонів під дією зовнішнього електричного поля на відстань, що перевищує постійну кристалічних ґрат. При цьому виді поляризації виникають втрати енергії і поляризація помітно підсилюється з підвищенням температури. Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в неорганічних кристалічних діелектриках іонної структури з нещільним упакуванням іонів.

• 5. Міграційна поляризація обумовлена наявністю в технічних діелектриках провідних і напівпровідних включень, шарів з різною провідністю і т. п. При внесенні неоднорідних включень в електричне поле, вільні електрони та іони, переміщуючись, проводять струм і утворюють тим самим поляризовані області. Процеси встановлення й зняття міграційної поляризації порівняно повільні і можуть продовжуватися секунди, хвилини і навіть години. Цей вид поляризації звичайно можливий лише на низьких частотах. • 6. Мимовільна (спонтанна) поляризація, яка властива сегнетоелектрикам, електронно-релаксаційна поляризація й ін.

Классифікація діелектриків • Лінійні • Нелінійні

Електропровідність діелектриків • • • Струм, який супроводжує електронну й іонну поляризації, називають струмом зсуву і його миттєве значення позначають ісм. Він проходить у дуже малі проміжки часу (10 -13 -10 -15 с) і є чисто реактивним Релаксаційні види поляризації викликають струм абсорбції іаб. Наявність у діелектрику невеликого числа вільних зарядів обумовлює виникнення невеликого по величині скрізного струму іск.

Приклад задачі Условие: две противоположные грани куба с ребром а = 10 мм с диэлектрического материала с удельным объемным сопротивлением и удельным поверхностным сопротивлением покрыты металлическими электродами. Определить ток, протекающий через эти грани при постоянном напряжении U = 2 к. В. Rv Rs 1 Rs 2 Rs 3 Rs 4

Діелектричні втрати Тангенс кута діелектричних трат визначає співвідношення активної і реактивний складових струму, що проходить через діелектрик. Для найбільше широко застосовуваних електроізоляційних матеріалів значення tg(ф) = 0, 0001— 0, 01.

Види діелектричних втрат: • Втрати, обумовлені релаксаційною поляризацією, мають місце в діелектриках з дипольною структурою й у діелектриках з іонною структурою з нещільним упакуванням іонів. Tg(ф) полярних діелектриків і діелектриків з іонною структурою з нещільним упакуванням іонів залежить від температури і частоти. • Втрати, викликані ударною іонізацією, властиві пористим і шаруватим діелектрикам з газовими включеннями, а також газам при різко неоднорідних електричних полях і при напруженостях поля, що перевищують початкову крапку іонізації газу. • Іонізація газових включень особливо небезпечна для неорганічних діелектриків із закритими порами, тому що може викликати місцевий перегрів виробів і їхнє руйнування. • Втрати, обумовлені скрізною електропровідністю. Наявність наскрізного струму в діелектрику як при постійному, так і перемінній напрузі приводить до розсіювання електричної потужності.

• Пробоєм діелектрика називають явище, що приводить до втрати діелектриком його електроізоляційних властивостей з утворенням каналу високої провідності. • Значення напруженості електричного поля, при досягненні якого в діелектрику відбувається пробій, називають електричною міцністю діелектрика Еміц, a відповідне значення напруги називають пробивною напругою Uпр

Вплив зовнішніх чинників на

Фізико-хімічні властивості діелектриків 1. 2. 3. 4. 5. 6. Гігроскопічність Стійкість до нагрівання Розчинність Хімічна стійкість Світлостійкість Радіаційна стійкість

Механічні властивості діелектриків 1. 2. 3. 4. 5. 6. Повзучість Механічна міцність Крихкість Твердість Еластичність В’язкість

Повітряні (газові) діелектрики

Фторид сірки(VI) SF 6 • Як ізолятор і теплоносій у високовольтної електротехніки; • Як технологічне середовище в електронній та металургійної промисловості; • У системах газового пожежогасіння в якості пожаротушащего речовини; • Як холодоагент завдяки високій теплоємності, низькій теплопровідності і низькій в'язкості; • Для зміни тембру голосових зв'язок (ефект зниженою тональності голосу), протилежно гелію • Для поліпшення звукоізоляції в склопакетах • У напівпровідникової промисловості для травлення кремнію.

Рідкі діелектрики • Нефтові масла (АТМ-65, ТКп, Т 1500 У, ГК, ВГ, АГК, МВТ) • Синтетичні рідини • кремнійорганічні • фторорганічні • хлоровані вуглеводороди Додаткові вимоги • стабільність при використанні та збериганні; • сумсіність з іншими матеріалами пр використанні; • екологічна безпека, • низька в’язкість при низьких температурах • Жоден рідкий діелектрик не відповідає всім вимогам одночасно

Рідкі діелектрики

Нафтові масла МИНЕРАЛЬНОЕ масло! Трансформаторн Т -45 -(+140)°С; ε = 2, 0 -2, 4; tgδ = 0, 0001 -0, 01 Конденсаторне Т от -45°С; ε = 2, 1 -2, 3; tgδ = 0, 002 Кабельне (НМ-2, С-110, С-220)

Синтетичні рідини СОВОЛ – хлорований вуглеводород Т от -45°С; ε = 4, 1 -5 НЕГОРЮЧ, но ТОКСИЧНИЙ!

Синтетичні рідини Кремнійорганичні Т до +250°С; ε = 2, 5 -3, 3; tgδ = 0, 0001 -0, 0003 Фтороорганичні Т до 200°С; малая вязкость

Тверді діелектрики • Електроізоляційні полімери • Високомолекулярні сполуки: • Полімерні вуглеводні (поліетилен, поліпропілен, полістирол). • Фторорганічні полімери (фторопласти, фторлон-3, фторлон– 4, тефлон) • Кремнійорганічні полімери • (полісилоксан)

Тверді діелектрики • Поліконденсаційні синтетичні матеріали • • Фенолформальдегідні смоли (ФФ) Поліефірні смоли Гліфталеві смоли Полікарбонати Епоксидні смоли Поліаміди Поліуретани (-O-CO-NH-) Полііміди

Тверді діелектрики • Електроізоляційні лаки та компаунди • Лаки (просочувальні, покривні та клеючі, емалі ) • Компаунди (просочувальні, заливні)

Тверді діелектрики • Пластичні маси, скло, сітали та кераміка • Гетинакс (від-65°С до +120°С) • Текстоліт • Склотекстоліт (до 200°С) • Еміц=20 – 40 МВ/м, е = 5 -6.