Основные электрические характеристики материалов

Классификация радиоэлектронных радиоматериалов

Лекция 1. Назначение, основные свойства и электрические характеристики радиоматериалов

Содержание

Лекция 1. Назначение, основные свойства и электрические

характеристики радиоматериалов.................................................................5

Лекция 2. Потери энергии в диэлектриках, механические,

тепловые и физико-химические характеристики материалов....................7

Лекция 3. Электрические процессы в диэлектриках,

поляризация, электропроводность и пробой диэдектриков......................12

Лекция 4. Виды твердых диэлектриков,

полимеризационные и поликонденсационные диэлектрики.....................17

Лекция 5. Пластмассы, лаки и компаунды.................................................23

Лекция 6. Радиокерамические материалы, стекла и ситаллы...................28

Лекция 7. Пьезокерамические материалы и электреты............................32

Лекция 8. Проводниковые материалы и провода......................................35

Лекция 9. Характеристики магнитных материалов...................................40

Лекция 10. Металлические магнитно-мягкие и

магнитно-твердые материалы.......................................................................44

Лекция 11. Ферриты и магнитодиэлектрики..............................................47

Лекция 12. Полупроводниковые материалы.............................................. 51

Содержание лекции:

- классификация радиоэлектронных материалов;

- основные электрические характеристики материалов.

Цели лекции:

- изучение классификации радиоматериалов;

- изучение основных электрических характеристик материалов.

В отличие от конструкционных (пластмассы, металлы) и вспомогательных (припои, клеи) материалов электронные материалы в устройствах, находясь под действием электромагнитных полей, должны выполнять свойственные им функции. Некоторые из радиоматериалов, например, диэлектрики, могут находиться одновременно под действием высокого электрического напряжения, постоянного и переменного токов. Это вызывает в материале особое напряженное состояние. Выход из строя даже одного из диэлектриков часто влечет за собой выход из работы радиокомпонента, в котором используется данный диэлектрик, (конденса-тора, трансформатора, соединителя и т.д.), а иногда и всего аппарата.

Очень сложной задачей является правильный выбор материала, определяемый в первую очередь совокупностью его электрических, механи-ческих, магнитных, тепловых и физико-химических свойств. Эти свойства определяются величинами, называемыми характеристиками или парамет-рами материалов.

Все радиоматериалы можно разделить на четыре основные группы: проводники, полупроводники, диэлектрики, магнитные материалы.

Проводники – это металлические материалы, обладающие большой электропроводностью, обусловленной наличием у них большого числа свободных электронов.

Диэлектрики – это материалы, обладающие незначительной электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц (электронов и ионов).

Полупроводники – это материалы, обладающие меньшей электропро-водностью, чем проводники, т.к. у них значительно меньше свободных электронов.

Магнитными называют материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, т.е. приобретать магнитные свойства, что обусловлено их строением.

Каждый из радиоматериалов обладает электрическими свойствами, т.к. все радиоматериалы (в том числе и диэлектрики) обладают электро-проводностью. Для оценки электрических свойств используются электрические характеристики.

Удельное электрическое сопротивление ρ – это электрическая харак-теристика, применяемая для оценки электропроводности материалов. Она выражается в омах на метр (Ом·м). В радиоэлектронике используют также меньшую единицу (Ом·см). Для оценки большой электропроводности металлических проводниковых материалов (меди, алюминия и др.) применяют еще меньшую величину удельного электрического сопротивле-ния – микроом на метр (мкОм·м). Соотношение между перечисленными единицами: 1 Ом·см = 10 000 мкОм·м = 0,01 Ом·м.

Все радиоматериалы по эдектропроводности можно разделить на три основные группы:

проводники ρ = 10-8 ÷ 10-5 Ом·м,

полупроводники ρ = 10-6 ÷ 107 Ом·м,

диэлектрики ρ = 107 ÷ 1018 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление любого радиоматериала зависит от температуры, (рисунок 1.1-а). Так у проводников с повышением температуры удельное электрическое сопротивление возрастает. У полупроводников и диэлектриков, наоборот, с возрастанием температуры удельное электрическое сопротивление уменьшается.

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ – величи-на, с помощью которой можно учитывать изменение удельного электричес-кого сопротивления в зависимости от температуры материала ТКρ = (ρ2 – ρ1) / ρ1( Т2 – Т1), где ρ1 и ρ2 - удельные сопротивления материала при начальной Т1 и конечной Т2 температурах.

У проводников с ростом температуры удельное сопротивление возрастает, т.е. ТКρ > 0 – положительная величина, у полупроводников и диэлектриков с ростом температуры удельное сопротивление уменьшается, т.е. ТКρ < 0 – величина отрицательная.

а) б)

Рисунок 1.1 – Зависимость удельного электрического сопротивления мате-риалов от температуры (а), токи объемной и поверхностной электропро-водности в диэлектрике (б).

 

В твердых диэлектриках имеются токи объёмной IV и поверхностной IS электропроводности (рисунок 1.1-б), поэтому у них определяют удельное объёмное ρV и поверхностное ρS сопротивления. Удельное поверхностное сопротивление так же как и общее, выражается в омах. Удельное объёмное сопротивление характеризует свойство диэлектрика проводить ток через свой объём, а удельное поверхностное сопротивление – по своей поверх-ности. У диэлектриков ρV = 107÷ 1018 Ом·м; ρS = 109 ÷ 1016 Ом.

Удельная проводимость γ (См /м) – величина, обратная удельному сопротивлению γ = 1/ρ. У твердых диэлектриков различают удельную объёмную γV = 1/ρV (См /см, Ом-1·м-1)и удельную поверхностную проводимости γ S = 1/ρS (См).

Удельной проводимостью характеризуется степень электропровод-ности радиоматериала. Так, у проводников γ = 105 ÷ 108 См/м, а у полупроводников γ = 106 ÷ 10-7 См/м. Удельные объёмная и поверхностная проводимости твердых диэлектриков очень малы: γV = 10-7 ÷ 10-18 См/м,

γ S = 10-8÷ 10-16 См. Это позволяет использовать их для изоляции частей радиоэлектронных устройств, находящихся под разными электрическими потенциалами.

Для оценки электрического сопротивления тонких пленок (диэлектриков, полупроводников и др.), например в тонкопленочных инте-гральных микросхемах, используют сопротивление пленки R (Ом /), отне-сенное к квадрату её поверхности (рисунок 1.2-а): R = ρ а /Δ а = ρ/Δ.

Диэлектрическая проницаемость εr (относительная диэлектрическая проницаемость) характеризует способность диэлектрика или полупроводника образовывать электрическую емкость. Емкость С (Ф) плос-го конденсатора (рисунок 1.2-б) заданных размеров прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости применяемого в нем диэлектрика С = εаS/h, где εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м, S – площадь одной металлической обкладки, м2, h – толщина диэлектрика, м; εа = ε0 εr, где ε0 = 8,85416·10-12 – электрическая постоянная, Ф/м, εr – относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная величина). Наименьшую диэ-лектрическую проницаемость имеет вакуум (εr = 1), жидкие и твердые диэле- ктрики (εr ≈ 2÷17); диэлектрическая проницаемость воздуха εr = 1,00058.

а) б)

Рисунок 1.2 – Измерение электрического сопротивления тонких пленок (а), плоский конденсатор (б).

 

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКεr(К-1) характеризует изменение диэлектрической проницаемости εr ра-диоматериалов от температуры (рисунок 1.3-а):

ТКεr = (εr1 - εr2) /εr1(Т1 - Т2), где εr 1 и εr 2 - диэлектрическая прони-цаемость материала при начальной Т1 и при конечной Т2 температурах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости имеет положительное или отрицательное значение и соответственно указывает, возрастает или убывает (при увеличении температуры) диэлектрическая проницаемость данного диэлектрика.