Глава2 ПРОВОДНИКИ И ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. СВОЙСТВА ИКОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОВОДНИКОВ

Проводник - вещество, основным электрическим свойством которого является электропроводность.

Проводники являются наиболее широко применяемыми в технике материалами. Из них изготавливают обмоточные и монтажные провода, силовые кабели и линии электропередач, кабели радио, телефоннотелеграфной связи, проводящие дорожки печатных плат и интегральных схем, конструкционные детали приборов и устройств и т.п. Столь широкие области применения проводниковых материалов предполагают различные варианты их классификации. С точки зрения материаловедения общая классификация представлена на рис. 1.1.

Существует также классификация по смешанным признакам: чистые металлы; сплавы (высокого сопротивления, для термопар, припои);

тугоплавкие металлы с температурой плавления выше 1700 ºС благородные металлы.

Для электротехнического применения целесообразно проводниковые материалы подразделить на следующие группы:

материалы с высокой проводимостью; материалы с высоким удельным сопротивлением; металлы и сплавы различного назначения;

материалы на основе углерода и его модификаций; сверхпроводниковые материалы.

По агрегатному состоянию проводники могут быть твердыми, жидкими

игазообразными. Твердыми проводниками являются металлы и некоторые модификации углерода. К жидким относятся ртуть, расплавленные металлы

иэлектролиты - водные растворы кислот, щелочей и солей, которые обладают электропроводностью.

Пары и газы при низких напряжениях не являются проводниками, однако, при больших внешних полях они становятся проводниками за счет ударной ионизации. Газовая среда при равенстве в единице объема электронов

иионов называется плазмой.

Электрофизические, а также механические свойства проводников весьма разнообразны и характеризуются широким набором параметров:

удельная проводимость или удельное сопротивление; температурный коэффициент удельного сопротивления; температурный коэффициент линейного расширения; работа выхода; теплопроводность;

13

плотность; температура плавления;

относительное удлинение при разрыве; твердость; прочность и т.д.

При использовании проводников для решения различных задач в области радиотехники и электроники любой из перечисленных параметров может оказаться наиболее значимым. Однако основными параметрами проводниковых материалов являются первые четыре.

Удельная проводимость σ является количественной характеристикой способности проводить электрический ток, т.е. электропроводности вещества. Величина ρ = 1/σ, обратная удельной проводимости, называется удельным

В системе СИ размерность ρ - Ом·м. Часто используют внесистемную

единицу Ом·мм2/м. Связь между ними определяется соотношением

1 Ом·м = 106 мкОм·м = 106 0м·мм2/м.

Диапазон значений ρ для металлов достаточно узок и составляет всего около трех порядков: от 1,6·10-8 Ом·м для серебра до 6·10-8 Ом·м для материалов на основе углерода.

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ

характеризует изменение сопротивления материала при изменении температуры. У металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается вследствие уменьшения подвижности электронов за счет рассеяния энергии на тепловых колебаниях решетки. Количественной мерой изменения удельного сопротивления при изменении температуры является ТКρ. Он показывает, во сколько раз изменяется удельное

Он может быть как положительным для чистых металлов, так и отрицательным для некоторых сплавов. Для металлов ТКρ находится в пределах (2-6)·10-3 К-1.

Температурный коэффициент линейного расширения αl характеризует изменение линейных размеров материала при изменении температуры. Этот коэффициент необходимо особенно учитывать в случаях совместной или сопряженной работы различных материалов, например, металл-стекло, металл-керамика и т.д. Количественные значения αl контактирующих материалов должны быть близки, чтобы не возникали недопустимые напряжения на стыках, в спаях и т.п., приводящие к разрушению одного из

14

материалов. Величина αl; определяется выражением

которое показывает, во сколько раз изменится линейный размер (длина) образца материала при изменении температуры на один градус.

Численные значения αl металлов колеблются в широких пределах, от 4·10-6 К-1 (для вольфрама) до 182·10-6 К-1 для ртути.

Работа выхода φ численно равна энергии, необходимой для удаления электрона из вещества в вакуум без сообщения ему кинетической энергии. На энергетической диаграмме вещества работа выхода φ представляет собой энергетический интервал между уровнем вакуума и уровнем Ферми (ЕF) (рис.2.1, а). Уровень Ферми, или энергия Ферми, есть максимально возможная энергия электронов в металле при температуре абсолютного нуля. В металлах при Т=О К ЕF совпадает с потолком валентной зоны. В полупроводниках ЕF находится в запрещенной зоне (рис.2.1, б) и поэтому является условным уровнем, удобным для описания свойств и расчета количественных параметров полупроводников. Тем не менее, принято считать, что уровень Ферми есть энергетический уровень, вероятность заполнения которого электронами при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 1/2.

Рис.2.1. Энергетические диаграммы материалов, граничащих с вакуумом:

а – металла; б - полупроводника

Работа выхода и ее количественное значение является наиболее важным параметром в случае контакта различных веществ, например, металл-металл (М-М), металл-полупроводник (М-П), полупроводникполупроводник (П-П) и т.д. За счет разных значений работ выхода для электронов в месте контакта возникает контактная разность потенциалов, определяющая прохождение тока через этот контакт. В случае проводящего контакта М—М возникновение разности потенциалов — явление вредное, а для создания термопар необходима наибольшая разница значений работ выхода контактирующих металлов. Для других типов контактов работы выхода контактирующих материалов и соотношения между ними определяют физические принципы работы приборов и устройств, использующих контакты.

Таким образом, работа выхода является одним из основных параметров проводниковых и полупроводниковых материалов и должна учитываться при создании и анализе работы различных приборов и устройств.

15