Кафедра НАНОЭЛЕКТРОНИКИ МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Дрозденко Алексей Александрович

Кафедра «НАНОЭЛЕКТРОНИКИ» МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Дрозденко Алексей Александрович доцент, к. ф. -м. н. , первый зам. декана Ел. ИТ

Структура предмета • Лабораторные работы (ЭТ-105), 6 х4 = 24 балов • Тесты (атестация по теор. материалу), 10 х2 = 20 балов • Посещаемость: 15 балов • ИТОГО: 59 балов (+1 бал бонус каждому). • ДСК=40 Rmax=100 б

Рейтинговые балы ECTS оценка Rmax = 100 A отлично 90 ≤ RD ≤ 100 B C хорошо 82 ≤ RD ≤ 89 74 ≤ RD ≤ 81 D E удовлетв. 64 ≤ RD ≤ 73 60 ≤ RD ≤ 63 FX неуд. 35 ≤ RD ≤ 59 F неуд. RD ≤ 34 При условии выполнения всех видов работ студент получает соответствующую оценку Студент перездает 1 -2 раза Отчисление. Повторное изучение курса

Рекомендуемая литература • 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

Материалы электронной техники Электротехнические материалы Магнитные материалы Диэлектрики Магнитомягкие Полупроводники Магнитотвердые Проводники Специальные магнитные Корпусные и специальные материалы Сверхпроводники Диамагнетики Парамагнетики Ферромагнетики

Структура H и H 2 а — простейшая планетарная модель водородного атома (пунктиром показана разрешенная, но не занятая электроном в невозбужденном состоянии атома, орбита); б — квантовомеханическая модель электронной структуры двух уединенных атомов водорода; в — квантовомеханическая модель молекулы водорода (точками показана плотность заряда электрона.

Орбиты электронов атома Н

Энергетические уровни атома Н

Размеры атомов, положительных и отрицательных ионов некоторых элементов в ангстремах.

Виды связей в веществе: ковалентная связь Ковалентная связь (атомная связь, гомеополярная связь) — связь между двумя атомами за счет обобществления (electron sharing) двух электронов — по одному от каждого атома: A· + В· -> А : В Ковалентная связь Подвиды: 1. Простая ковалентная связь (Н 2, Сl 2, Н 2 О, NH 3, CH 4, СО 2, НСl и др. ). 2. Донорно-акцепторная связь ((+)NH 4 катион аммония, (-)BF 4 тетрафторборат анион) 3. Семиполярная связь N 2 O, (-)O-(+)PCl 3

Виды связей в веществе: ионная связь Na. Cl Cs. Cl Прочная химическая связь, образующаяся между атомами с большой разностью электроотрицательностей, при которой общая электронная пара полностью переходит к атому с большей электроотрицательностью. Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). При низких температурах являются диэлектриками. При температурах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером может служить соединение Cs. F, "степень ионности" - 97%.

Виды связей в веществе: металлическая связь Особый тип связи, характерный для металлов и металлидов. Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа (воды), движутся валентные электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены. Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8). Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность.

Виды связей в веществе: связь Ван-дер-Ваальса или молекулярная связь В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности Энергия связи 0, 8 — 8, 16 к. Дж/моль. Валентные электроны становятся общими для ближайших соседних атомов (как у двухатомной модели водорода)

Кристаллические решетки • 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 • • • Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают по размерности: нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты. Дефекты существенно влияют на физические свойства кристаллов: пластичность, вязкость, упругость, спротивление. Различают вредные и полезные (примеси, дамасская сталь) дефекты.

• • • Дефекты – вакансия и междоузельный атом Вакансия (точечный дефект) - дефект кристалла, состоящий в отсутсвии атома или иона в узле кристаллической решетки. Межузельный атом или междоузельный атом — точечный дефект кристаллической решётки, атом, который занимает промежуточное положение между узлами решётки. Межузельные атомы обычно образуются в паре из вакансиями (френкелевская пара). Причиной образования такой пары могут быть тепловые флуктуации в кристалле, но особенно большое количество межузельных атомов возникает при облучении кристалла високоэнергетичными частицами, нейтронами, электронами или ионами.

Дефект - дислокація Дислокация — линейный дефект кристаллической решётки твёрдого тела, представляющий собой наличие "лишней" атомной полуплоскости. Различают краевые и винтовые дислокации. В отдельных случаях дислокации могут образовывать дислокационные петли. Краевая и винтовая дислокации

Энергетические уровни ансамлей атомов проводник диэлектрик

ДИЭЛЕКТРИКИ • 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 э. В. • На практике абсолютных диэлектриков не существует

• 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.

Диэлектрическая простоянная • Диэлектрическая постоянная – это велечина, которая показывает отношение заряда QД, полученного при определенном напряжении на пластинах, к заряду Q 0, который можно получить на этих же пластинах и при том же напряжении, но без диэлектрика (в вакууме). Материал Диэл. постоянная Вакуум 1 Воздух 1. 0005 Бумага 2 -6 Резина 5 -14 Метиловый 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 матеріалів в електричне поле вільні електрони й іони що проводяться і напівпровідникових включень починають переміщатися в межах кожного включення, утворюючи 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.

Классификация диэлектриков • Линейные • Нелинейные

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 Умова: дві протилежні грані куба з ребром а = 10 мм з діелек-тричного матеріалу з питомим об'ємним опором і питомим поверхневим опором покриті металевими електродами. Визначити струм, який протікає через ці грані при постійній напрузі U = 2 кв. 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 • • • Гігроскопічність Стійкість до нагрівання Розчинність Хімічна стійкість Світлостійкість Радіаційна стійкість

Механічні властивості діелектриків • • • Повзучість Механічна міцність Крихкість Твердість Еластичність В’язкість

Повітряні діелектрики

Рідкі діелектрики • Нафтові масла (АТМ-65, ТКп, Т 1500 У, ГК, ВГ, АГК, МВТ) • Синтетичні рідини (кремнійорганічні рідини; фторорганічні рідини; хлоровані вуглеводні) Додадкові вимоги до рідких діелектриків • стабільність в умовах експлуатації та зберігання; • сумісність з іншими матеріалами, що застосовуються; • екологічна безпека, низька в’язкість в інтервалі робочих температур. Жоден рідкий діелектрик не відповідає всім вимогам одночасно

Рідкі діелектрики

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.

Колоквіум (20 б) 1. Поляризація діелектриків, основні діелектрична проникність. 2. Пробій газоподібних діелектриків. 3. Нафтові масла і синтетичні рідини. види поляризації 1. Електропровідність діелектриків. Основні поняття. 2. Пробій рідких і твердих діелектриків. Види пробою. 3. Газоподібні діелектрики. та 1 варіант 2 варіант 1. Діелектричні втрати. Основні поняття. 3 варіант 2. Об'ємна електропровідність діелектриків залежно від агрегатного стану речовини (у газоподібних, рідких і твердих діелектриках). 3. Лакоткані і шаруваті пластики. 1. Пробій діелектриків. Основні поняття. 4 варіант 2. Види діелектричних втрат в електроізоляційних матеріалах. 3. Стекла і керамічні діелектрики.