2. Разпределение на Ферми: P(W)=1/[1+exp((W-WF)/kT)], W. В собствените ПП концентрацията на електроните и дупките е равна, т.е. разпределението на Ферми е симетрично, като нивото на Ферми се намира точно в средата на ЗЗ. ni=pi=√NCNB.exp(-∆W/2kT), ni – концентрация на свободни електрони в собствен ПП; pi – концентрация на дупките в собствените ПП; NC – плътност на енергетичните състояния в СЗ, NB – плътност на енергетичните състояния във ВЗ, ∆W – широчина на ЗЗ.
3. Собствена проводимост – под влияние на ел. поле, свободните електрони се движат в кристала и имаме N-проводимост.
-
дупките се движат фиктивно, като валентните електрони от съседните ковалентни връзки заемат некомпенсираните положителни заряди (дупки). Тази проводимост е P (positive). σi=nieμn+pieμp=nie(μn+μp), μn- подвижност на електроните, μp – подвижност на дупките.
Въпрос №9: Основни свойства на материалите с електронна проводимост.
1. Физическа природа на ел. проводимост: структурата на метала е кристална решетка, във възлите, на която се намират атоми, а между тях се движат свободни електрони. Тези свободни електрони, при прилагане на външно ел. поле, извършват насочено движение, т.е протича ел. ток.
а) Квантова статистика на електроните в метала – с увеличаване на температурата, се увеличава, вероятността електроните да заемат по-високи нива. Тази вероятност се подчинява на разпределението на Ферми. P(W)=1/[1+exp((W-WF)/kT)], W – енергията на веригата, WF – ниво на Ферми.
Ниво на Ферми: 1) T=0˚K -> най-високото заето енергетично ниво; 2) T>0˚K -> ниевото, вероятността за заемането, на което е 0,5; P(WF)=0,5. Разпределението на Ферми е симетрично, т.е. заетите енергетични нива над нивото на Ферми, са точно толкова колкото свободните под него.
б) Специфична електропроводимост – σ=nqμ, n – концентрация на свободните електрони, q=e – заряд на електрона, μ – подвижност на електроните -> μ=eλср/2mVт, λср- дължина на средния свободен пробег на електрона, Vт- топлинна скорост на електроните, m – маса на електрона. Различните метали имат различни електропроводимости, за сметка на различни подвижности на електроните.
2. Коефициент на токопроводимост hт – Топлината в металите се предава чрез движение на свободните електрони. hт=aTσ, W/m˚K, a – флоренцово число.
3. Влияние на температурата върху електропроводимостта на металите: q – константа, която не се влияе от външни фактори. С увеличаване на темп. се увеличава концентрацията на свободните електрони. С увеличаване на темп. се увеличава амплитудата на трептене на възлите на крист. решетка λср намалява, намалява и μ. На практика, основни влияние оказва намаляването на подвижността.
ρ=1/σ специфично съпротивление. В работния температурен диапазон, специфичното съпротивление на чистите метали нараства линейно.
Относителен температурен коефициент на ρ: αρ=TKρ=dρ/ρdT, ˚K-1. Използвайки метода на линейна апроксимация за температурния коефициент αρ=∆ρ/ρ∆T=(ρт-ρА)/ρт(Т-ТА), ТА- стайна температура. апроксимация=приближение. ρт=ρА[1+αρ(Т-ТА)]
4. Зависимост на проводимостта на металите от примесите:
-
примесните атоми, създават изкривявания в кристалната решетка на метала, поради което намалява подвижността на електроните, в следствие на което намалява и електропроводимостта.
-
получаването на отрицателен температурен коефициент се дължи на това, че процесът на увеличаване на концентрацията, получава преобладаващо влиянието спрямо намаляването на подвижността. При подходящо отношение между двата метала, може да се получи сплав с α=0.
5. Константна потенциална разлика и термоелектродвижещо напрежение: За всеки материал е характерна отделителна работа. Това е енергията, необходима за електрона, за да напусне структурата на метала.
-
При контакт на двата метала, електроните преминават от областите с по-високо ниво на Ферми (метал В), към тези с по-ниско (метал А). В следствие на това метал В обеднява (зарежда се с ‘+’), а метал А се обогатява (зарежда се с ‘-’). Получава се контактна потенциална разлика. Uk~(WOA-WOB) -> пропорционална.
-
Електроните ще се придвижват от по-топлия към по-студения край. Тази разлика се нарича термо ЕДН. Преминаването е с цел предаване на топлина между двата края на проводника. ∆U=Uk(T2)-Uk(T1).
Въпрос №19: Припои и флюсове. Метали и сплави за контакти и термо-двойки. Сплави с високо съпротивление.
1. Припои и флюсове – Припоите са сплави, които се използват за запояване (създаване на механически здрав шев и/или електрически контакт с малко контактно съпротивление). Основни изисквания са ниска температура на топене ТТ, галванична съвместимост със спояваните метали, голяма механична якост, добра корозоустойчивост, малко специфично съпротивление ρ, ниска цена. До скоро най-разпространени припои бяха калаено-оловните сплави. Все по-широко навлиза използването на безоловни припои – сплави на калай, сребро и мед.
Флюсовете са материали, които осигуряват доброто умокряне на спояваните метали, отделяне на оксидния слой от повърхността им, защита от оксидиране по време на запояване и др. Производителите на различните припои препоръчват и най-подходящите флюсове, като най-разпространени са колофонните флюсове.
2. Метали и сплави за контакти и термо-двойки. Основни изисквания са малко механично износване, висока температура на топене ТТ (да не се запои контакта), добра корозоустойчивост, малко специфично съпротивление ρ, голяма химическа устойчивост и др. В състава им влизат основно метали с висока температура на топене ТТ като W, Mo, Cr, Cd. Основни изисквания към материалите за термо-двойки са да имат голяма стойност на термо ЕДН, висока температурна стабилност на параметрите. Представители: константан, мед и Pt.
3. Сплави с високо съпротивление.
- резистивни сплави – използват се за изготвяне на токопровеждащия елемент на резистори. Основни изисквания: голямо специфично съпротивление ρ, добра технологичност, малка стойност на термо ЕДН основно спрямо Cu (обикновено от Cu са изготвени изводите на резистора), висока температурна стабилност на параметрите им (основно малък температурен коефициент на специфично съпротивление αρ). Представители: манганин, константан, сплави на благородни метали.
- топлоустойчиви сплави – използват се за изготвяне на нагреватели. Основни изисквания: голяма работна температура, при която да образуват стабилен косид. Представители са най-разпространени са Cr-Ni сплави (нихром).
Въпрос №24: Магнитнотвърди материали – видове, свойства и приложение.
Основни свойства: голяма енергия на размагнитване (запазват дълго време намагнитеното си състояние), голям коерцитивен интензитет Hc, голяма остатъчна индукция Br. Приложения – постоянни магнити. Представители – сплави от типа ални (Al, Ni, Fe) и алнико (Al, Ni, Co, Fe), бариеви и стронциеви ферити.
Въпрос №26: Жични, слойни и композиционни резистори - свойства.
Металослойни резистори – токопровеждащият слой се изпълнява от метални сплави чрез вакуумно изпарение или катодно разпрашване. Температурният коефициент на съпротивлението на металослойните резистори е в границите от ±25.10-6 до ±250.10-6˚C-1. Резистори, в които токопровеждащият слой е от метален оксид вместо метална сплав, се наричат металооксидни. Те имат по-висока топлинна и химическа устойчивост, по-ниско на шума и малко размери в сравнение с металослойните.
Композиционни резистори – при тях материалът на токопровеждащия елемент е композиция от проводникови и диелектрични материали. Композиционните резистори се произвеждат като слойни и обемни. Материалът, от който се изгражда токопров. Елемент на слойните резистори, представлява композиция от проводников материал, свързващ материал и пълнител. Проводниковият материал е прахообразен графит и сажди с голяма дисперсност. Като свързващи материали се използват маслени лакове на основа алкидни смоли. Пълнителите са неорганични материали, с които се подобрява топлоустойчивостта, влагоустойчивостта, механичната якост и устойчивостта на износване на композицията. Пълнителят заема 30% от обема. Недостатъци: по-високо ниво на шума и по-малка стабилност. Използват се като високоомни резистори. Токопров. елемент на обемните резистори се изготвя чрез пресуване на прахообразна композиция. Като свързващ материал се използва термореактивна смола. Пълнителят е 50-60% от обема на композицията.
Жични резистори – Токопров. елемент се изпълнява от неизолирани или изолирани проводници от сплави с голямо специфично съпротивление – обикновено константан, манганин. Свойства: висока точност и сравнително малък темп. коефициент на съпротивлението; много високо ниво на шума; най-висока устойчивост на импулсно претоварване; висока стабилност във времето; възможност за получаване на малки стойности на номиналното съпротивление. Номинално съпротивление при тези резистори от 0,1Ω до 100кΩ, номинална мощност от 3W до 100W, максимална допустима температура 400˚C.
|
