Материалы электронной техники и методы их исследования

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Государственный комитет по делам науки и высшей школы

Северо-Кавказский Ордена Дружбы Народов горно-металлургический институт

Кафедра электронных приборов

Лаборатория материалов электронной техники

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

По курсу:

«Материалы электронной техники и методы их исследования»

Владикавказ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лабораторная работа 1. Определение относительной диэлектрической проницаемости материалов

Лабораторная работа 2. Измерение коэффициента термического расширения электровакуумных стёкол

Лабораторная работа 3. Электрические свойства проводниковых материалов

Лабораторная работа 4. Определение удельных электрических сопротивлений твёрдых диэлектриков

Лабораторная работа 5. Исследование параметров сегнетоэлектриков

Лабораторная работа 1

Определение относительной диэлектрической проницаемости материалов

1. Цель работы

Овладение методикой измерения относительной диэлектрической проницаемости материалов, а также изучение свойств ряда диэлектриков, широко применяемых в электронике.

2. Основные теоретические положения

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризуется степенью поляризации диэлектрика и оценивается приращением ёмкости конденсатора при замене вакуума между его пластинами данным материалом

(1)

где С_д - ёмкость конденсатора с данным диэлектриком,

С₀ - ёмкость конденсатора с вакуумом.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость представляет собой произведение:

е_а = е₀ · е (2)

где е₀ - электрическая постоянная или абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума. В системе СИ её значение составляет 10^-9/113.04 [Ф/м], что составляет 8.85·10^-12 [Ф/м].

Величина постоянной диэлектрической проницаемости различных материалов определяется механизмами поляризации.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся тем, что диэлектрический момент некоторого макроскопического объёма вещества имеет значение, отличное от нуля, что вызвано ограниченным смещением связанных зарядов или ориентации их дипольных моментов под влиянием электрического поля. Подробно механизмы поляризации рассмотрены в книге П.П. Богородицкого и В.В. Пасынкова /1/, /стр. 38-45/.

В электрических конденсаторах целесообразно применять диэлектрики с большой е, т.к. ёмкость конденсатора определяется выражением

(3)

где S и d, соответственно, площадь пластин и расстояние между ними в метрах.

Очевидно, что диэлектрики с большим значением е позволяют изготовить малогабаритные конденсаторы большой ёмкости.

При выборе диэлектрика для межэлектродной изоляции, наоборот, необходимо стремиться к минимальным значениям е, т.к. с увеличением ёмкости в этом случае растут потери электрической мощности в изоляции в соответствии с выражением:

P = U² ·2·р·f ·C·tg д, (4)

где U - напряжение, В

f - частота, Гц

tg д - тангенс угла диэлектрических потерь.

3. Основные свойства диэлектриков, исследуемых в данной работе

1. Керамика «поликор» представляет собой поликристаллический диэлектрик с содержанием окиси алюминия Al₂O₃ 100%. Имеет высокую температуру плавления 2050єС, высокую твёрдость - 9 баллов по минералогической шкале (10 баллов у алмаза), сравнительно высокую для диэлектриков теплопроводность 28.3 Вт/(м·град), очень низкие диэлектрические потери tg д = (1-2)·10^-4.

Керамика данного типа применяется для изготовления некоторых деталей приборов СВЧ, в качестве подложек плёночных микросхем.

2. Слюда. Слюда представляет собой кристалл, характерной особенностью которого является способность легко расщепляться на пластинки, вплоть до очень тонких (3-5 мкм) по параллельным друг другу плоскостям - «плоскостям спайности».

По химическому составу слюды представляет собой водные алюмосиликаты. Важнейшие из них:

мусковит K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O

флагопит K₂O·6MgO·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O

Слюда является хорошим диэлектриком, удельное сопротивление составляет 10¹² - 10¹⁴ Ом·м для мусковита и 10¹¹ - 10¹² Ом·м для флагопита. Температурный диапазон деталей из слюды ограничивается так называемой температурой кальцивации, при которой происходит выделение кристаллизационной воды, что приводит к «вспучиванию» слюды, резкому ухудшению механических и электрических свойств. Нагревостойкость слюды составляет 500-600єС.

Слюда широко применяется для изготовления конденсаторов, из неё штампуют фасованные детали для электронных ламп (межэлектродные изоляторы, установочные детали) и т.д.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) или фторопласт-4 представляет собой полимер, полученный путём полимеризации политетрафторэтилена. Он имеет строение

Фторопласт-4 относится к числу термостойких пластиков: его нагревостойкость составляет 320єС, а температура разложения 415єС. Этот материал обладает исключительной стойкостью к действию химических реагентов, превосходя в этом отношении золото и платину. На него не действуют никакие кислоты и щёлочи, не растворяется ни в одном растворителе, не смачивается водой и другими жидкостями.

По своим электроизоляционным свойствам фторопласт-4 относится к лучшим из известных диэлектриков: удельное сопротивление 10¹⁴ -10¹⁶ Ом·м и tg д = (2-3)·10^-4. Существенными недостатками ПТФЭ являются низкая технологичность и высокая стоимость.

Основное применение фторопласта: изоляция кабелей для высоких частот, изоляторы в цепях с очень высокими требованиями к сопротивлению изоляции, уплотнители в вакуумных установках (благодаря низкому давлению насыщенных паров и высокой рабочей температуре), конструкционный материал для химически агрессивных сред и т.д.

4. Полиэтилентерефталат (лавсан) - термопластичный полимер, имеющий строение

Лавсан выделяется среди других полимеров высокой прочностью (предел прочности на растяжение (1-2)·10⁸ Н·м^-2 по сравнению с (1-4)·10⁷ Н·м^-2 у полиэтилена и фторопласта). Нагревостойкость 200єС. Удельное сопротивление лавсана 10¹²-10¹⁴ Ом·м. Лавсан относится к полярным диэлектрикам с повышенными диэлектрическими потерями tg д = (2-20)·10^-3 и не применим на высоких частотах.

Лавсановая плёнка широко применяется для изготовления конденсаторов, межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, в качестве основы магнитных лент и т.д.

5. Описание лабораторной установки

Лабораторная работа выполняется на установке, состоящей из высоко-частотного измерителя индуктивностей и ёмкостей типа Е12-1А из измерительного конденсатора.

Измерение ёмкости с помощью прибора Е12-1А производится резонансным методом с индикацией резонанса по нулевым биениям.

Упрощённая блок-схема прибора представлена на рисунке 1.

Рис. 1

В этом приборе имеются два одинаковых генератора Г₁ и Г₂, в колебательный контур Г₁ включён образцовый конденсатор C_обр, а в колебательный контур Г₂ включается измеряемый конденсатор C_x. Колебания высокой частоты обоих генераторов подаются на смеситель. Со смесителя колебания разностной частоты после усиления на усилителе низкой частоты УНЧ поступают на индикатор.

При выполнении равенства

C_обр·L₁ = C_x·L₂ (5)

частоты обоих генераторов будут равны и, следовательно, разностная частота будет равна нулю. Выполнения равенства (5) добиваются изменением величины переменного образцового конденсатора C_обр.

Измерительный конденсатор состоит из латунной шлифованной плиты, на которой располагается исследуемый диэлектрик, и верхнего цилиндрического электрода, площадь которого определяется площадью пластин конденсатора.

6. Порядок выполнения работы

1. Установить верхний электрод измерительного конденсатора в стороне от плиты.

2. Включить тумблер «Сеть». Время прогрева прибора 20-30 мин.

3. Микрометром измерить толщину образцов исследуемых диэлектриков и записать данные. Измерение толщины каждого диэлектрика производить три раза и брать среднеарифметическое.

4. Установить переключатель «множитель К» в положение «C».

5. Установить на нуль шкалы всех отсчётных конденсаторов.

6. Ручкой «Начальная установка» настроить прибор на нулевое биение по оптическому индикатору.

7. Установить на плату измерительного конденсатора исследуемый диэлектрик и верхний электрод.

8. Произвести вторичную настройку на нулевые биения, пользуясь ручками C2, C3 и C1.

Измеренная ёмкость определяется по формуле:

C_x = C1 + C2 + C3, пФ

Примечание: при измерении нельзя подносить руку или какой-либо предмет к конденсатору.

Следить, чтобы ручка «Начальная установка» оставалась в положении, при котором производилась начальная настройка.

Выполнить пункты 7 и 8 для всех образцов диэлектриков.

Обработка результатов измерений

Пользуясь формулой (3) рассчитать для каждого материала относительную диэлектрическую проницаемость, имея в виду, что 1 пФ = 10^-12 Ф. Результаты измерений и расчётов рекомендуется сводить в таблицу вида

№	Наименование материала	Толщина	Ёмкость Cx, Ф	Относит. диэлектрич. проницаемость
1
2
3
4

Содержание отчёта

Отчёт должен содержать краткое описание методики эксперимента, измерительную схему, результаты измерений и расчётов.

Контрольные вопросы к лабораторной работе 1

1. Что называется поляризацией диэлектриков? Как классифицируются диэлектрики по физической сущности явления поляризации в них?

2. Опишите механизмы электронной и ионной поляризации.

3. Опишите механизм дипольной поляризации.

4. Опишите механизм миграционной поляризации. Для каких диэлектриков характерен этот вид поляризации?

5. Приведите примерные графики изменения диэлектрической проницаемости диэлектриков от температуры при различных видах поляризации и дайте объяснение этих кривых.

6. Приведите примерные графики изменения диэлектрической проницаемости полярных и неполярных диэлектриков в зависимости от частоты и дайте объяснение этих кривых.

7. Что называется диэлектрическими потерями? Дайте определение угла диэлектрических потерь. Сравните потери энергии в диэлектриках при постоянном и переменном напряжении.

8. Приведите формулы мощности полных и удельных диэлектрических потерь.

9. Опишите физическую сущность основных видов диэлектрических потерь (потери электропроводности, релаксационные, поляризационные).

10. Как изменяется тангенс угла диэлектрических потерь неполярных и полярных диэлектриков при изменении температуры и частоты?

Лабораторная работа 2

Измерение коэффициента термического расширения электровакуумных стёкол»

Цель работы:

Ознакомление с методами измерения коэффициента термического расширения электровакуумных стёкол.

Физико-химические свойства стёкол. Назначение стекла в производстве ЭВП

Для большинства ЭВП стекло является основным материалом внешней оболочки, состоящей из баллона/колбы/ и приваренной к нему ножки с запрессованными в неё металлическими выводами. Стекло, как газонепроницаемый и вакуумноплотный материал, обеспечивает возможность создания и поддержания в приборах вакуума, необходимого для их нормальной работы.

Высокая пластичность стекла при нагревании даёт возможность вырабатывать из него разнообразные по размерам и сложные по форме детали внешних оболочек приборов.

К электровакуумным стёклам предъявляются следующие требования:

1. Близость величин коэффициентов термического расширения стекла и спаиваемых с ним материалов, что необходимо для получения герметичного спая, например, металлических вводов со стеклянной частью оболочки прибора.

2. Высокие электроизоляционные свойства во избежание диэлектрических потерь, пробоев, коротких замыканий между электродами.

3. Тугоплавкость.

4. Термическая стойкость, которая определяется способностью стекла выдержать, не разрушаясь, более или менее резкие изменения температуры, которые особенно часто испытывают электровакуумные приборы.

5. Химическая стойкость - характеризует взаимодействие стекла с различными химическими реагентами.

6. Хорошие вакуумные свойства.

Химический состав и типы стёкол для ЭВП

Стёкла - неорганические термопластичные вещества, по химическому составу представляющие сложные системы различных окислов. Основными стеклообразующими окислами в составе стёкол являются кислотные окислы

SiO₂, B₂O₃, P₂O₅ и др., каждый из которых сам по себе способен образовывать стекло.

По названию стеклообразующего окисла часто именуют сами стёкла, например, если основу стекла составляет окисел SiO₂, то такие стёкла называются силикатными, а стёкла на основе SiO₂ и B₂O₃ - боросиликатными. Кроме стеклообразующих окислов в состав большинства стёкол вводят окислы щелочных металлов Na₂O, K₂O для снижения температуры варки, обработки, вязкости стекла и ограничения возможности. Если содержание окислов щелочных металлов не превышает 2%, стёкла называют бесщелочными, при большем их количестве - щелочными.

Щелочноземельные окислы CaO, BaO добавляют в стёкла для уменьшения вредного влияния щелочных окислов на электрические свойства. Таким образом, окислы CaO, BaO, Na₂O, K₂O вводятся в стекло лишь для изменения свойств стекла в нужном направлении, т.е. они являются модификаторами.

Помимо этих окислов в состав стёкол вводят и другие окислы: ZnO, Al₂O₃ для придания стёклам тех или иных специальных свойств.

Окись цинка ZnO повышает химическую стойкость, уменьшает термическое расширение; Al₂O₃ сильно повышает вязкость, снимает склонность к расстекловыванию и улучшает способность стекла к горячей обработке с использованием газовых горелок, снижает коэффициент теплопроводности расширения и повышает химическую стойкость стекла.

Содержание Al₂O₃ в технических стёклах не превышает 6%, т.к. с большим содержанием Al₂O₃ стёкла малопригодны для стеклодувных работ. Электровакуумные стёкла подразделяются и маркируются по численным значениям температурного коэффициента линейного расширения на следующие группы:

платинитовые б_l = (86-92)·10^-7 град^-1

молибденовые б_l = (46-52)·10^-7 град^-1

вольфрамовые б_l = (35-42)·10^-7 град^-1

Название этих стёкол определяется не их составом, а только тем, что коэффициенты б_l этих стёкол близки к значениям платины, молибдена, вольфрама.

Платиновые стёкла - это С90-1, С89-1, С89-6 (известково-магнезиальные-баритовые) и свинцовые С87-1. Основой их является сплав системы SiO₂ - CaO - Na₂O. Для улучшения технологических и электрических свойств этого сплава вводится некоторое количество окиси бария, а окись натрия частично заменяется окисью калия.

Физико-химической основой стёкол является сплав системы SiO₂ - PbO - K₂O - Na₂O. В нём окись кальция исключена и заменена окисью свинца, а щелочной компонент содержит окислы калия и натрия с преобладанием Оки-си калия. Наиболее распространённое стекло этой системы С87-1 содержит в своём составе 55% SiO₂, 30% PbO, 9.2% K₂O, 3.8% Na₂O, 2% Al₂O₃.

Молибденовые стёкла - С47-1, С48-1, С49-2 и др. По химическому составу это боросиликатные стёкла с высоким содержанием суммы окислов SiO₂ + B₂O₃ (85-90%) при относительно небольшом количестве щелочных окислов не более 0.5% при полном отсутствии окислов CaO, MgO. Окислы SiO₂, B₂O₃ сближают коэффициенты расширения стеклоизделия с коэффициентами расширения молибдена и ковара, с которыми спаиваются эти стёкла.

Вольфрамовые стёкла - С38-1, С39-2, С40-1 также на основе SiO₂ + B₂O₃ 90%. Эти стёкла аналогичны по составу молибденовым стёклам, но с более высоким содержанием суммы окислов SiO₂ + B₂O₃ > 90% и меньшим содержанием щелочных окислов.

Термические свойства стёкол и измерение КТР

При оценке пригодности стёкол для применения в электронной промышленности решающими часто являются: термическое расширение, термостойкость, зависимость вязкости стекла от температуры.

Роль термического расширения для стёкол более существенна, чем для других материалов, т.к. механические напряжения, возникающие при нагревании или охлаждении стекла, бывают часто так велики, что превышают их прочность и вызывают разрушение стеклоизделий. Аналогичные явления могут происходить при спаивании двух стёкол с разными коэффициентами термического расширения.

Тепловое расширение обычно характеризуется коэффициентом термического расширения КТР (б_l). Численная величина б_l имеет значение для определения термостойкости стёкол, для оценки пригодности отдельных видов стёкол к спаиванию друг с другом или иными материалами, а также для технического контроля при поставках.

Таким образом, коэффициент термического расширения (к.т.р.) является важнейшим технологическим параметром электровакуумных стёкол, определяющим возможность соединения их с другими и образование спаев с металлами.

Действующие стандарты требуют определения к.т.р. с точностью (1-2)·10^-7 K^-1, при абсолютных величинах (40-100)·10^-7 K^-1. Существующие конструкции дилатометров [1], обеспечивающие указанную точность измерения, неудобны в эксплуатации, т.к. имеют сложное отсчётное устройство (микроскоп, оптический рычаг и т.д.).

Схема измерительной установки (дилатометр) представлена на рис. 1. Испытуемый образец - стеклянный штабик или трубочка (1) диаметром до 5 мм помещается в печь (2). Конструкция печи обеспечивает равномерный нагрев участка образца длиной L = 160 мм. Регулирование температуры печи в пределах 20-600єС осуществляется изменением напряжения посредством автотрансформатора.

Рис. 1. Схема конструкции дилатометра

Температура в печи измеряется термопарой типа ХК (хромель - копель) и регистрируется пирометрическим милливольтметром. Одним концом образец упирается в стержень измерительного микрометра (3), другим в микрометрический винт (4), который служит для балансировки системы. Указанные элементы конструкции смонтированы на массивной плите (5).

Зависимость Дl = f(ДT) снимается при плавном увеличении температуры со скоростью не более 5 град/сек, которая обусловлена требованиями равномерного разогрева образца, в диапазоне температур 20…250єС. По данной зависимости Дl = f(ДT) строится кривая теплового расширения стекла

из которой коэффициент термического расширения определяется как

(1 градус)

L = 160 мм

Содержание отчёта

1. Цель работы

2. Основные теоретические положения

3. Схема установки

4. Описание эксперимента

5. Зависимость

и расчёт КТР одного или двух типов стёкол

6. Выводы (к какой группе стёкол относится измеренный образец)

Литература

1. В. Эспе. Технология электровакуумных материалов. Т. 2, Энергия, 1968.

2. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. Высшая школа, 1986.

Лабораторная работа 3

Электрические свойства проводниковых материалов

Цель работы: ознакомление с методом измерения удельного сопротивления металлов и сплавов

1. Основные теоретические положения

Важнейшими применяемыми в электротехнике и электронике твёрдыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Металлические проводниковые материалы делятся на металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление с при нормальной температуре не более 0.1 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления с с при нормальной темпера-туре не менее 0.3 мкОм·м. Металлы высокой проводимости используют для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.д. Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении резисторов, электронагревательных элементов и т.д.

В металлах как в твёрдом, так и в жидком состояниях имеется весьма большое количество свободных электронов (электронов проводимости), которые являются носителями заряда при прохождении через металл электрического тока.

Согласно классической электронной теории металлов твёрдый проводник представляют в виде системы из узлов кристаллической ионной решётки, внутри которой находится «электронный» газ, состоящий из коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизированное состояние от каждого атома отделяются от одного до двух электронов. Ранее к электронному газу применялись и законы статистики обычных газов, что позволило математически вывести и объяснить найденные экспериментальным путём основные законы электропроводности (закон Ома) и потерь электрической энергии (закон Джоуля - Ленца).

Хотя ряд вопросов удачно решён с помощью классической электронной теории металлов, обнаружились противоречия с опытными данными. Несоответствие теоретических и экспериментальных данных удалось преодолеть благодаря квантовой механике, согласно которой газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии «вырождения». В этом состоянии энергия газа почти не изменяется при изменении температуры. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит лишь при температурах, порядка тысяч Кельвин.

Особенности энергетического состояния твёрдого вещества описывает современная зонная теория. На рис. 1 показаны энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в).

У проводящих материалов заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней и даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле свободны, т.к. они могут переходить с уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием малейших возбуждений атомов. Энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние, могут доставить не только тепловое движение, но и свет, поток электронов и ядерных частиц, электрические и магнитные поля и т.д.

Важным параметром, характеризующим свойства проводниковых материалов, является удельная проводимость г и её обратная величина - удельное сопротивление с.

Связь плотности тока J (А/м²), и напряжённости электрического поля E (В/м), в проводнике даётся известной формулой

J = г · E (г = e · n · м) (1)

г - удельная проводимость, (СМ/м).

Величина с = 1/г - удельное сопротивление. Для имеющегося сопротивления R (Ом) проводника длиной l (м) и поперечным сечением S (м²) вычисляется по формуле

Единица СИ удельного сопротивления Ом·м.

Рис. 1. Энергетические зоны твёрдых тел:

а) диэлектрика

б) полупроводника

в) металла

1 - заполненная зона

2 - запрещённая зона

3 - свободная зона.

1. Ом·м = 10⁶ мкОм·м

Значения с некоторых материалов приведены в таблице 1.

Согласно классической теории металлов удельная проводимость может быть вычислена следующим образом:

(2)

где e - заряд электрона

n₀ - число свободных электронов в единице объёма металла;

l_ср - средняя длина свободного пробега электрона между соударениями между узлами решётки;

m - масса электрона;

V_т - средняя длина свободного пробега электрона в металле.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов (при определённой температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются и концентрации свободных электронов n₀. Например, концентрация электронов проводимости в серебре составляет 5.9·10²⁸ м^-3, в меди 8.5·10²⁸ м^-3. Поэтому значение удельной проводимости г (или удельного сопротивления с) в основном зависит от средней длины свободного пробега в данном проводнике l, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решётки появляется всё больше препятствий на пути направленного движения электронов, уменьшается средняя длина пробега, и подвижность электронов снижается. Поэтому удельное сопротивление металлов с повышением температуры возрастает.

Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решёткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления: примеси, искажая решётку, создавая значительное рассеяние электронов на микродефектах, приводят к его увеличению.

Таким же образом влияют все факторы, которые приводят к искажению электрического поля атомной решётки металла: наклёп и др. Типичная кривая изменения удельного сопротивления от температуры для медного проводника представлена на рисунке 2.

В узких диапазонах температуры на практике допустима прямолинейно-кусочная аппроксимация этой зависимости и величина удельного сопротивления может быть подсчитана по формуле:

с _t = с₀ ·(1 + ТКс ·ДT), (3)

где с₀ - удельное сопротивление в начале диапазона.

Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры (скачок при T_пл = 1083єC)

Величина называется средним температурным коэффициентом удельного сопротивления в данном диапазоне температур

град.^-1 (4)

При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное сопротивление металлов изменяется скачкообразно (рис. 2). Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма, галллий), с при плавлении снижается.

Значительное возрастание с наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют твёрдый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решётку другого.

Зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов, образующих твёрдый раствор, от изменения содержания каждого из них представлена графически на рис. 3.



Рис. 3. Зависимость с сплава Ni-Cu

Наблюдается и определённая закономерность и в изменении б_l: относительно высокими значениями б_l обладают чистые металлы, а у сплавов б_l меньше и даже может приобретать небольшие по величине отрицательные значения. Это объясняется тем, что у сплавов изменения с вызываются не только изменением подвижности носителей заряда, но в некоторых случаях и возрастанием концентрации носителей при повышении температуры.

3. Методика измерения сопротивления проводниковых материалов

Методы, применяемые для измерения электросопротивления, определяются величиной измеряемого сопротивления и требуемой точностью исследования.

Величины измеряемого сопротивления принято условно подразделять на три группы:

1) электросопротивления более 100 000 Ом;

2) от 1 до 100 000 Ом;

3) менее 1 Ома.

При измерении электрических сопротивлений до 1 Ома, которые представляют непосредственный интерес в металловедческих исследованиях, необходимо принимать меры для предотвращения влияния соединительных проводов и контактов на результаты опыта, т.к. электросопротивление последних оказывается соизмеримым с сопротивлением изучаемых объектов.

Требованиям такого рода удовлетворяет метод двойного моста, позволяющий при достаточных навыках наблюдателя и исправности аппаратуры, производить измерения сопротивлений порядка 10^-4 Ом с точностью 1-5%. Такая точность пригодна для исследования внутренних превращений в сплавах.

Измерение сопротивлений от 0.001 до 100 Ом производится по 2-х зажимной схеме подключения моста постоянного тока МО-62 (рис.4) в следующем порядке:

1. Измеряемое сопротивление R_x подключается согласно принципиальной схеме (рис. 4).

2. Переключатель схемы измерения ПС установить в положение «2з» (2 - зажимная схема включения).

Рис. 4. Мост постоянного тока МО-62 /схема подключения/

3. На переключатель плеч отношений «N» установить множитель (см. таблицу 1 описания МО-62).

4. При последовательно нажатой кнопке «грубо» и «точно» вращением руко-яток переключателей «·100 Ом», «·10 Ом», «·1 Ом», «·0.1 Ом», «·0.001 Ом» (плечо сравнения) установить стрелку гальванометра на «0».

5. Результат измерения определяется по формуле:

R_x = N· R_У,

где N - множитель, выставленный на переключателе плеч отношения

R_У = X1· 100 + X2· 10 + X3· 1 + X4· 0.1 + X5· 0.01 Ом

X1, X2, X3, X4, X5 - показания рукояток переключателей плеча сравнения соответственно «100 Ом», «10 Ом», «1 Ом», «0.1 Ом», «0.001 Ом».

4. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с принципом работы моста сопротивлений МО-62.

2. Измерить сопротивление исследуемых материалов от комнатной температуры до 150єC.

5. Содержание отчёта

1. Начертить принципиальную схему измерений

2. Построить график зависимости с = f(T), используя экспериментальные данные.

3. Привести теоретические зависимости с_T = f(T).

4. Сопоставить экспериментальные данные с результатами теоретического расчёта и дать письменное заключение по проделанной работе.

Таблица 1

Свойства металлов

Металлы	Температура плавления, єC	Удельное сопротивление с0 мкОм·м	Температурный к-т удельного сопротивления TKс град-1	Плотность 10-3 кг/м3
1. Медь 2. Алюминий 3. Вольфрам 4. Молибден 5. Титан 6. Цирконий 7. Золото 8. Серебро 9. Платина 10. Железо 11. Никель 12. Кобальт 13. Свинец 14. Олово 15. Цинк 16. Кадмий 17. Индий 18. Ртуть 19. Нихром	1083 657 3380 2620 1725 1845 1063 961 1770 1535 1455 1492 327 282 420 321 157 -39	0.0172 0.028 0.055 0.057 0.42 0.41 0.024 0.016 0.105 0.098 0.078 0.062 0.21 0.12 0.059 0.076 0.09 0.958 1.0	0.0043 0.0042 0.0046 0.0046 0.0044 0.0045 0.0038 0.004 0.0039 0.006 0.0085 0.006 0.0037 0.0044 0.004 0.0042 0.0047 0.0009 0.0004	8.9 2.7 19.3 10.2 4.5 6.5 19.3 10.5 21.4 7.8 8.9 8.7 11.4 7.3 7.1 8.6 7.3 13.6

Литература

1. Электрорадиоматериалы / под ред. Б.М. Тарева /. - М.: Высшая школа, 1978.

Справочные данные к лабораторной работе

Медь, l = 5 м (длина) d = 0.13 мм (диаметр)

Вольфрам, l = 5 м d = 0.072 мм

Нихром, l = 5 м d = 0.2 мм

2) с _t = с₀ ·(1 + ТКс ·ДT) ДT = T - T₀

с _t - удельное сопротивление проводника (мкОм·м) при нагреве до температуры T (градус)

с₀ - удельное сопротивление проводника (мкОм·м) при комнатной температуре T₀ (градус)

ТКс - температурный коэффициент удельного сопротивления

T₀ - комнатная температура (градус)

T - текущая температура (градус)

Контрольные вопросы к лабораторной работе

1. Объясните характер электропроводности проводниковых материалов

2. Опишите основные параметры проводниковых материалов. Приведите числовые значения параметров для основных проводниковых материалов

3. Приведите и объясните зависимость удельного сопротивления проводников от температуры. Дайте определение температурного коэффициента удельного сопротивления

4. Объясните увеличение удельного сопротивления при сплавлении двух металлов. Приведите примеры

5. Опишите свойства меди и приведите примеры её марок

6. «Водородная болезнь» меди

7. Опишите свойства вольфрама и молибдена, их особенности и область применения

8. Опишите важнейшие металлы высокой проводимости

9. Охарактеризуйте наиболее широко применяемые сплавы высокого сопротивления

диэлектрик электровакуумный проводниковый сегнетоэлектрик

Лабораторная работа 4

Определение удельных электрических сопротивлений твёрдых диэлектриков

1. Цель работы

Практическое ознакомление с характеристиками исследуемых диэлектрических материалов и методикой их измерения.

2. Теоретическое введение

По сравнению с электропроводностью проводников и полупроводников электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, технические диэлектрики всегда имеют некоторое количество свободных зарядов, благодаря чему в диэлектрике под действием электрического поля возникают слабые токи I_V и поверхностной I_S утечки (рис. 1). Величина этих токов зависит от удельного объёмного и удельного поверхностного электрических сопротивлений диэлектрика:

Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включённых сопротивлений

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем (рис. 2) после подключения постоянного напряжения (замыкания контакта на рис. 1).

Рис. 1. Пути токов объёмной и поверхностной утечки

1) диэлектрик

2) электроды (обкладки) конденсатора

Рис. 2. Изменение тока в диэлектрике после подключения постоянного напряжения

В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения I_см , плотность которого

Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени схемы источник-образец, которое очень мало. Однако ток продолжает изменяться и после этого, часто в течение длительного времени (минут, часов). Медленно изменяющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объёме диэлектрика, называют током абсорбции (I_абс).

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объёмом диэлектрика: часть носителей встречает на своём пути ловушки захвата - дефекты решётки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются носителями, ток абсорбции прекращается и остаётся только не изменяющийся со временем сквозной ток I_скв , который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объёмного и поверхностного токов:

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определённых местах диэлектрика - дефектах решётки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объёмных зарядов распределение напряжённости поля в диэлектрике становится неоднородным. Накопление в диэлектрике объёмных зарядов приводит и к такому нежелательному явлению, как неполный разряд конденсатора при коротком замыкании его обкладок.

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.

Электропроводность твёрдых диэлектриков чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещённой зоны в диэлектриках W >> k·T и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счёт теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решётки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с k·T. Например, в кристалле NaCl ширина запрещённой зоны W = 6 эВ, а энергия отрыва иона (энергия активации) натрия W_a = 0.85 эВ. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов (м_ион) по сравнению с подвижностью электронов (м_эл) ионная проводимость оказывается больше электронной за счёт значительно большей концентрации свободных ионов:

Удельная электрическая проводимость твёрдых диэлектриков с ростом температуры по экспоненциальному закону

При этом зависимость (T) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, а ростом подвижности

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной с энергией активации W_а и примесной с энергией активации W_пр:

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости от обратной величины абсолютной температуры должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона и оси абсцисс (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость удельной диэлектрической проводимости диэлектрика от температуры

При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами - эта область высокотемпературной, или собственной электропроводности. Ниже излома, в области низкотемпературной, или примесной электропроводности, зависимость более пологая. Температура, при которой наблюдается излом зависимости ln(1/T), сильно зависит от степени чистоты и совершенства кристалла. При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удельная проводимость растёт и оказывается при более высоких температурах. По наклонам участков прямых (рис. 3) зависимостей ln(1/T) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу. Собственная электропроводность твёрдых тел и изменение её от температуры определяются структурой вещества и его составом.

В телах кристаллического строения с ионной решёткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами.

В анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси. В кристаллических телах с молекулярной решёткой (сера, полиэтилен) удельная проводимость мала и определяется только примесями.

Величина удельной проводимости аморфных тел связана, прежде всего, с их составом.

Высокомолекулярные органические полимеры обладают удельной проводимостью, зависящей в значительной степени от ряда факторов: от химического состава и наличия примесей; от степени полимеризации (для феноло-формальдегидной смолы), от степени вулканизации (для резины). Органические неполярные аморфные диэлектрики, как например, полистирол, отличаются очень малой удельной проводимостью.

У твёрдых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах удельная проводимость значительно увеличивается.

Для сравнительной оценки объёмной и поверхностной электропроводности разных материалов используют также удельное объёмное сопротивление с_V и удельное поверхностное сопротивление с_S.

Для определения удельного объёмного электрического сопротивления применяют образец диэлектрика с тремя металлическими электродами 1, 2 и 3 (рис. 4). Удельное объёмное сопротивление диэлектрика определяется по формуле

где R_V - объёмное электрическое сопротивление образца, Ом,

S - площадь верхнего электрода, м²

S = р·d²/4

h - толщина образца диэлектрика, м

Рис. 4. Электроды (№1, 2, 3) и образец (5) для измерения удельного объёмного и поверхностного сопротивлений

Для определения удельного поверхностного электрического сопротивления также применяют образец диэлектрика с тремя электродами (рис. 4). Удельное поверхностное электрическое сопротивление находят по формуле:

где R_S - поверхностное электрическое сопротивление поверхности образца, заключённой между электродами 1 и 3, Ом

d₁ = 25 мм - диаметр электрода 1

d₂ = 30 мм - внутренний диаметр кольцевого электрода 3

3. Приборы и оборудование

При определении удельного объёмного и удельного поверхностного электрических сопротивлений используют образцы диэлектриков, диаметр или наименьший размер которых должен быть больше диаметра соответствующего измерительного электрода (см. рис. 4). В приложении 1 даны размеры электродов.

Образцы не должны иметь трещин, сколов, вмятин, заусенцев, загрязнений, а также короблений, препятствующих плотному прилеганию электродов.

Образцы твёрдых диэлектриков представляют собой круглые и квадратные пластины (слюды, керамики, стеклотекстолита и т.д.), помещаемые между измерительными электродами (рис.4) установки. Все электроды подключены к клеммам №1, 2, 3, укреплённые на фторопласте для предотвращения утечки между ними.

В качестве измерительного используется прибор типа ТО-3, предназначенный для измерения высокоомных сопротивлений и сопротивления изоляции конденсаторов. Результат измерения получается путём отсчёта измеряемой величины по стрелочному прибору, отградуированному в мегаомах. Подробнее технические характеристики и описания по эксплуатации см. приложение 2.

4. Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для измерения удельного объёмного электрического сопротивления R_V выбранного диэлектрика, для чего подключить ТО-3 к клеммам 1 и 2. Клемму 3 (измерительного макета заземлить).

2. Настроить прибор (ТО-3) и произвести отсчёт R_V (согласно описанию, приложение 2).

3. Собрать схему для измерения удельного поверхностного сопротивления R_S, для чего подключить ТО-3 к клеммам 1 и 3, клемму 2 (измерительного макета) заземлить.

4. Настроить прибор (ТО-3) и произвести отсчёт R_S.

5. Провести измерения R_V и R_S для всех диэлектриков.

6. Подсчитать удельное объёмное электрическое сопротивление по формуле

d - диаметр измерительного электрода, м

h - толщина диэлектрика, м

7. Подсчитать величину удельного поверхностного электрического со-противления по формуле

Для электродов 1 и 3 (рис.4) длина пути утечки тока по поверхности диэлектрика равна ширине зазора между электродами, т.е.

Величину условного сечения S` подсчитать по формуле

Тогда

8. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:

№ п/п	Наименование испытываемого материала	h	RV	сV	RS	сV

5. Требования к отчёту

1. Цель работы и основные теоретические положения

2. Результаты измерения удельного объёмного и поверхностного сопротивлений

3. Описание хода испытания образцов твёрдых диэлектриков

4. Размеры электродов

5. Основные технические данные приборов

6. Выводы по проделанной работе

6. Правила техники безопасности

1. К работе следует приступить только после проверки преподавателем подключения прибора к испытываемому образцу.

2. Проверить наличие заземления прибора.

Литература

1. Пасынков В. В. Материалы электронной техники. - Высш. школа, 1980, с. 61-72.

2. Васильев Н.П. Лабораторные работы по электрорадиоматериаловедению. - Высш. школа, 1978, с. 5-13.

Приложение 1

Размеры электродов для определения удельного объёмного и удельного поверхностного сопротивлений плоских образцов.

1. Диаметр измерительного электрода 1 (рис. 4): d₁ = 2.5 см

2. Диаметр высоковольтного электрода 5 (рис. 4): d₄ = 4.0 см

3. Ширина охранного электрода 3 (рис. 4) 0.5 см

4. Внутренний диаметр охранного электрода 3 (рис. 4) d₂ = 3.0 см

Приложение 2

Краткая инструкция по эксплуатации прибора ТО-3

Назначение

Прибор типа ТО-3 предназначен для измерения высокоомных сопротивлений.

Результат измерения получается путём отсчёта измеряемой величины по стрелочному прибору, отградуированному в мегаомах и умножения получаемого отсчёта на множители диапазона и напряжения.

Технические характеристики

1. Прибор позволяет измерять сопротивления от 3 МгОм до 30·10⁶ МгОм.

2. При измерении на образце может быть установлено напряжение от 100 до

1000 В.

3. Погрешность измерения не превышает + - 20% от измеряемой величины на всех положениях переключателя «множитель» на главном участке шкалы (т.е. до «30»).

4. Прибор питается от сети переменного тока 220 В 50 Гц.

Работа с прибором

1. Заземлить прибор.

2. Включить прибор тумблером «220 1» и дать прогреться в течение 10 мин.

3. Ручками «Регулировка напряжения» установить требуемое напряжение на испытуемом образце.

4. Включить тумблер «индик.» (включить стрелочный прибор).

5. Ручкой «установка» установить стрелку прибора на риску ? не нажимая кнопку.

6. Открыть защитную крышку и присоединить измеряемый образец к клеммам. Если измеряемый образец имеет корпус или экран, то вывод, соединённый с корпусом или экраном, присоединяется к левой клемме.

Закрыть защитную крышку.

Нельзя измерять сопротивление объекта, один из выводов которого соединён с землёй.

7. Нажать кнопку и добиться переключателем «множитель» удобного отсчёта по шкале.

Отсчитать значение измеряемого сопротивления по шкале прибора и умножить его на величину множителя и отношение напряжения, установленного на вольтметре к 100 В.

Замечания

1. При подключении образцов, когда кнопка не нажата, следует проверять, чтобы стрелка прибора стояла на риске ?.

Если стрелка сместилась, то ручкой «установка» подвести её к риске ?.

2. При выключении прибора следует сначала выключить индикаторный стрелочный прибор, а затем выключатель сети.

Контрольные вопросы к лабораторной работе 4

1. Опишите различные виды электропроводности диэлектриков (объёмную и поверхностную).

2. Почему у твёрдых диэлектриков учитывается не только объёмная, но и поверхностная проводимость?

3. От каких факторов зависит поверхностная проводимость?

4. В каких единицах измеряется удельное объёмное с_V и удельное поверхностное с_S электрические сопротивления и по каким формулам они вычисляются?

5. Объясните природу электропроводности твёрдых диэлектриков

6. Укажите виды носителей заряда в диэлектриках.

7. Опишите и объясните зависимость удельного сопротивления диэлектриков от температуры и влажности.

8. Как уменьшить влагопоглощение пористых диэлектриков?

9. Каковы особенности электропроводимости твёрдых диэлектриков?

10. Как влияет структура вещества на его электропроводность?

Лабораторная работа 5

Исследования параметров сегнетоэлектриков

1. Цель работы

Практическое ознакомление с параметрами сегнетоэлектриков и методикой их измерений.

2. Теоретическое введение

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть измерено при внешних воздействиях электрическим полем.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация - это поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектрике, без внешних воздействий.

К сегнетоэлектрикам относятся: сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆ ·4H₂O), метатитанат бария (BaTiO₃) и др.

3. Основные особенности сегнетоэлектриков

Объём сегнетоэлектрика разделён на домены - области с различным направлением векторов спонтанной поляризации P_S. В результате этого суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. Воздействие внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что может создать эффект очень сильной поляризации, а следовательно, и сверхвысокое значение е (до сотен тысяч).

Зависимость поляризованности от напряжённости поля E (или зависимость заряда Q от величины приложенного напряжения U) в сегнетоэлектриках нелинейна и при циклическом изменении E имеет вид характерной замкнутой кривой петли гистерезиса (рис.1). При E = 0 поляризованность одноимённого образца равна P_S или - P_S. С увеличением напряжённости поля, приложенного по направлению P_S , P линейно растёт за счёт обычных механизмов поляризации (электронной, ионной и дипольной). Если же прикладывают электрическое поле противоположного знака, то при некоторой его направленности E_C произойдёт переполяризация - изменение направления вектора на противоположное.

Рис. 1. Петля диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектриков

Напряжённость поля, при которой происходит изменение спонтанной поляризации, называется коэрцитивной силой. Площадь петли пропорциональна энергии, рассеянной за один период. Наличие петли гистерезиса - основное свойство, отличающее сегнетоэлектрики от других классов диэлектриков.

Диэлектрическая проницаемость, которая обусловлена спонтанной поляризацией, характеризуется нелинейной зависимостью от напряжённости электрического поля (рис. 2).

Так как заряд конденсатора с сегнетоэлектриком значительно больше, чем с нелинейным диэлектриком, при тех же значениях разности потенциалов из-за сверхвысокой величины е материалов этой группы, на кривой рис. 2 сделаны разрывы.

Рис. 2. Зависимость е от напряжённости приложенного электрического поля (а) и от температуры (б)

Значительная зависимость поляризации от температуры и проявление сегнетоэлектрических свойств обнаруживается только в определённых температурных интервалах. У большинства наиболее употребляющихся сегнетоэлектриков их сегнетоэлектрические свойства появляются при всех температурах, вплоть до некоторой предельной, при которой происходит изменение структуры материала и сегнетоэлектрические свойства исчезают. Эту температуру называют точкой Кюри. Диэлектрическая проницаемость е вещества при температуре точки Кюри (T_K) максимальна (рис. 2,б).

Таким образом, поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле формально представляет собой аналогию с поведением железа и других магнетиков в магнитном поле.

Сегнетоэлектрики в определённых условиях являются и ярко выраженными пьезоэлектриками, т.е. диэлектриками, поляризованность которых существенно меняется при механических воздействиях.

Рассмотрим упрощённую схему расположения в кристалле BaTiO₃ до воздействия внешнего электрического поля и после его приложения (рис. 3 а, б).



Рис. 3. Схема расположения доменов в кристалле в отсутствие поля (а) и при наличии внешнего поля (б)

На рис. 3 видно, что под воздействием поляризующего поля кристалл становится подобен диэлектрическому диполю. На противоположных поверхностях, перпендикулярных к направлению электрического момента, появляются электрические заряды, равные по величине, но противоположные по знаку. Однако заряды на поверхности будут нейтрализованы притянутыми к ней заряженными частицами противоположного знака, которые всегда имеются во внешней среде.

Сегнетоэлектрики нашли широкое применение в варикондах. Вариконд - это нелинейный диэлектрический конденсатор, ёмкость которого зависит от приложенного напряжения (слово «вариконд» - произошло от слов «вариация» и «конденсатор»).

В варикондах ёмкость изменяется за счёт изменения диэлектрической проницаемости е. Аналогичные полупроводниковые конденсаторы называют варикапами, у которых ёмкость изменяется под воздействием напряжения в результате изменения расстояния между обкладками, областями p и n полупроводника. Конструктивно вариконды выполняются в виде плоских керамических конденсаторов - дисковых или плёночных. В зависимости от области применения в них используются два вида диэлектрической нелинейности - эффективная и реверсивная.

...