4.2.11 Цинк и кадмий

Цинк — светлый металл, получаемый металлургическими методами и очищаемый электролитически. Цинк марки ЦВ (высокоочищенный) содержит не менее 99,99% Zn.

Цинк применяют для защитных покрытий, в качестве составной части латуней и как материал для электродов гальванических элементов. Кроме того, его используют в фотоэлементах и для металлизации бумаги в металлобумажных конденсаторах. Нанесение металлического слоя на бумагу производят путем испарения цинка в вакууме при температуре порядка 600° С.

Кадмий — серебристо-белый металл, являющийся постоянным спутником цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при металлургии цинка; подвергается электролитической очистке.

Кадмий выпускают нескольких марок в зависимости от чистоты (наиболее высокая степень чистоты — 99,997%).

Кадмий применяют для изготовления фотоэлементов и покрытий СВЧ-волноводов вместо серебра. Он входит в состав ряда припоев и бронз, используется в производстве гальванических элементов, а также в атомных реакторах — в качестве замедлителя.

4.2.12 Индий и галлий

Индий — металл с низкой температурой плавления, использующийся в качестве акцепторной примеси и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых диодов.

Галлий интересен тем, что он плавится почти при комнатной температуре. Как и индий, его применяют в полупроводниковой технике в качестве легирующей примеси для германия.

Сплавы индия с галлием, имеющие температуру плавления ниже нормальной, используют как жидкие проводниковые материалы для нанесения электродов на различные диэлектрические и полупроводниковые материалы.

4.2.13 Ртуть

Ртуть — единственный чистый металл, при нормальной температуре находящийся в жидком состоянии. Получаемую металлургическим путем ртуть подвергают многократной очистке, заканчивающейся вакуумной перегонкой при температуре порядка 200° С. Ртуть легко испаряется даже при комнатной температуре. Пары ртути отличаются более низким потенциалом ионизации по сравнению с обычными и инертными газами, что и обусловливает применение ртути в газоразрядных приборах.

Ртуть и ее соединения весьма ядовиты; очень вредны пары ртути.

Щелочные и щелочноземельные металлы, магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, золото и серебро растворяются в ртути, образуя амальгамы. Слабо растворяются в ртути медь и никель. Приборы, содержащие ртуть, должны иметь металлическую арматуру из вольфрама, железа или тантала, так как эти металлы не растворимы в ртути.

Ртуть применяют в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, в ртутных лампах и газоразрядных приборах, в лампах дневного света, а также для ртутных контактов в реле и др.

4.3 Особенности металлов в тонко пленочном состоянии

Применяются для изготовления постоянных и отчасти переменных резисторов.

От состава пленки можно разделить:

- материалы на основе металлов и их соединений (оксидов, силицидов, карбидов);

- неметаллические (углеродистые) материалы.

Пленочные на основе металлов и их соединений. Используются в микроэлектронике при изготовлении: резисторов и резистивных элементов. Пленки, содержащие кремний, тантал, хром и нихром обладают повышенным значением удельного поверхностного сопротивления и низким значением температурного коэффициента. Наносят пленки на основание (подложку) из ситалла, стекла или другом диэлектрике, пленки и двуокиси олова. Как наносят – путем термического разложения хлористого олова. Как наносят – путем термического разложения хлористого олова.

Термоэлектронная эмиссия. Вторичная эмиссия. Внутри металла свободные электроны находятся в непрерывном тепловом движении, но из металла они не вылетают, так как есть какие-то силы, препятствующие их вылету из металла.

Рисунок 3.4 – Разность потенциалов на границе металл-вакуум

Металлическая пластина – электрически нейтральная. Если электроны покинут поверхность металла, то металл заряжается положительно, а около границы раздела металл-вакуум, образуется скопление электронов. Между этими электронами и положительными ионами (находящимися внутри металла) образуется электрическое поле. Для последующих электронов, стремящихся покинуть металл, поле будет тормозящим, а для электронов покинувших металл – ускоряющим и будет притягивать их обратно в металл.

Чтобы покинуть металл электрон должен совершить определенную работу по преодолению сил обратного притяжения к металлу. Эта работа носит название работы выхода.

Процесс выхода электрона из металла в окружающую среду получил название электронной эмиссии.

Эмиссия возможна только тогда, когда кинетическая энергия электрона (находящегося в металле) больше или равна работе выхода

где е – заряд электрона, Кл;

φ – разность потенциалов, В

Значение работы выхода у разных металлов разные:

цезий – 1,81 эВ

барий – 2-2,52 эВ

торий – 3,4 эВ

ртуть – 4,4 эВ

вольфрам – 4,52

Виды эмиссии. Чтобы электроны могли выйти из металла, необходимо сообщить им из вне необходимую дополнительную энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии различают виды эмиссии:

-термоэлектронную – за счет нагрева катода;

-фотоэлектронную – за счет энергии света;

-электростатическую (автоэлектронную), при которой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов из металла;

-вторичную – результат бомбардировки катода потоком первичных электронов и ионов.

Катодом называется тело излучающие электроны.

Особенности термоэлектронной эмиссии. При комнатной температуре число электронов, энергия которых превышает работу выхода, ничтожно мала. Если нагреть катод до определенной температуры, то произойдет эмиссия. Рассмотрим зависимость тока эмиссии от температуры (формула Дэшмана)

,

где S – площадь поверхности катода, излучающего электроны, см²;

А – постоянная для данного катода;

Т – абсолютная температура катода;

е – (2,72) основание натурального логарифма

e φ – работа выхода, эВ

К – постоянная Больцмана = 8,62 * 10эВ/градус

Рисунок 3.5 – Эмиссия вольфрамого катода

Эмиссия начинается лишь при температуре 2200°, и при дальнейшем увеличении Т° растет очень быстро.

У разных катодов разная работа выхода, а поэтому ток эмиссии начинается при других температурах больших или меньших.

Параметры катодов. Типы катодов. Максимальная плотность тока эмиссии, эффективность, рабочая температура, долговечность.

Эффективность – ток эмиссии на один ватт мощности, затраченной на нагрев катода.

Н = Ie/Pнагрева [мА/Вт]

Чем ниже рабочая Т°, тем меньше мощности необходимо для нагрева катода, поэтому необходимо уменьшать работу выхода.

Долговечность – это время, в течение которого катод может непрерывно работать сохраняя свои важнейшие параметры.

Типы катодов. У вольфрамовых катодов большая работа выхода, высокая рабочая температура, малая эффективность.