§3.8. Неорганические диэлектрики. Слюда и слюдяные материалы.

Также в них могут быть соединения железа, натрия, кальция и других. Природная слюда расщепляется по плоскостям спаянности вручную до пластинок толщиной 5 мкм. Используется в конденсаторах с рабочей температурой до 400° С, фасонных деталях электронных ламп, счетчиках частиц, в окнах СВЧ волноводов и т.д. На пределе нагревостойкости из нее выделяется входящая кристаллическая вода, теряется прозрачность, увеличивается толщина, ухудшаются механические и электрические свойства, а затем она разрушается. Искусственная слюда не имеет кристаллической воды, более высокотемпература и лучше ее электрические свойства. Фторфлогопит. Из образков слюды делают прессованные плиты микалекс, в нем 60% молотой слюды, 40% молотого стекла. Они спрессованы при 600° С. Стекло прозрачный, твердый, газонепроницаемый материал с высоким электросопротивлением. Состав: стеклообразующие окислы, способные каждый в чистом виде обрадовать стекло после расплавления. Это SiO2, Na2O, CaO, BaO, PbO, ZnO, Al2O3, основная масса приходится на SiO2 - более 70%. С физической точки зрения стекло - это переохлажденная жидкость с очень большой вязкостью, с химической - система разных оскислов. Зависимость относительного удлинения стекла от температуры (график), при высоких температурах стекло жидкое, а при охлаждении в диапазоне Тпл-Тст оно становится все более вязким и все технологические процессы изготовления изделий из него ведутся приблизительно в середине этого температурного диапазона. Ниже температуры Тст стекло прочное, хрупкое и является электрическим изолятором. У легкоплавких стекол Тст около 300°С, у многих технических 500°С, Тпл 800°С, у кварцевого стекла Тст 1100°С. Листовое стекло изготавливают на машинах Фурко. При формировании листового стекла его не полируют, т.к. силы поверхностного натяжения вязкой среды обеспечивают выравнивание поверхности стекла. В стеклянных элементах электроники спаи стекла с металлом должны оставаться герметичными, коэффициенты линейного расширения стекла и металла должны быть близки. Разработаны следующие сорта стекол: платиновое (αт- 85-98*10(^-7)), молибденовое стекло (αт-86-54), вольфрамовое (αт - 35-42), кварцевое стекло имеет αт=6. Стекло - изолятор, т.к. все электроны в ионных связях, носителей тока, способных двигаться по объему в нем нет. Стекло прозрачно, т.к. большие силы связей электронов не позволяют электронам взаимодействовать с квантами света видимого глазу диапазона длин волн, т.е. ширина запрещенной зоны стекла, как диэлектрика гораздо больше, чем энергия квантов, которые проходят сквозь стекло, не затрагивая его электронов.

§4. Металлы и сплавы.

§4.1. Общие вопросы.

В твердых и жидких металлах электрический ток переносится свободными электронами, поэтому это проводники первого рода (второго рода - электролиты, в них ток переносится ионами). Пары металлов при низких напряженностях электрического поля не проводники, но их можно ионизировать и по ионизированной плазме пойдет ток. Характерные признаки металлов для электроники:

1. Удельное сопротивление или проводимость.

2. Температурный коэффициент удельного сопротивления.

3. Теплопроводность и ее температурный коэффициент.

4. Работа выхода электронов и контактная разность потенциалов.

5. ТермоЭДС (если контактирует термопара).

6. Прочность на растяжение, удлинение, кручение.

7. Способность сорбировать и десорбировать газы.

8. Упругость собственных паров при температурах плавления и выше.

9. Энергия активации процессов самодиффузии атомов внутри объема металла.

Электросопротивление металлов связано с переносом тока одним типом носителей. V определяется кристаллической решеткой металла и влияет на удельное объемное сопротивление ρ. В этом выражении у всех металлов все параметры у все металлов одинаковы, кроме λ. Она зависит от совершенства кристаллической структуры и наличия дефектов в ней, примесей. Различия сопротивления металлов определяются трудностями движения электронов сквозь дефектную кристаллическую структуру. Длина волны элеткрона в металле около 5 Ам и микро дефекты структуры создают значительное рассеивание, уменьшают подвижность электронов.

Температура также влияет на удельное сопротивление. График. В твердом состоянии рост температуры увеличивает подвижность электронов, у них возрастает количество столкновений взаимных и с кристаллической решеткой. При т плавления кристаллическая решетка с ее упорядоченностью исчезает, в жидком вещества атомы расположены хаотично и сопротивление больше. Отношение жидкого к твердому у разных металлов различно. У ртути 3,2, для меди 2,4, золото - 2,28 - олово 2,1,серебро 1.9, галлий - 0,58, висмут - 0,43. То есть два последних после расплавления удельное сопротивление уменьшают. Объяснение в том, что в жидком виде эти металлы более плотны, чем в твердом.

При охлаждении металлов наблюдается сверхпроводимость. Вблизи температур абсолютного нуля (4-8 К). При сильном охлаждении атомы металлов в узлах решетки перестают совершать тепловые колебания. Появляется электропродность благодаря формированию "куперовских" пар. Это направленное движение электронов, при котором электроно, проходящий через каждый очередной атомный ряд притягивает к себе четыре окружающих его иона в узлах решетки. Сконцентрированный положительный заряд ионов решетки в свою очередь притягивает к этому место второй электрон куперовской пары, идущей следом. Такие пары формируются и вновь распадаются при преодолении каждого последующего ряда узлов кристаллической решетки. Колебаний атома в узлах решетки из за тепла нет, они способны отозваться на отрицательный заряд электрона, но при увеличении температуры металла тепловые колебания атомов превышают энергию притяжения электронов, проходящих мимо и сверхпроводимость исчезает. Сверхпроводимость зависит от совершенства кристаллической решетки, от наличия дефектов в ней и примесей. Для некоторых сверхпроводников расчетной время затухания возбужденого в электрическом контуре тока составляет 10^5 лет. При деформациях ρ растет из за появления дефектов кристалличекого строения, а последующий термический отжег с медленным охлаждением после нагрева благодаря самодиффузии атомов и залечиванию дефектов ρ уменьшает. В микроэлектронике электропроводность тонких пленок по отношению к объемным металлам имеет отличия. Тонкие пленки это слои металла толщиной, соизмеримой с длиной свободного пробега электронов. И различные электрические отличия связаны с влиянием близко находящихся друг к другу поверхностей слоя металла. На высоких частотах в проводнике токи сосредотачиваются вблизи поверхности, появляется скин-эффект. На частоте 50 Гц Δ доли сантиметра, на 10^5 Гц - миллиметра, на 10^8 Гц, 10^-4 см.

Между теплопроводностью и электропроводностью металлов существует связь. λ/σ=а*Т, а - коэффициент пропорциональности Ватт*Ом/К^2. Величина а для разных металлов. В этом законе Видемана Франца при повышении температуры величина теплопроводности и электропроводности, но их отношение остается неизменным, кратным величине а. Причина в том, что теплопроводность металла и его электропроводность обеспечиваются подвижности электронами. Закон Франца выполняется при температурах, когда электроны, при движении в кристаллических решетках соударяются упруго, и при температурах выше 0,7Тпл на движение электронов начинают сильно влиять колебания узлов кристаллической решетки металла. И ВФ закон перестает выполняться.