Алюминий Al

Лёгкий металл, сально активен, но защищён оксидной плёнкой Al₂O₃.

По техническим свойствам алюминиевые сплавы делятся на 2 группы:

1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой (зерновая структура).

2. Деформируемы сплавы, упрочняемые термической обработкой.

3. Литейные сплавы.

Методами порошковой металлургии изготавливаются так называемые спеченые алюминиевые сплавы (САС) и спеченые алюминиевые порошковые сплавы (САП).

К первой группе относятся сплавы алюминия с марганцем – АМЦ; с магнием – АМГ. Это мягкие, гибкие сплавы, хорошо обрабатываются давлением, обладают повышенной коррозионной устойчивостью, свариваются.

Ко второй группе относятся: дюралумины – сложные многокомпонентные сплавы: Al-Cu-Mg; Al-Mg-Zn-Cu.

Эти сплавы по сравнению с предыдущими обладают меньшей коррозийной стойкостью, для увеличения которой нередко к ним добавляют марганец. Жёсткие, плохо обрабатываются давлением и после изготовления детали подвергаются закалке при 500°С, что способствует их упрочнению. Суть упрочнения сводится к образованию под действием тепла так называемых s-фазы (Al₂CuMg) и t-фазы (Al₂Mg₃Zn₃)/

К третьей группе относятся сплавы алюминия с кремнием – силумины. Они очень жёсткие, практически не обрабатываемые механическим образом, допускают только шлифовку, но при этом хрупкие. Для увеличения прочности добавляют магний Mg , медь Cu. Маркируются АЛ2…20.

 

Неметаллические конструкционные материалы

(Материал по данному разделу рассеян по всему курсу лекций)

Диэлектрические слоистые материалы самостоятельно.

Биоматериалы и основные определения.

ИМПЛАНТ- это изделие из биосовместимого материала, которое вводится в организм хирургическим путём для замены какого либо органа или его части и выполняет, утраченную этим органом функцию. Титановые суставы, пластины

ПРОТЕЗ- это мех приспособление, заменяющие отсутствующие сегмента конечностей и др частей тела, а так же окружающие ткани для обеспечения косметического и функционального восполнения дефекта.

ЛОСКУТ- это участок тканей, имеющих определенную площадь при относительно не большой толщине , отделенной от тела оперативным путем с сохранением кровоснабжения.

ТРАНСПЛАНТАТ- участок собственных или изъятых из другого организма тканей, полностью отделённый от донорского ложа с утратой кровоснабжения.

ПОЛИМЕР-Высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой от несколько тысяч до миллионов, в котором атомы, соединённые хим связями, образуют линейные или разветвленные и пространственные трехмерные структуры.

БИОПОЛИМЕР- класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящий в состав живых организмов: белки, нуклеиновое кислоты, полисахариды.

БИОМАТЕРИАЛ- любой широко используемый биоматериал. Различной природой происхождения.

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОМАТЕРИАЛОВ:

по происхождению различают 4 группы:

1.аутоматериалы( из собственных тканей организмы)

2.Алломатериалы ( из тканей организма одного биологического вида)

3.Ксеноматериалы (из тканей другого биологического вида)

4.Гетероматериалы (чужеродные материалы: а)полимеры, б)металлические, в) керамические и стеклянные

ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ :

1. без нарушения целостности тканей (каттеторы,)

2.хирургические

3. все оставшиеся

ПО СТРУКТУРЕ:

1.твердые

2.жидкие( галогены, силиконы

ПО ВЗАИМОДЕИСТВИЮ С ТКАНЯМИ:

1. Биоинертные

2. Биоактивные

3. Рассасывающиеся

Аутоматериалы:

Кожные ростки, мышечный апоневроз, подкожные вены.

Алломатериалы:

Твердая мозговая облочка, трупный перикард

Ксеноматериалы:

Бычий перикард, свиной калоген.

Рассасывающиеся полимеры:

Полиглюголевая кислота, полилактогликолевая кислота.

Нерассасывающиеся полимеры:

Дексон, силастик, капрон, полиуретан, силикон и т.д.

Металлические:

Титан, сталь, никель.

Подробнее извлечь из литературы.

Свойства радиоматериалов

Выбор материала для конкретной задачи в первую очередь определяется совокупностью его электрических, механических, магнитных и физико-химических свойств. Количественно эти свойства оценивают с помощью величин, называемых характеристиками материала.

Механические (прочностные) свойства определяются механическими характеристиками:

· - предел прочности на растяжение, Н/м²;

· - предел прочности на сжатие, Н/м²;

· - предел прочности при статическом изгибе, Н/м²;

· - относительное удлинение при растяжении, %;

· а – ударная вязкость, Дж/м².

 

Электрические свойства определяются электрическими характеристиками:

· ρ – удельное сопротивление, Ом·м;

· ТКρ – температурный коэффициент удельного сопротивления, ед.

;

· γ – удельная проводимость, См/м

;

· ε – диэлектрическая проницаемость, ед.;

· ТКε – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, 1/град;

· tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь, ед.;

· Е_ПР – электрическая проницаемость, В/м.

 

Тепловые свойства определяются тепловыми характеристиками:

· Т_ПЛ – температура плавления, °С, К;

· температура размягчения;

· ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения, 1/град;

· λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·град;

· теплостойкость (статическая характеристика);

· нагревостойкость (динамическая характеристика);стекло-ненагревостойкий метариал

· холостойкость (характеристики определяются в пределах каких-либо температур).

 

Физико-химические свойства определяются физико-химическими характеристиками:

· ω – водопоглощаемасть, г/дм²;

· υ – гигроскопичность, г/дм³; сколько воды поглащает еденица объема

· тропическая стойкость (устойчивость к комплексному воздействию высоких температур, влажности, биологическому, химическому составу атмосферы);

· радиационная стойкость. при повышении радиации полупроводниковая техника не работает.

Числовые значения перечисленных выше характеристик представляет собой комплекс свойств данного материала и служат основой для его выбора.

 

Согласно электрическим и магнитным характеристикам все радиоматериалы можно разделить на 4 группы:

Проводники (ρ < 10^-5 Ом·м)

Полупроводники (10^-5 < ρ <10⁷ Ом·м)

Диэлектрики (ρ > 10⁷ Ом·м)

магнитные материалы

Но отнесение материала к той или иной группе на основании численного значения какого-либо параметра (ρ, например) будет неверным, так как при этом не учитывается физическая природа электропроводности материала (вид носителей заряд, реакция материала на внешние воздействия и т.д.).

В зависимости от структуры и внешних условий удельное сопротивление может меняться. Например, слоистая аллотропная модификация углерода (графит) – проводник, природная алмазная модификация – диэлектрик, искусственная – полупроводник. Классические полупроводники кремний и германий при комнатной температуре – полупроводники, при 0 по Кельвину – стопроцентные диэлектрики, а в сумме с механическим давлением – сверхпроводники.

Для отнесения материала в ту или иную группу необходимо учитывать реакцию на внешнее воздействие.

Проводники – материалы (чаще всего металлы), обладающие высокой электропроводностью, которая обусловлена большим количеством свободных электронов и характеризующиеся отрицательной реакцией удельной проводимости на повышение температуры и легирование.

Т.е. если сопротивление увеличивается с повыш температуры и с примесями-это металл.

Полупроводники – материалы, с электронной проводимостью, обладающие меньшей электронной проводимостью, чем проводники, при этом характерна сильная положительная зависимость электропроводности от воздействия внешних энергонесущих факторов. Пример: тепло, свет, давление, поля-т.е. все что несет энергию. Т.е. если при нагреве сопротивление уменьшается, и при легировании увеличивается проводимость- полупроводник

Диэлектрики – вещества, обладающие весьма малой электронной проводимостью вследствие большой энергии ионизации атомов. Для них также характерна положительная реакция электропроводности на воздействие внешних энергонесущих факторов, но мало заметная.

Магнитные материалы – вещества, которые под воздействием внешнего магнитного поля способны намагничиваться (то есть приобретать магнитные свойства), при этом магнитными материалами могут быть и проводники, и полупроводники, и диэлектрики.

20 марта 2013 г.

Общие закономерности токопрохождения в радиоэлектронных материалах

Основы зонной теории твёрдых тел

ОРБИТАЛЬ- область в пространстве, в которой нах электрона равно вероятно. Электрон лучше представлять как эл облако, которое сконцентрировано вокруг ядра атома. Причем чем дальше от ядра, тем энергия электрона больше. Электроны могут изменять энергию : они получают и отдают. Отдавая, перемещаются на ниже расположенные обитали. При этом энергия не сплошная, она квантована. Электроны не способные оторваться, находятся в потенциальной яме. Верхняя эл оболочка атома называется ВАЛЕНТНОЙ. В атоме одинаковую энергию могут иметь не более двух электронов.

 

Сущность зонной теории сводится к тому, что каждый электрон в одиночном возбужденном атоме находится на определённом дискретном энергетическом уровне, так как энергия квантована.

Электроны располагаются вокруг атома в оболочках, которые состоят из электронов с близкими энергиями. Чем дальше от ядра атома оболочка, тем энергия электрона больше. Самая удалённая оболочка атома называется валентной: в ней находятся электроны, имеющие максимально возможную для данного атома энергию (для связанных электронов). Электроны могут изменять свой энергетический статус: приобретать и терять энергию, переходя при этом из одной электронной оболочки в другую. Электроны могут иметь энергию и большую, чем в валентной оболочке, но при этом они становятся свободными от влияния ядра атома и способными к перемещению в объёме вещества.

 

Рисунок 8.

 

Постулаты зонной теории

I Связанные электроны находятся в потенциальной яме атома.

II Электроны имеют дискретный спектр энергий.

III На каждом энергетическом уровне может одновременно находиться не более двух электронов с разными спиновыми моментами.

Картина, представленная на рисунке 8, деформируется при объединении атомов в кристалл.

 

 

Рисунок 9

При объединении в пласты происходит след явление : во-первых, барьеры потенц ям соседних атомов могут частично перекрываться. Потенциальные барьеры понижаются, это обусловлено взаимодействием двух эл оболочек. Электронные оболочки двух соседних атомов частично перекрываются .Это приводит к тому, что образуется некая область пространства, в которой одновременно присутствуют уже не два электрона с одинаковыми энергиями, а в двое больше. А это противоречит природе вещества

 

После сближения отдельных атомов на расстояние межатомного взаимодействия образуется потенциальная диаграмма со слитыми и пониженными границами потенциальной энергии между соседними атомами.

Если температура кристалла не рана 0 К, то расстояние между атомами постоянно изменяется, то есть, атомы колеблются. Поэтому в каждый фиксированный момент времени немного отклоняется от изображённой на рисунке 9. При сближении атомов энергия потенциального барьера между ними понижается, а при удалении – повышается. При образовании кластера, состоящего из двух атомов, электронные оболочки этих атомов взаимодействуют между собой, частично перекрываются, при этом фактически возникает ситуация, когда в одной точке пространства находятся уже не 2, а 4 электрона с одинаковой энергией, что противоречит постулату III. Следовательно, при образовании кластера каждый энергетический уровень расщепляется на 2 близко лежащих по оси энергии подуровня. При присоединении третьего – на 3, и так далее. Если мы имеем 1 см³ кристаллического вещества, то каждый энергетический уровень будет расщеплён 10²² – 10²³ подуровней (по числу атомов), расстояние между ними находится в пределах 10^-16 – 10^-25 эВ.

[ 1 электрон-вольт – энергия, необходимая для перемещения 1 электрона в электрическом поле с напряжённостью 1 вольт]

Энергия 10^-25 эВ пренебрежимо мала, поэтому считается, что в кристалл каждый энергетический уровень расщепляется в квазисплошную(потому что энергия сохраняет дискретность) разрешённую для пребывания электронов энергетическую зону.

 

Рисунок 10.

 

 

Рисунок 11.

 

Расслоение эн уровней валентной оболочки приводит к образованию валентной энергетической зоны твёрдого тела. Ниже валентной и выше запрещённой тоже есть разрешенный зоны.

Уровень Ферми – это верхний заполненный электронами энергетический уровень при 0 кельвина .Показывает, сколько электронов в данном веществе. Если кол-во уменьшится, уровень Ферми понизится.

ПЕРЕХОД ЭЛЕКТРОНА ИЗ ВАЛЕНТНОЙ ЗОНЫ В ЗОНУ ПРОВОДИМОСТИ- приобретение энергии.

 

Условия возникновения и понятие об активационном характере токопрохождения.

Существует две причины возникновения макротоков в материалах:

1. Градиент потенциала ;

2. Градиент концентрации .

В соответствии с этими причинами электрический ток, возникающий под действием градиента потенциала называется дрейфовым, по действием концентрации – диффузионный.

Условия, необходимые для возникновения макротоков:

1. Наличие свободных носителей заряда: электронов, ионов, активных в зарядовом отношении радикалов.

2. Способность носителей заряда к перемещению, то есть подвижность.

Как для образования свободного носителя заряда, так и для начала его движения требуется какая-то энергия, причём всегда. Принято различать эти энергии: энергия, необходимая для образования одного свободного носителя заряда – энергия активации носителя заряда; энергия, необходимая для перемещения – энергия активации подвижности.

В том случае, если величина этих энергий пренебрежимо мала, говорят, что имеет место безактивационный механизм образования носителей заряда и подвижности (электропроводности)

 

Материалы	Механизм образования	Механизм подвижности
Металлы	безактивационный	безактивационный
Полупроводники	активационный	безактивационный
Диэлектрики	активационный	активационный
Электролиты	безактивационный	активационный

 

Чисто безактивациооный механизм электропроводности имеют только металлы. Остальные классы веществ имеют электропроводность активационного типа.

Не вдаваясь в механизм движения носителей заряда, очевидно 6электрический ток равен произведению числа носителей заряда на их подвижность: .

 

Подвижность носителей заряда.

В соответствии с существующими причинами возникновения электрического тока, различают дрейфовую и диффузионную подвижности.

- дрейфовая подвижность – скорость направленного движения носителя заряда в результате воздействия на него внешнего электрического поля с напряжённостью 1В/см. Размерность.

- диффузионная подвижность – скорость направленного движения носителя заряда под действием единичного градиента концентрации. Размерность .

Рассмотрим, как зависит подвижность от атомарной структуры вещества (материала) и характера токопрохождения. Для описания дрейфовой подвижности применимы две модели: пролётная и прыжковая.

Пролётная модель применима к веществам, для которых существует понятие длины свободного пробега. Графически можно представить

 

 

Рисунок 12.

 

В движении электронов при наличии Е≠0 возникает отклонение от прямолинейности движения – параболическая траектория движения. При этом очевидно, что направленность всему движению придаёт именно это отклонение в сторону действия электрического поля.

Для дальнейшего изучения нам потребуются следующие понятия:

· длина свободного пробега λ;

· средняя скорость теплового движения

· средняя скорость направленного движения

Допущение: энергия направленного движения носителя заряда гораздо меньше тепловой энергии:

.

Следовательно , то есть мы говорим о слабых электрических полях.

Согласно допущению очевидно, что

,

то есть приращение скорости, обусловленное действием электрического поля, незначительно.

Для расчёта подвижности необходимо оценить расстояние, которое носитель заряда проходит за одну секунду.

Среднее время пролёта между соударениями

.

Тогда количество соударений в 1 секунду

.

За время свободного пролёта носитель под действием электрического поля направленно смещается на расстояние N₁:

, где а – коэффициент, .

.

Учитывая элементарных перемещений в одну секунду можно сказать, что

,

,

, .

Поскольку

,

итоговое выражение для подвижности примет вид:

.

Из него следует два вывода:

1. Дрейфовая подвижность не зависит от величины напряжённости электрического поля.

2. Истинная скорость носителя заряда при любых напряжённостях может быть определена по формуле:

.

Данное выражение является проявлением закона Ома для микромира.

 

Прыжковая модель

Применима для описания движения носителей заряда, при котором теряет смысл понятие длина свободного пробега.

 

 

Рисунок 13.

 

Как и в предыдущей модели, введём ограничение:

, что говорит о том, что модель справедлива лишь для малых электрических потерь.

1. Электрическое поле не способно непосредственно перенести носитель заряда из одного положения в другое.

2. Электрическое поле только нарушает симметрию потенциальных диаграмм. Следовательно, вероятности нахождения заряда в различных положениях различны.

3. Носитель заряда совершает колебательные движения в положении равновесия с частотой и только благодаря тепловой флуктуации способен приобрести энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера, то есть для перехода из одного равновесного состояние в другое.

4. Направленное движение будет обусловлено неодинаковой частотой прыжков вправо и влево, что обусловлено разной высотой энергетических барьеров.

Влево: , вправо: . Из этого следует, что скорости перемещения вправо и влево и будут различными и очевидно, что скорость направленного движения будет представлять собой сумму этих скоростей:

.

Оценим её величину. Носитель заряда совершает колебаний в одну секунду, то есть принимает попыток преодолеть барьер. Обозначим и - число удачных попыток преодолеть соответственно правый или левый барьер.

;

.

Тогда разница определит количество элементарных шагов направленного движения носителя в единицу времени:

.

Необходимо разложить полученное выражение в ряд. Используем допущение, которое мы приняли в начале – о малости энергии электрического поля и разложим экспоненты в ряд с ограничением двумя членами разложения:

.

Поскольку величина каждого шага составляет b, то скорость насителя

.

27.03.13 г.

 

 

.

Из полученной зависимости можно сделать выводы:

1. Скорость направленного движения (подвижность) не зависит от напряжённости электрического поля.

2. Истинная скорость вычисляется по формуле:

.

 

Диффузионная подвижность носителей заряда.

Предположим, что в материале искусственно поддерживается градиент концентрации вида:

 

 

Рисунок 14.

 

Возникает поток Z.

,

где D – коэффициент диффузии, . Знак минус в выражении говорит о том, что диффузия идёт в сторону уменьшения концентрации.

Отсечём на графике слой вещества с толщиной 1см и со средней концентрацией носителей заряда N и введём понятие средней диффузионной скорости носителя:

;

;

;

.

Из полученной зависимости можно сделать вывод:

В отличии от дрейфовой подвижности, диффузионная зависит от причины, вызывающей направленное перемещение носителей заряда, то есть от концентрации. Чем меньше концентрация, тем скорость диффузионного движения больше.

 

Количество носителей заряда.

Для безактивационного механизма образования носителей заряда, который имеет место в металлах и электролитах. Энергия, необходимая для активации, мала (10^-19эВ). Поэтому в них число носителей заряда определяется в основном количеством атомов в единице объёма.

Что касается активационного механизма образования носителей заряда, то здесь существует другая система подсчёта, которая опирается на квантовую статистику. Предположим, что для образования носителей необходимо затратить энергию . Количество нейтральных атомов и молекул, которые могут быть превращены в ионы составляет N₀ в 1см³. Тогда без учёта процесса гибели носителей заряда число атомов, которые могут претерпеть акт ионизации N будет определяться:

, где А – коэффициент пропорциональности, зависит от материала (1…3).

;

.

Рисунок 15.

 

Возьмём на этой прямой 2 точки

;

; ;

.

 

Зависимость изменения концентрации носителей заряда от температуры, построенная в логарифмических координатах, определяет величину энергии ионизации данного материала через угол наклона данной прямой.

[Для полупроводников - ширина запрещённой зоны]

 

Вывод основного уравнения электропроводности вещества.

Макроскопический подход

Рассмотрим опыт по схеме, изображённой на рисунке 16.

 

Рисунок 16.

 

, где R – коэффициент пропорциональности сопротивления цепи.

Из опыта известно:

, где - коэффициент пропорциональности, удельное сопротивление.

Введём искусственно ещё одну величину:

- удельная проводимость.

Вывод: R, и - экспериментально измеряемые величины опыта, которые не дают представления о природе токопрохождения и не раскрывают взаимосвязь между величиной тока и структурой вещества.

.

Микроскопический подход

Рассмотрим процесс прохождения тока с молекулярно-атомарной позиции.

 

 

Рисунок 17

 

 

Предположим, что в 1 см³ данного проводника находится N носителей заряда. Они перемещаются по проводнику со средней скоростью направленного движения . При этом очевидно, что в течении одной секунды через любое сечение проводника пройдёт количество зарядов, находящееся с объёме между двумя сечениями, отстоящими друг от друга на расстояние, равное .

 

.

Согласно результатам, полученным в разделе, посвящённом подвижности, -

- основное уравнение электропроводности вещества.

В этом случае, если в материале имеется не один тип носителей заряда, а n –

.

3.04.13г.

Материалы электронной техники.

Проводящие материалы (проводники)

В настоящее время не существует общепринятой классификации проводниковых материалов. В физике, химии и технике проводящие материалы (как и все другие) классифицируются по различным признаками.

Приведём одну из возможных классификаций по нескольким признакам: состав, функции, проводимость.

Далее эти группы можно разбить на более мелкие, используя другие признаки классификации.

Механизм прохождения тока по поверхности проводника обусловлен движением собственных электронов (для металлов), следовательно, проводники являются материалами с электронной проводимостью (первого рода). Проводниками второго рода называются электролиты, представляющие собой растворы кислот и щелочей.

Электропроводность металлов обусловлена наличием большого числа свободных электронов. Согласно классической теории Друде-Лоренца, электроны в металлах обобществлены в некий единый электронный газ. Данная теория хорошо действует в диапазоне нормальных температур, однако, при температурах, близких к 0 К, она не работает: описывая поведение электронов газовыми законами, теория утверждает, что все электроны должны лишиться своей энергии, а металлы при этом перестанут проводить электрический ток, что не верно. Поэтому в настоящее время электропроводность металлов принято описывать по законам квантовой статистики Ферми-Дирака, которая утверждает:

,

где е – заряд электрона;

n - концентрация электронов;

- длина свободного пробега;

h – постоянная Планка.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела металлы представляют собой вещества, у которых валентная зона смыкается с зоной проводимости (может быть перекрывается), то есть запрещенная зона отсутствует, что обуславливает лёгкость возникновения свободных носителей заряда.

В зонной диаграмме металла присутствует уровень Ферми, но для металлов он определяется как верхний заполненный энергетический уровень при абсолютном нуле по кельвину (то есть электроны теряют свою энергию, но они не падают на нулевой энергетический уровень, а занимают низшие энергетические уровни). Электроны как наиболее подвижные элементарные частицы в материале являются главными носителями энергии, причём не только электрической но и тепловой. Следовательно, чем больше электронов и чем выше электропроводность материала, тем выше теплопроводность, что подтверждается законом Лоренца:

,

где - удельная теплопроводность,

- число Лоренца (является постоянной для материала).

Температурная зависимость электропроводности металла.

 

 

 

Рисунок 18

 

I зона. Пунктиром обозначена кривая для идеального металла. На практике:

1. Металл приобретает постоянную и весьма малую величину удельного сопротивления

2. Металл переходит в состояние сверхпроводимости при Т_СВ.

II зона. Нелинейность характеристики выражается уравнением

~, n=1…5

III зона – линейный участок, зона эксплуатационных температур.

IV зона располагается вблизи температуры плавления Т_ПЛ. Большая часть металлов резко скачком увеличивает своё удельное сопротивление. Однако некоторые (висмут Vi, галлий Ga) – уменьшают. Это связано с особенностями кристаллической решётки.

V зона для большинства металлов характерна увеличением удельного сопротивления.

 

, где - удельное сопротивление при нормальных условиях (Т=0°С, р=765 мм рт. ст.)

 

Материалы высокой проводимости

К ним принято относить проводники с удельным сопротивлением в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м. Наибольшее применение в микроэлектронике находят медь Cu, алюминий Al, серебро Ag, золото Au. Рассмотрим их подробнее.