Классификация.
Проводниковые материалы − это материалы, основным свойством которых является проводимость.
Проводниковые материалы могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
К твёрдым проводникам относятся металлы, их сплавы и электроугольные изделия,- это проводники I рода.
Валентные электроны металлов могут свободно перемещаться в пределах кристаллического тела, образуя электронное облако (свободные заряды). Ток в металлах– это движение свободных электронов под действием сил электрического поля. Сопротивление движению электронов оказывается дефектами кристаллической решётки и тепловыми колебаниями ионов в её узлах.
К жидким проводникам (проводникам II рода) относятся расплавленные металлы (сплавы) и электролиты (растворы солей, кислот, щелочей).
Электрический ток в жидкостях обусловлен движением ионов под действием приложенного извне напряжения.
При прохождении тока через электролит электрические заряды переносятся вместе с ионами электролита. На электродах происходит выделение вещества из раствора, следовательно, концентрация электролита уменьшается.
К газообразным проводникам относятся все газы и пары, в том числе пары металлов. При малых напряжениях они являются диэлектриками и обладают очень большим сопротивлением. При достаточно высокой напряженности электрического поля начинается поляризация (пробой диэлектрика), газ становиться проводником с электронными и ионными носителями зарядов.
Сильно ионизированный газ называется плазмой.
В зависимости от применения проводники делятся на группы:
- материалы высокой проводимости;
- материалы высокого сопротивления(резистивные);
|
|
- материалы специального назначения;
- криопроводники и сверхпроводники;
Тема 1. Проводниковые материалы.
Электронная теория металлов.
Применяются для изготовления токопроводящих элементов электроустановок.
Наиболее распространённые – твердые проводниковые материалы: металлы, их сплавы, электроугольные изделия.
Основные характеристики.
1. Удельное сопротивление: 
так как 
, то применяют 
− удельная проводимость 
. (МегаСименс/метр)
В соответствии с электронной теорией металлов
, где 
,
где 
= 9,109 
кг. - масса покоя электрона,
e= 1,602 
Кл. – заряд электрона 
,
= 
средняя скорость теплового движения электронов при комнатной температуре,
= 
среднее число электронов в единице объёма,
- средняя длина свободного пробега электронов,
аким образом 
× = a = const 
≠ const.
Оно зависит:
а) = 
, где B - магнитная индукция
Значительная зависимость у нихрома из него делают магниторезисторы. При увеличении магнитной индукции удельное сопротивление увеличивается.
б) = 
, где ᴂ - величина механического усилия приложенного к материалу. Тензоэффект – свойство материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. Константан - проводниковый материал для изготовления тензодатчиков, хотя основные материалы для тензодатчиков - полупроводники.
в) = 
, - дефекты кристаллической решетки. Типы дефектов:
- атомная вакансия;
- атом в междоузлии;
- атом примеси;
- дислокация – дефект сдвига линий или плотности размещения атомов в кристалле.
г) 
= 
- наличие примесей.
Значительно больше, чем в предыдущем пункте количество примесей.
|
|
Например: Al после зонной плавки имеет в 70 раз меньше, чем химически чистый Al (99,5%).
≈ 
≈ 
≈ 
д) = 
- зависимость от объёма образца.
Так как при изменении объёма большое значение приобретает приповерхностный и поверхностный эффект (размерный эффект, т.е. когда размеры тела соизмеримы с ).
е) = 
- зависимость от частоты протекания тока.
У зависимостей от объема образца и от частоты протекания тока − одна природа. В основе лежит скин-эффект − концентрация переменных токов у поверхности проводника. Причина скин-эффекта – магнитное поле, создаваемое током внутри проводника, которое вытесняет ток к поверхности. Например: для Cu на частотах, соответствующих сантиметровым волнам (f>3ГГц) ток проникает на глубину в несколько десятитысячных долей миллиметра (2…4× 
мм)=0,200=0,400мкм.
ж) = 
– от температуры − (очень важная характеристика)
2. Температурный коэффициент удельного сопротивления.
В справочниках обычно 
приводится к t=20 
.
У большинства металлов лежит в окрестности = 0,004 
, хотя в некоторых случаях бывают существенные отличия, особенно у сплавов.
В некотором диапазоне
– средний коэффициент сопротивления
мкОм 
-температура вхождения в сверхпроводимость, она зависит (обязательно!) от индукции магнитного поля.
температуры вхождения в сверхпроводимость удельное сопротивление скачком 
В области высоких температур может быть резкое изменение .
При 
у Cu резко возрастает
(≈в 2.4 раза). У Ga – резко падает (≈в 1.8 раза).
3. Отношение сопротивления расплавленного металла к сопротивлению твердого металла при 
см. рисунок
|
|
4. Работа выхода электронов: 
− это дополнительное (до уровня Ферми) количество энергии, которое надо сообщить свободному электрону, находящемуся в твердом теле, для того, чтобы он смог вылететь из этого тела.
Важная характеристика при изготовлении катодов электровакуумных приборов, аквадагов (материал для покрытия электровакуумных приборов), термопар
5. Явление возникновения разности потенциалов на концах двух проводников при нагревании контактирующей поверхности (спая) носит название эффекта Зеебека.
При нагревании спая двух различных проводников в области их соприкосновения возникает контактная разность потенциалов. Ее величина не зависит ни от формы, ни от размера проводников и определяется лишь тем, какие металлы вступили в контакт и какова температура в месте их соприкосновения. Причины этого явления – разная работа выхода электронов и различная концентрация свободных электронов в соприкасающихся металлах. Металл, имеющий меньшее значение работы выхода e, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода заряжается отрицательно. Электроны на горячем конце имеют более высокую энергию, вследствие диффузии это приводит к их дефициту на нем и избытку на холодном конце. Соответственно на горячем конце появляется (+) потенциал, а на холодном (-). Суммарная разность потенциалов определяется обеими причинами.
Характеризуется величиной термо Э.Д.С. в паре с платиной 
в диапазоне температур 0...1000 .
;
где α = – коэффициент термо Э.Д.С, 
=1.38× 
– постоянная Больцмана, e – заряд электрона, 
– концентрация свободных электронов в соприкасающихся проводниках.
Явление имеет и плюсы и минусы.
Плюсы− термопара, быстродействующий датчик температур.
Минусы− появление тепловой микровольтовой помехи, особенно нежелательной при контакте проводников в СБИС.
Тепловые свойства.
1. Удельная теплопроводность 
.
2. Удельная теплоемкость 
– отношение изменения количества теплоты,
сообщенного телу, к соответствующему изменению его температуры.
Удельная теплопроводность и удельная теплоемкость имеют большое значение при изготовлении подложек, теплоотводов и так далее. Хороши: Au, Ag, Cu, Al, алмаз.
3. Температурный коэффициент линейного расширения
; 
Для проводников 
Важно при изготовлении вакуумных баллонов.
4. Температурный ряд: 
и так далее.
Механические и физические свойства.
1. Удельный вес (или плотность).
2. Прочность при растяжении, сжатии, изгибе. Коэффициент прочности на разрыв: 
(относительное удлинение при разрыве).
Характеристики очень важны в проводах линий передач. В институте метрологии изобрели материал хронвангал (хром, ванадий, галлий). Позволяет делать провода с Æ 20…80 мкм (как человеческий волос). Высокая прочность на разрыв, высокое и низкий 
.
3. Стойкость к истиранию.
4. Твердость.
5. Окисляемость материала в кислородной среде. Самая высокая стойкость к окислению: Au, Ni, Cr. У Al образуется окисная пленка ≈ 30 мкм, препятствующая пайке.
6. Коэффициент адгезии. Адгезия – способность материалов сцепляться друг с другом. При изготовлении БИС необходимые соединения выполняются проводниками из Au. Подложка из Si покрыта окисной пленкой Si 
. Au и Si обладают плохой адгезией, поэтому выполняются многослойные конструкции.
Нихром обладает хорошей адгезией с Au и Cu, Используются также Ni,Cr, Ti, Ta, Nb.
7. Коэффициент диффузии. Он учитывается, когда имеют дело со сверхчистыми материалами и неконтролируемая диффузия может навредить.
Si очень хороший поглотитель атомов, диффундирующих при изменении температуры.
Коэффициент диффузии очень высок у Si и Au. Поэтому его ограничивают с помощью пленки Si .