Материалы электронной техники и методы их исследования

Эффективная нелинейность - изменение эффективной диэлектрической проницаемости е_эф в зависимости от амплитуды напряжённости электрического поля E_m. Эффективную ёмкость конденсатора C_эф определяют по действующему значению несинусоидального тока, протекающего через конденсатор при заданном действующем напряжении с угловой частотой щ:

(1)

С увеличением амплитуды напряжённости поля E_m значение е_эф возрастает от начального е_н до максимального е_max, после чего уменьшается, снова приближаясь к е_н (рис. 4).

Такой вид зависимости е_эф от E_m объясняется нелинейностью доменной поляризации в общей поляризованности сегнетоэлектрика, т.к.

(2)

В слабых полях с амплитудами напряжённости, меньшими коэрцитивной силы E_C , зависимость P от E практически линейна, доменная поляризация осуществляется только за счёт обратимого смещения доменных стенок (область I на рис. 4).

Рис. 4. Зависимость е_эф от амплитуды напряжённости электрического поля (E_m)

С приближением E_m к E_C (область II) появляется переполяризация доменов путём необратимого смещения доменных стенок; две ветви петли гистерезиса разделяются, и дополнительный механизм доменной поляризации приводит к увеличению е_эф (2). При E_m > E_C (область III) переполяризуется весь объём образца, доменная поляризованность достигает насыщения (при этом для монокристаллов она равна P_S), а е_эф снижается с ростом E_m за счёт увеличения знаменателя в формуле (2) при почти постоянном числителе. Максимального значения е_max достигает при амплитуде напряжённости поля, близкой к коэрцитивной силе данного материала.

Количественно эффективная нелинейность характеризуется отношением максимальной проницаемости к начальной:

(3)

называемым коэффициентом эффективной нелинейности, а также амплитудой напряжённости поля E_max, при которой е_эф достигает максимума.

Чем больше K_эф и чем ниже E_max , тем выше эффективная нелинейность материала. При работе вариконда на линейном участке зависимости е_эф = f(E_m) два указанных параметра можно заменить одним коэффициентом

(4)

Эффективная нелинейность существует лишь на низких частотах. При высокой частоте, когда полупериод приложенного напряжения становится меньше времени пере поляризации доменов, вклад в е_эф механизма необратимого смещения доменных стенок исчезает и е_эф практически не зависит от E_m. Поэтому с ростом частоты е_эф уменьшается, а E_max растёт (рис. 5). Эффективную нелинейность используют в стабилизаторах переменного напряжения, в устройствах искрогашения, для повышения контрастности электрооптических устройств изображения, индикаторов, телевизионных экранов.

Вариконд обычно работает на начальном крутом участке кривой е_эф(E_m), когда коэффициен нелинейности N_эф максимален. Для создания варикондов необходимы материалы ВК-1 - ВК-6, обладающие большой эффективной нелинейностью. Их основные свойства приведены в таблице 1.

Рис. 5. Зависимость е_эф сегнетоэлектрика ВК-1 от E_m

Таблица 1

Свойства сегнетокерамики

В настоящее время сегнетоэлектрики привлекают всё более широкое внимание специалистов, работающих в технике СВЧ, благодаря тому, что позволяет расширить возможности приборов и устройств СВЧ по сравнению с приборами на основе полупроводниковых материалов и ферритов. Сегнетоэлектрики технологически более просты, обладают большей, чем полупроводники электрической и радиационной стойкостью, значительно более экономичны по энергопотреблению, чем ферриты. Используя свойство сегнетоэлектрика существенно изменять величину его диэлектрической проницаемости от напряжённости приложенного электрического поля, можно выполнить волновод или другую линию передачи с электрически управляемой фазовой скоростью, электрически перестраиваемые фильтры, переключатели, параметрические усилители.

4. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации низкочастотного измерителя полных сопротивлений (приложение №1).

2. Подключить измеряемый вариконд к прибору и измерить ёмкость конденсатора при комнатной температуре.

3. Включить термостат и снять зависимость ёмкости вариконда от температуры в диапазоне (20-100єC).

4. Из графика зависимости C = f(T) определить точку Кюри сегнетоэлектрика.

5. По известным геометрическим размерам вариконда (задаются преподавателем) найти начальное и максимальное значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика:

где S - площадь пластины

d - толщина диэлектрика

е₀ - диэлектрическая постоянная вакуума

Требования отчёта

1. Привести основные теоретические сведения о сегнетоэлектриках.

2. Привести технические данные приборов, используемых в работе, их наименование, марку.

3. Привести результаты измерений с указанием размерностей используемых значений.

4. Выводы по работе.

5. Ответить на вопросы (приложение 1).

Правила техники безопасности

Проверить наличие заземления прибора.

Литература

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

2. Электрорадиоматериалы / под ред. Б.М. Тареева, М., 1978.

Приложение 1

Контрольные вопросы

1. Основные особенности сегнетоэлектриков, отличающие их от других классов диэлектриков?

2. Связь спонтанной поляризации с пьезоэлектрическим эффектом на примере BaTiO₃.

3. Какие вещества называют сегнетоэлектриками?

4. Что такое «точка Кюри»?

5. Петля диэлектрического гистерезиса и её характерные точки.

6. Какой характер зависимости е = f(E) и е = f(T)?

7. Что такое вариконд, каковы его применения?

8. Что такое эффективная нелинейность?

9. Каков характер зависимости е_эф = f(E_m , f)?

10. Что такое коэффициент эффективной нелинейности?

11. Материалы для варикондов и их параметры.

12. Порядок выполнения работы и используемое оборудование.

13. Что такое варикап?

Приложение 2

Инструкция по эксплуатации низкочастотного измерителя полных сопротивлений

Низкочастотный измеритель полных сопротивлений обеспечивает измерение двухполюсных сопротивлений в диапазоне частот от 5 Гц до 0.5 МГц. Прибор может быть использован для прямого измерения и C, которое осуществляется путём измерения реактивного сопротивления щ·L или 1/щ·C на частотах, кратных 15.92, когда величина щ численно равна единице и реактивное сопротивление X численно равно L или 1/C. Ввиду широкополостности прибора ходы измерительных усилителей непосредственно соединены с зажимами. Следовательно, на них нельзя подавать постоянное напряжение измеряемого объекта, в этом случае необходимо использовать разделительные конденсаторы.

Основные технические данные

Диапазон частот: 5 Гц-500 кГц, перекрывается пятью поддиапазонами: 5-50, 50-500 Гц; 0.5-5, 5-50, 50-500 кГц.

Прямое измерение ёмкостей

Пределы: 0.3 пФ-10 000 мкФ (с погрешностью 8%).

Диапазон рабочих температур: +10 C - 35 C.

Относительная влажность 40%-80%.

Частота питающего напряжения - 50 Гц.

Порядок работы с прибором ВМ 507

Нажать кнопку «сеть» (MAINS). Зажигается контрольная лампа. После прогревания прибора в течение 15 минут, нажать кнопку калибровки (CAL.), причём к зажимам X и Y ничего не должно быть подсоединено. Установить предел 1 000 Ом при переключателе «частота» в положении 50-500 Гц, а ручкой калибровки (CALIBRATION) совместить стрелку со значением Z = 1 кОм. Ручкой ноль (ZERO) стрелка совмещается со значением ц = 0. После чего отжимается кнопка калибровки (CAL.).

Внимание: Измеряемый объект нельзя включать при нажатой кнопке калибровки.

Измерение ёмкости

Для измерения ёмкости необходимо подключить к измерительным зажимам X и Y данную измеряемую ёмкость, после чего установить предел 10 кОм и частоту f = 159 кГц и по шкале 3 Ома определить ёмкость конденсатора (при этом шкала 3 Ома соответствует пределу ёмкости 300 нФ).

При измерении полного сопротивления, имеющего индуктивный или ёмкостной характер (когда Q > 10 tg д < 0.1) прибор показывает значение Z = щ·L или Z = 1/щ·C.

Если подобрать частоту генератора, кратную 10/(2р) = 1.592, то значение щ = 2·р·f = 1.

Следовательно, измеренное значение Z = L или Z = 1/C. На шкале частота 15.92 представлена в виде риски. При изменении L производится отсчёт по соответствующёй шкале Z, при измерении C, когда Z = 1/C отсчёт производится по обратной шкале, по которой отсчитывается значение 1/Z = C.

Значение L и C зависит от выбранного коэффициента кратности частоты 15.92. Пределы L и C на соответствующих шкалах в таблицах, где даны значения частот. Частоты выбраны так, чтобы их количество было минимально для всего диапазона L и C. В случае индуктивности необходимо измерить её на более низких частотах.

При выборе другой частоты, не соответствующей таблице, значение L и C пересчитать. Погрешность измерения определяется суммой погрешности установки частоты 15.92 и погрешности измерения Z.

Таблица составлена для трёх частот, причём выбраны только пределы Z, соответствующие десятичным кратным L и C. По мере необходимости можно при небольших отклонениях стрелки прибора (меньше 1/3 полного отклонения) переключить на соответствующий поддиапазон и измеренные значения отсчитать более точно.

Стекло

1. В чём достоинства и недостатки стекла в электронной технике?

2. В чём состоят особенности структуры стекла?

3. Какова зависимость вязкости стекломассы от температуры и каково значение этой зависимости в технологии производства стекла?

4. Что такое «расстекловывание» и почему нежелателен этот процесс в электронной промышленности?

5. Почему при спае стекла с металлами не допускают возникновения напряжения в стекле?

6. Что такое КТР и методы его измерения.

7. Вакуумные свойства стекла.

8. Термические свойства стекла.

9. Электрические свойства стекла.

10. Оптические свойства стекла.

11. На какие группы подразделяются ситаллы в зависимости от условий кристаллизации?

12. На какие группы классифицируются электровакуумные стёкла?

13. Что называется ситаллами?

14. Область применения стекла.

15. Область применения ситалла.

16. Дайте понятие о керамике как о материале электронной техники.

17. Назовите основные виды керамики.

18. В чём преимущества и недостатки бериллиевой керамики?

Размещено на Allbest.ru