Въпрос №1: Класификация на материалите 1



страница1/3
Дата02.02.2018
Размер411.46 Kb.
#53741
  1   2   3

Въпрос №1: Класификация на материалите
1. Класификация според електрическите свойства:

  • проводници – материали, които провеждат ел. ток;

  • полупроводници – материали, които могат да провеждат или да не провеждат ток.

  • диелектрици – материали, които не провеждат ел. ток;

* Признаци:

1) според широчината на забранената зона



  • проводник – СЗ (свободна зона) – в нея има разрешени, но не заети енергийни нива; ВЗ (валентна зона) – енергийна зона, в която се намират всички валентни електрони; ∆W=0

  • полупроводник – ЗЗ (Забранена зона)=∆W – енергиен интервал между ВЗ и СЗ, в който няма разрешени енергийни нива. ∆W<3eV

  • диелектрици - ∆W>3eV

2) стойност на специфичното съпротивление ρ[Ω]: проводници αs до 10-4ρ; полупроводници αs от 10-4 до 108, диелектрици - αs над 108.

2. Класификация според магнитните свойства: μr – относителна проницаемост на материала; μr<1 – диелектрици (немагнитни материали); μr >1 – парамагнетици (немагнитни); μr >>1 – феромагнетици (магнитни).

Въпрос №3:

III Зависимост на εr от температурата:

εrе – при стопяване или кипване на материала, неговия обем се увеличава, в следствие на което N намалява;

εrй – с повишаване на температурата, силата на връзките между йоните намалява и εr се увеличава;

εrд – наблюдаваме два процеса: 1) с увеличаване на температурата, отслабва силата на връзките на молекулите; 2) с увеличаване на температурата, се увеличава температурното движение на диполите, което пречи на поляризацията.

При газообразни диелектрици има минимална диелектрична проницаемост

Въпрос №4: Поляризация на диелектриците при променливо електрическо поле.
1. Зависимост на εr от честотата на полето:


  • комплексна диелектрична проницаемост - εr˙

εr˙=1+Nα˙, α˙=α0/1+jωτ, α˙- комплексна поляризуемост на частиците; α0 – поляризуемост при постоянно поле; ω – кръгова честота на полето;

εr˙=1+(Nα0)/ε0(1+ω2τ2) – j(Nα0ωτ)/ε0(1+ω2τ2).

имагинерната част определя честотната част на загубите. εr=1+(Nα0)/ε0(1+ω2τ2)

1) когато ω0 -> εr1+(Nα0)/ε0; 2) ω∞ -> εr1+(Nα0)/∞=1; 3) ω=ω0=1/т; εr=1+(Nα0)/2ε0



2. Класификация на диелектриците:

1) според механизма на поляризация



  • диелектрици с линейни поляризации, без загуби (електронна и йонна пол.);

  • диелектрици с линейни поляризации, със загуби (диполна пол.);

  • диелектрици с нелинейни поляризации (спонтанна пол.)

2) според строежа на диелектрика:

  • неполярни материали – състоят се от неполярни молекули (полиетилен, въглероден диоксид.) /електронна пол./

  • полярни диелектрици – полярни молекули – поливинилхлорид, вода /електронна и диполна пол./

  • йонни съединения – неорганични материали, с йонна кристална решетка. Проявява се електронна и йонна пол.

  • диелектрици със сложен състав – проявяват се всички видове поляризация.


Въпрос №7: Пробив в диелектричните материали
Високото изолационно съпротивление на диелектричните материали се запазва до определена критична стойност на интензитета на електрическото поле. Ако интензитетът на полето превиши тази критична стойност, диелектрикът изгубва диелектричните си свойства – това явление се нарича пробив. Напрежението, при което настъпва пробив, се нарича пробивно напрежение Uпр, а съответният интензитет на полето – диелектрична якост Eпр. Eпр=Uпр/d, V/m, където d е дебелината на образеца от диелектр. материал, m. Диелектричната якост на материалите зависи от структурата им, поради което механизмът на пробива се определя от агрегатното им състояние.

Пробив в газообразни диелектрици: Важна отличителна черта на пробива на газовете е неговата обратимост – след премахване на въздействието на електрическото поне газообразният диелектрик възстановява диелектричните си свойства. Пробивът в газовете зависи от това дали полето е еднородно или нееднородно. Нееднородното поле се характеризира със закривени силови линии в местата на нееднородност. Еднородно се смята полето между два безкрайно дълги успоредни електрода със заоблени краища. Енергията на заредените частици за еднородно поле: W=Eqλср, където E – интензитет на полето, q - заряд на частицата, λср – дължината на средния и пробег. Пробивът на газовете зависи от налягането им. В нееднородно поле пробивното напрежение зависи от поляритета на приложеното напрежение. Силно нееднородно поле се създава между два електрода, единият от които е с форма на игла, а другият е плосък.

Пробив в течни диелектрици – Течните диелектрици имат значително по-висока диелектрична якост от газовете. Като най-важна причина за това се сочи значително по-голямата плътност на течностите, т.е. значително по-малка средна дължина на свободния пробег. В много чистите течни диелектрици пробивът може да се получи в резултат на избиване на електрони от металните електроди. В технически чистите течни диелектрици пробивът може да се получи в резултат на частични прегрявания в местата с примеси с повишена проводимост, кипване на течностите в тези места.

Пробив в твърди диелектрици – пробивът в твърдите диелектрици се осъществява по три механизма: електрически, топлинен и електрохимически. Това зависи от околните условия и структурата на материалите.

  • електрически пробив – представлява чисто електронен процес и се развива за много кратко време (10-7 до 10-8 s). За да се наблюдава чисто електрически пробив, не трябва да има загуби от поляризация, йонизация на газови включвания и електропроводимост, с което се осигурява температурата на диелектрика да бъде еднаква с тази на околната среда. Има пробив ако електрическото поле и структурата на образеца се еднородни. Пробивното напрежение е линейна функция на дебелината на образеца. В диелектрици с нееднородна структура се наблюдават повече слаби места и вероятността за тяхното съществуване се увеличава с нарастване на дебелината на материала. Диелектричната якост е по-голяма при тънки образци, отколкото при дебели.

  • топлинен пробив – получава се при нарастване на температурата на материала, когато той се намира в електрическо поле. Пробивът се характеризира не само с материала, но и с конструкцията. Пробивното напрежение зависи от честотата на полето, условията на топлоотдаване и околната температура. Отдадената топлина Pот от диелектричния образец може да се оцени приблизително чрез формулата на Нютон Pот=2hS(T-TA), където h е коефициентът на топлопроводност в мястото на контакта електрод-диелектрик, S-повърхнината на диелектрика, T-температурата на диелектрика, TA - температурата на околната среда.

  • електрохимически –получава се в резултат на структурни изменения на материала, подложен на продължително въздействие на електрическо поле.


Въпрос №11: Примесни полупроводници – основни свойства. Температурна зависимост на примесна проводимост.
1. Видове примесни ПП: полупроводников материал, със значително количество строго контролирани примеси.

а) Донорови ПП: примеси, които увеличават електроните в СЗ. Wд – ниво на донорите, ∆Wд – енергията необходима електроните да станат свободни (енергията на йонизация на доноровите примеси). ∆Wд>∆Wд  В доноровите ПП концентрацията на електрони е по-голяма от дупките (n>p). Доноровите ПП се наричат NПП.

б) акцепторни ПП (PПП) – имат акцепторни примеси, т.е. увеличават концентрацията на дупките във ВЗ. ∆WА – енергията необходима за преминаване на електрони от ВЗ (енергия на йонизация). WА – акцепторно ниво. ∆WА<∆W, p>n.

2. Разпределение на Ферми – разпределението за примесните ПП не е симетрично спрямо средата на забранената зона. За NПП нивото е изместено към СЗ, а за PПП към ВЗ. В примесните ПП имаме основни и неосновни токоносители. За NПП основни токоносители са електроните, а за PПП – дупките. Основните токоносители в NПП се дават с n≈√NдNc.exp(-∆Wд/2kT); p≈√NANB.exp(-∆WA/2kT). Nд – концентрация на донорните примеси, NA – концентрация на акцепторните примеси.

3. Температурна зависимост на примесната проводимост – σ=neμn+peμp, за NПП  σ≈neμn, за PПП  σ≈peμp. Намаляването на проводимостта при повишаване на температурата в областта на изтощени примеси, се дължи на намаляването на подвижността на токоносителите.

Въпрос №16: Електроизолационни компаунди и лакове.
1. Компаунди – маса за заливане на елементи и схеми с цел защита от околната среда (основно от повишена влажност на средата). Служат основно за корпусиране.

Основни изисквания – голямо изолационно съпротивление Rиз, малки диелектрични загуби tgδ, малка диелектрична проницаемост εr, влагопроницаемост, голяма механична якост. Получават се органични смоли (полимери), втвърдители и допълнителни вещества.



2. Електроизолационни лакове – Представляват полимерен материал, разтворен в разтворител, който се изпарява след нанасяне на лака. Служат основно за климатична защита.

Основните изисквания са голямо изолационно съпротивление Rиз, малки диелектрични загуби tgδ, малка диелектрична проницаемост εr, влагопроницаемост, адхезия, възможност за нанасяне на тънък слой, гъвкавост.



Според приложението си лаковете биват: с общо предназначение (полиуретанови и епоксидни); с повишена топлоустойчивост (силиконови); с малки диелектрични загуби (полистиролни).

Въпрос №18: Метали и сплави с висока проводимост. Благородни метали.
1. Мед (Cu). Основни свойства – малко специфично съпротивление ρ, добра технологичност (лесно се изтегля на тънки проводници и листове), запояване при ниска температура, добра корозоустойчивост, ниска цена. Приложения – проводници, за фолио (метализация) на печатни платки.

2. Алуминий (Al). Малко специфично съпротивление ρ, малко тегло; голяма топлопроводност; много бързо се оксидира и се покрива с тънък слой Al2O3, който притежава отлични диелектрични и механични свойства (от една страна този слой предпазва метала от корозия, но от друга много затруднява запояването на Al); Al е вентилен метал. Използва се за електролитни кондензатори и радиатори.

3. Благородни метали (Ag, Au, Pt, Pd). Изключителна корозоустойчивост, но висока цена. Използват се за бондиране на интегрални схеми (много тънки проводници, които свързват изводите на схемата с изводите на корпуса), в химически активни среди.
Въпрос №20: Полупроводникови материали – прости полупроводници и полупроводникови химически съединения.
1. Основни попупроводникови материали:

  • Силиций (Si)Основни параметри и свойства – относително широка забранена зона ∆W=1,12eV (това определя високата му работна температура), малка подвижност на електроните μn=0,14m2/V.s (което ограничава използването му при високи честоти), висока температура на топене ТТ=1414˚С (трудно се получава и пречиства), образува стабилен оксид SiO2 с отлични диелектрични свойства (това свойство е в основата на планарно-епитаксиалната технология за изготвяне на интеграли схеми). Приложения – интегрални схема, фотоприбори, слънчеви елементи.

  • Германий (Ge) – Относително тясна забранена зона ∆W=0,72eV (ниска работна температура), голяма подвижност на електроните μn=0,39m2/V.s (работи до високи честоти), ниска температура на топене ТТ=936˚С (лесна технологичност), образува аморфен оксид GeO2, който е разтворим дори във вода (много трудно може да се използва за интегрални схеми). Приложение – високо честотни полупроводникови дискретни елементи (диоди, транзистори), преобразуватели на Хол и др.

2. Полупроводникови химически съединения:

  • Полупроводникови материали от типа AIIIBV (индексът с римска цифра представлява валентната група на съответния елемент). За елемента AII се използват Al, Ga и In, а за BV– P, As и Sb. Класифицират се по металоодният елемент, т.е. фосфиди (AlP, GaP, InP), арсениди (AlAs, GaAs, InAs) и антимониди (AlSb, GaSb, InSb). Типичен представител е (галиев арсенид), чиито основни свойства са относително широка забранена зона, голяма подвижност на електроните. Основното му приложение е за високочестотни схеми и прибори.

  • Полупроводникови материали от типа AIIBVI. За елемента AII се използват Zn, Cd, Hg, а за BVI– S, Se, Te. Те също се класифицират по металоодния елемент, т.е. сулфиди, селениди и телъриди. Основните им приложения са за фотоприбори и полупроводникови лазери.



Въпрос №22: Магнитномеки метали и сплави – видове, свойства и приложение.
Основни свойства: голяма магнитна проводимост μr, малък коерцетивен интензитет Hc, голяма индукция на насищане Bs, малко специфично съпротивление ρ, големи загуби от вихрови токове (могат да се използват само в нискочестотни или постоянни магнитни полета).

Видове: Желязо (Fe) – основен компонент на повечето магнитни материали и сплави, но като всеки метал има малко специфично съпротивление ρ, което води до големи загуби от вихрови токове и силно ограничава приложението му при променливи магнитни полета.



Електротехническа листова стомана – стомана легирана с Si. За намаляване на загубите от вихрови токове повърхността на стоманата се лакира (за повишаване на ρ), и се намалява нейната дебелина. Поради ниската си цена основно приложение намира за магнитопроводи за мрежови трансофрматори (ниска честота 50Hz).


Въпрос №3: Поляризация на диелектриците – видове, температурна зависимост.
I Основни определения

  • голямо специфично съпротивление – не пропускат ел. ток и се използват като изолации;

  • притежават способността да натрупват заряди;

  • имат приложение в кондензаторите;

1. Относителна диелектрична проницаемост εr, C00.S/d, където C0-капацитет, d-разстоянието между електродите; S-площта на електродите; ε0-диелектрична константа (абсолютна диел. проницаемост); С=εrC0 -> C=ε0.S/d; εr=С/C0=QU/Q0U=Q/Q0, където Q е натрупания заряд при наличие на диелектрик, а Q0 – заряд когато няма диелектрик. εr>1

Процеса на изместване на свързаните в диелектрика заряди, под въздействие на външно ел. поле, се нарича поляризация.



2. Поляризация P: в следствие от поляризацията всяка градивна частица на диелектрика притежава електрически момент. P=εpi/V, където V е обема на материала, pi – диелектричен момент на частица на материала. Интензитета на ел. поле E е индукцията: D00E – индукцията на полето във вакуум.; D=εrε0E, P=D-D00r-1)E=ε0ærE, където ær-диелектрична възприемчивост.

3. Определения за поляризация:

  • като състояние – състояние на диелектрика, което се характеризира с това, че електрическия момент на част от него е различно от 0;

  • процес на изместване на еластично свързаните заряди в диелектрика.

II Видове поляризации:

1. Бързи поляризации (без загуби на енергия)

  • електронна поляризация: среща се във всички диелектрици и представлява поляризация на самия атом. Изместване и деформиране на електронния облак на атома. Pe=NαeE; αe=4πε0R3, N – брой атоми, E – интензитет на полето; R – радиус на атома, αe – поляризуемост на атома. ЕП е бърза поляризация без загуби на енергия (електроните се изместват на малки разстояния). Характерна е за всички материали. P=NαeE=(εr-1)E; εr=1+Nα/ε0

  • йонна поляризация: наблюдава се при йонни кристали. Изместванията са на малки разстояния – поляризацията е бърза и без загуби на енергия. Pй=NαйE, N-брой йони; αй-поляризуемост на йоните. αй=q2/Kел, q - заряд на йоните, k-коефициент на еластичност.

2. Бавни поляризации (придружени със загуба на енергия)

  • диполна поляризация – характерна за материали, в които не е приложено външно ел. поле, но частиците им са заредени. Материалите изградени от диполни молекули (полярни). Представлява ориентиране на диполните молекули по посока на полето. Поляризацията протича бавно, деполяризацията също. αд=pд2/3кТ, p – електрически момент на дипол, k – константа на Болцман, T-температура по Келвин. Деполяризация: N(t)=N0exp(-t/τ), N –брой на ориентирани диполи, след време t, след премахване на ел.поле, N0-брой на ориентираните диполи под въздействие на полето, τ-време за релаксация, τ=1/ω0, ω0- температурните колебания на диполите по време на релаксация.

  • структурна поляризация: при неефнородни диелектрици, в които има проводящи и непроводящи слоеве. При внасяна на ел. поле, ел. заряди се преместват и се натрупват по границите на тези слоеве. Така се образуват заряди с големи размери, които много бавно се поляризират.

  • Спонтанна поляризация – нелинейна поляризация.



Въпрос №6: Загуби в диелектричните материали.

Загубите на енергия в диелектричните материали се обуславят от процесите, които настъпват в тях под въздействието на електрическо поле, основен от които е поляризацията. В постоянно ел. поле поляризацията се осъществява еднократно и необходимата енергия за това се изразходва също еднократно. В променливо ел. поле материалът се поляризира непрекъснато в такт с изменението на посоката на интензитета на полето (честотата). Загубите на енергия от поляризацията в променливо ел. поле нарастват значително, когато периодът на изменение на интензитета на полето стане съизмерим с необходимото време за установяване на поляризацията.

Диелектрични загуби - електрическа мощност, изразходвана за нагряването на диелектрика, когато той се намира в електрическо поле. Използва се ъгъла δ, наречен ъгъл на загубите. Той представлява ъгъла, допълващ до 90о фазовия ъгъл φ между тока и напрежението в капацитивна верига.

Паралелна еквивалентна схема: Активното съпротивление R е равно на диелектричните загуби. δ=90о-φ; tgδ=IR/Ic=U/R.1/UωC=1/ωCR, където С е капацитета, а ω – кръговата честота на приложеното напрежение.

Активните загуби Р в материала са: P=UIR=U2/R=U2ωCtgδ, W;

Специфичните загуби Pv (загубите в единица обем): Pv=P/V=(U2ωCtgδ)/Sd=E2ωε0εr, W/m3, където V=Sd е обемът на диелектричния образец. C=ε0εrS/d – капацитета на образеца.

Ако R=1/σ.S/d и C=ε0εrS/d -> tgδ=σ/ωε0εr, отношението на имагинерната към реалната част, т.е tgδ=ε”r/ε’r -> имагинерната част е: ε”r=ε’rtgδ или ε.rr-jεrtgδ.



Поляризационни загуби: Релаксационните поляризации се придружават от загуба на енергия, и често се наричат релаксационни загуби. Наблюдават се само в променливо ел. поне и честотната им зависимост се описва от имагинерната част на комплексната диелектрична проницаемост. εrtgδ=(Nα0ωτ)/[ε0(1+ ω2τ2)]: 1) при ω0, εrtgδ0, но εr 1+Nα00 =>tgδ0; 2) при ω∞, εrtgδ0, но εr1 =>tgδ0; 3) при ω ω0(ω0=1/τ), εrtgδ0, εrNα00, но εr=1+Nα00 =>tgδ=Nα0/2ε0+Nα0; При постоянно поле няма загуби от поляризация. При много високи честоти поляризацията не може да се осъществи и няма да има загуби от нея. Максималните загуби се получават, когато честотата на полето съвпада с честотата, определена от времето за релаксация. В полярните диелектрици се наблюдават по-бавни поляризации в сравнение с тези в неполярните, поради което максималните загуби се получават при по-ниски честоти. Температурната зависимост на tgδ се определя от температурната зависимост на времето за релаксация τ. Времето за релаксация намалява при повишаване на температурата.

Загуби от електропроводимост: Тези загуби при добрите диелектрици са малки. Характеризират се с това, че не зависят от честотата. Изолационното съпротивление е омнично (не зависи от честотата на полето). Активните загуби от електропроводимост: P=U2/Rиз, където U e напрежението, Rиз- изолационното съпротивление. Загубите от електропроводимост са основен вид диелектрични загуби в постоянно електрическо поле. Те са температурно зависими, защото изолационното съпротивление зависи от температурата. Rиз=1/σ.d/S, където σ – специфична електропроводимост на материала; d -дебелина на образеца; S-сечение на образеца. Rиз=1/Aexp(-b/T).d/S=A’exp(b/T) -> изолационното съпротивление намалява по експоненциална крива при повишаване на температурата. P=U2/A’exp(-b/T).

Йонизационни загуби: наблюдават се в газообразни или твърди диелектрици с газова фаза (порести). Pйон=Bf(U-Uйон)3, където B-коефициент, f – честотата на приложеното напрежение, U – приложеното напрежение, Uйон-йонизационно напрежение; U>Uйон. При високи честоти йонизационните загуби в порестите материали могат да бъдат толкова големи, че да предизвикат недопустимо нагряване на материала.

Последователна еквивалентна схема: При тази схема активното съпротивление, еквивалентно на диелектричните загуби, е включено последователно на капацитета. tgδ=Ur/UCs=Ir/(I/ωCs)=ωrCS и P=UI=I2r=U2r/[(1/ωCS)2+r2]=U2ωCStgδ/1+tg2δ, където CS-капацитета на диелектричния образец в последователна схема, r-еквивалентно загубно съпротивление. Диелектричните загуби в материалите се определят от структурата им и околните условия и не могат да зависят от субективния избор на еквивалентната схема. Задължително трябва да бъдат изпълнени условията: (tgδ)пар=(tgδ)посл и (Р)пар=(Р)посл.

1/ωCR=ωCSr и U2ωCtgδ=(U2ωCStgδ)/(1+tg2δ); C=CS/(1+tg2δ) и R=r(1+1/tg2δ).



Въпрос №12: Методи за определяне на типа на проводимостта на полупроводниците. Ефект на Хол.
Ефект на Хол – образецът от полупроводников материал от донорен тип е поставен в магнитно поле с индукция By и през него протича ток с плътност Jx. Под влияние на магнитното поле движещите се свободни заряди се отклоняват към една от страничните стени на образеца и по този начин възниква напречно електродвижещо напрежение с интензитет Ez1. Полученото поле с интензитет Ez се нарича поле на Хол и интензитетът се означава с Ez=Eн. Отклоняващата сила FL, която въздейства върху движещите се свободни електрони, се нарича Лоренцова сила и се изчислява по израза FL=qByvx=eByvx, където q=e е зарядът на електрона, By- индукцията на магнитното поле, vx - скоростта на движение на електроните. vx=Exμe, μe- подвижността на електроните.  FL=eByExμe. Силата FL се уравновесява от силата еEн  eByExμe=еEн, μe=Eн/ByEx. RH – Коефициент на Хол  Jx=σEx=neμeEx, където σ=neμe е специфичната проводимост, n- концентрацията на основните токоносители, μe- подвижността на електроните. Eн=μeByEx=Jx/neEx.ByEx=RHJxB, където RH=1/ne. За образец от Р-тип, за който Eн е насочен обратно в сравнение с образец от N–тип, коеф. На Хол  RH=1/pe. RH=Eн/ByEx

Метод на горещата сонда – към едната страна на полупроводников образец с неизвестен тип на проводимостта контактува волфрамова игла, а към другата страна - плосък метален електрод. Иглата и електродът са свързани към галванометър, с който може да се отчете посоката и стойността на протичащия ток. Волфрамовата игла се загрява, в резултат на което се повишава температурата на една ограничена област около иглата. Повишената по този начин енергия в областта е достатъчна за преодоляване на ∆Wд или ∆Wа, т.е независимо от типа на полупроводника в тази област се получават свободни токоносители. Благодарение на температурния градиент в полупроводниковия образец свободните токоносители дифудират към областта с по-ниска температура и в резултат на това за N-ти полупроводник областта около иглата обединява на електрони (зарежда се положително), а останалата част се обогатява (зарежда се отрицателно). За Р-тип полупроводник е обратното. Поляритетът се отчита с галванометър.
Въпрос №15: Полимерни диелектрични материали – видове, свойства и приложение.

Каталог: Home -> Emo -> СЕМЕСТЪР%202
СЕМЕСТЪР%202 -> Автоматично поелементно тестване на мос транзистор с индуциран n-канал
СЕМЕСТЪР%202 -> Електромагнетизъм
СЕМЕСТЪР%202 -> Закон на Био-Савар-Лаплас (индукция в точка) големина на индукцията в точка индукция на безкраен праволинеен проводник в точка
СЕМЕСТЪР%202 -> Вълни Механични вълни
СЕМЕСТЪР%202 -> София Катедра " химия"
СЕМЕСТЪР%202 -> Задача №2 „евристични методи і" Метод „Морфологичен анализ и синтез". Алгоритъм Уточняване на проблема


Сподели с приятели:
  1   2   3




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница