Материал: 551

21

где ρтепл, ρприм, ρдеф - удельные сопротивления, обусловленные рассеянием электронов на тепловых колебаниях, примесях и дефектах,

ρост – не зависящее от температуры слагаемое или остаточное сопротивление.

Сплавом называется механическая или химическая смесь не менее двух металлов. В сплавах, состоящих из двух или нескольких металлов, кристаллическая решетка имеет неправильную форму из-за внедрения ионов одного металла в кристаллическую решетку другого,

вследствие этого ρост для сплавов больше, что приводит к увеличению их удельного сопротивления по сравнению с чистыми металлами.

Рисунок3.1 - Зависимостьудельногосопротивления итемпературногокоэффициентаудельногосопротивлениясплаваотсостава

В случае очень низкой концентрации одного из компонентов, остаточное сопротивление линейно зависит от концентрации примесных атомов.

Увеличение температуры не приводит к росту концентрации электронов n, но увеличивает амплитуды колебаний закрепленных ионов. По этой причине увеличивается вероятность столкновения электронов с ионами, т.е. снижается длина свободного пробега и возрастает удельное сопротивление.

22

Для большинства чистых металлов (исключая ферромагнетики) в диапазоне температур от комнатной до температуры плавления справедлива линейная зависимость удельного сопротивления от температуры:

Степень изменения ρ при увеличении температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления αρ (ТКρ). Так как с ростом температуры наблюдается рост удельного

сопротивления металлов и сплавов, величина αρ больше нуля, причем для металлов она выше, чем для сплавов. Более того, для сплавов ве-

личина αρ может приобретать небольшое отрицательное значение (т.е.

с ростом температуры снижается ρ). Это объясняется тем, что в некоторых сплавах при повышении температуры возможно возрастание

концентрации электронов. Поскольку γ ~ n23λ , то сплав, у которо-

го уменьшение длины свободного пробега при рассеянии электронов с ростом температуры компенсируется возрастанием их концентрации,

будет иметь нулевой ТКρ.

При контакте двух различных металлов (сплавов) между свободными концами возникает контактная разность потенциалов. Это обусловливается тем, что концентрации свободных электронов у разных металлов и сплавов неодинаковы. Определенную роль имеют также разные значения работы выхода электронов из металлов, т.е. энергии, которую необходимо передать электрону для его выхода из металла.

Из-за направленной диффузии электронов один из проводников заряжается положительно, другой отрицательно. Величина контактной

разности потенциалов UК между свободными концами металлов 1 и 2 равна:

где e - заряд электрона,

eϕ1 , eϕ2 - работы выхода электрона из 1-ого и 2-ого металлов. Если замкнуты между собой обе пары концов различных метал-

лов, то при одинаковой температуре сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Если же температура замкнутых концов неодинакова, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термо-

23

ЭДС), под действием которой в паре возникает направленный дрейф электронов. При включении в цепь милливольтметра последний пока-

Таким образом, величина термо-ЭДС является функцией разности температур концов так называемой термопары (см. рис. 3.2), что позволяет использовать такое устройство для измерения температур. Контакт между металлами обеспечивается их спайкой или сваркой.

3.3. Сопротивление проводников на высоких частотах

На высоких частотах электрический ток неравномерно распределяется по сечению проводника: на поверхности плотность тока максимальна. Это явление называется поверхностным эффектом и объясняется действием магнитного поля протекающего по проводнику тока

(см. рис. 3.3).

j

Рисунок3.3 − Поверхностныйэффектвпроводниках:

а) сечение проводника при постоянном токе – плотность тока одинакова по всему сечению; б) сечение проводника в электрическом поле высокой частоты (заштрихована область протекания тока); с) зависимость плотности тока от расстояния до поверхности

24

где j0 - плотность тока на поверхности,

∆ - глубина проникновения поля в проводник.

Глубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором плотность тока уменьшается в e раз по отношению к значению на поверхности. Величина ∆ вычисляется по формуле:

где f - частота приложенного напряжения, µ0 - магнитная постоянная, µ - магнитная проницаемость проводника, γ - удельная проводимость.

При высоких частотах плотность тока в проводнике, за исключением тонкого поверхностного слоя, практически равна нулю и в расчетах можно принять, что ток протекает в слое толщиной ∆ с плотно-

стью j0.

Следовательно, эквивалентная площадь сечения проводника при протекании высокочастотного тока равна произведению периметра

сечения проводника на толщину слоя ∆, или для провода круглого сечения:

Sвч =πD∆,

где D – диаметр провода.

В радиотехнике для плоских проводников используют специальную характеристику – сопротивление квадрата поверхности, которое

определяется из выражения RS = ρ∆ .

Сопротивление квадрата поверхности, как следует из приведенного выражения, не зависит от размеров квадрата. Размерность поверхностного сопротивления выражается в Омах.

Поскольку центральная часть сечения проводника почти не используется, активное сопротивление провода при прохождении по нему переменного тока больше, чем его активное сопротивление при постоянном токе.

25

4.СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1.Материалы высокой проводимости

К этой группе материалов принято относить проводники с удельным электрическим сопротивлением не более 0,1 мкОм м. Наиболее распространенными среди этих материалов являются медь и алюминий.

Медь имеет следующие достоинства:

•малое удельное сопротивление (только серебро имеет несколько меньшее ρ );

•высокая механическая прочность;

•стойкость к коррозии;

•хорошая обрабатываемость;

•легкость пайки и сварки.

Взависимости от методов получения медь может быть твердая или мягкая. Последняя получается в результате отжига, т.е. нагрева до нескольких сот градусов с последующим медленным охлаждением. Мягкая медь пластичнее твердой и обладает меньшим сопротивлением.

Вэлектровакуумной технике применяют сорта меди, не содержащие кислорода. Кислород является одной их наиболее вредных примесей в меди – ухудшаются механические свойства, затрудняется пайка. Наиболее чистая медь получается методом вакуумной плавки при низком остаточном давлении газа, что предотвращает попадание кислорода в металл.

Применяется в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток трансформаторов и электродвигателей, фольгированного гетинакса и текстолита. В микроэлектронике применяется в виде осажденных на подложку пленок при изготовлении гибридных микросхем.

Вкачестве конструкционных материалов широко применяются сплавы на основе меди: латуни и бронзы.

Латуни – сплавы меди с цинком. Цинк улучшает механические свойства меди и удешевляет материал. Латунь обладает коррозионной стойкостью в атмосфере, пресной и морской воде, но без контакта со сталью. Латунь хорошо деформируется, легко обрабатывается резанием, паяется и сваривается точечной сваркой, но быстро изнашивается при сухом трении.

Для придания тех или иных свойств вводят дополнительные элементы: алюминий, железо, кремний, марганец, никель, олово, свинец.

26

Применяется латунь для различного рода прокладок, шайб, деталей каркасов приборов и креплений, а также для пружин и других элементов, работающих при температуре 80-100°С.

Бронзы – это сплавы меди с добавками олова, фосфора, алюминия, марганца и некоторых других элементов. Многие виды бронз сочетают высокую электро- и теплопроводность с высокими механическими (в частности, упругими) свойствами, например бериллиевая, кадмиевая, кремниево-марганцовая, хромовая. Бронзы оловянные, алюминиевые и кремнистые, в которые, как правило, добавляются и другие легирующие элементы, применяются как конструкционные немагнитные коррозионно-стойкие материалы.

Они хорошо свариваются, паяются, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Применяются для изготовления деталей арматуры, пружинных элементов, контактодержателей.

Алюминий по сравнению с медью намного больше распространен в природе и поэтому дешевле. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче. Недостатком алюминия является его низкая механическая прочность и сложность пайки и сварки. Поверхность алюминия ак-

тивно окисляется и покрывается слоем окисла Al2O3 , который, в от-

личие от окисла меди, является хорошим диэлектриком, прочен и нагревостоек.

Алюминий широко используется в электротехнике для изготовления проводов и электролитических конденсаторов, в микроэлектронике применяется для создания контактов и межсоединений в интегральных микросхемах.

4.2. Сплавы высокого сопротивления

Это проводниковые материалы, у которых удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм м. Их применяют для изготовления электроизмерительных приборов, резисторов, электронагревательных устройств. Причем требования, которым должны удовлетворять материалы, используемые для перечисленных целей, разные. В электронагревательных приборах проводниковый материал должен длительное время работать при высоких температурах порядка 1000 оС. Для изготовления резисторов и электроизмерительных приборов важно иметь малое зна-

чение αρ – температурного коэффициента удельного сопротивления − и низкую термо-ЭДС относительно меди.

27

Наиболее распространены для указанных целей сплавы на основе меди – манганин (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) и константан (60%Cu, 40% Ni), а также нихромы (различное содержание никеля и хрома).

Таблица 4.1 − Основные свойства сплавов высокого сопротивления

4.3. Сплавы для термопар и припои

Применяются для изготовления термопар с целью измерения температуры. Наиболее распространены следующие сплавы:

хромель (90% Ni, 10% Cr);

копель (56% Cu, 44% Ni);

алюмель (95% Ni, +Al, Si, Mn);

платинородий (90% Pt, 10% Rh); константан (60% Cu, 40% Ni).

1

Сочетание материалов для термопар подбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальную термо-ЭДС и необходимый диапазон измеряемых температур. Наиболее высокой стабильностью, воспроиз-

28

водимостью и широким температурным диапазоном (до 1600 оС) обладают платина - платинородиевые термопары (ППр). Максимальную удельную термо-ЭДС имеют пары хромель-копель (ХК).

Припои это специальные сплавы, применяемые для пайки. Пайка предназначена для создания механического или электрического контакта. При пайке места соединений нагревают, припой расплавляется, растекается и заполняет зазоры между соединяемыми деталями.

Припои делятся на мягкие (температура плавления меньше 300 оС) и твердые (больше 300 оС). Мягкими являются оловянно-свинцовые (ПОС) с различным содержанием олова и свинца. К твердым относятся медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр). Кроме припоя, при пайке применяют флюсы. Их задача растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности соединяемых деталей, улучшать растекаемость припоя по поверхности, а также защищать расплавленный припой от окисления.

4.4. Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1700 оС. Основными тугоплавким металлами являются вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий, рений. Все тугоплавкие металлы становятся активными при повышенных температурах и интенсивно окисляются с образованием летучих соединений. Поэтому их можно применять для изготовления только тех нагревательных элементов, которые работают в вакууме или защитной среде. Одной из разновидностей таких нагревателей являются испарители, применяемые в установках для вакуумного осаждения тонких пленок.

Получают тугоплавкие металлы обычно методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием порошков.

Наиболее высокой температурой плавления из всех металлов обладает вольфрам (3400 оС). Это тяжелый твердый металл серого цвета, обладающий мелкозернистым строением. Отличается высокой внутрикристаллической прочностью и очень слабым сцеплением между отдельными зернами, поэтому изделия из вольфрама хрупки и легко ломаются. Для улучшения свойств чистого вольфрама в него добавляют различные присадки: окислы тория, кремния, алюминия.

Вольфрам является одним из важнейших материалов электровакуумной техники. Из него изготавливают электроды и подогреватели в электронных лампах.

29

Молибден – металл, по внешнему виду и свойствам близкий к вольфраму, однако, более пластичен, что облегчает механическую обработку деталей.

Тантал – весьма дорогостоящий металл из-за малой распространенности в природе. Обладает хорошей пластичностью и формоустойчивостью. Применяется так же, как и молибден, в качестве деталей электровакуумных приборов. Особое значение тантал имеет при производстве конденсаторов, так как на его поверхности можно легко по-

лучить пленку окисла Ta2O5 , представляющего собой плотный ди-

электрик с высокой диэлектрической проницаемостью (ε = 25). А пленки нитрида тантала Ta2 N широко применяют для изготовления

тонкопленочных резисторов.

Хром – металл, обладающий высокой стойкостью к окислению даже при повышенных температурах, а потому используемый для защитных покрытий изделий. В микроэлектронике тонкие пленки хрома используются в качестве тонкопленочных резисторов и адгезионных (т.е. улучшающих сцепление других пленок с поверхностью подложки) слоев.

Хром входит в состав большого количества сплавов для нагревательных приборов, термопар, нержавеющих сталей и магнитных материалов.

4.5. Металлы со средним значением температуры плавления

Из материалов этой группы, наиболее применяемые в электронной технике – железо, никель, кобальт. Все перечисленные металлы являются ферромагнетиками, т.е. способны намагничиваться во внешнем магнитном поле. По этой причине особенностью этих металлов является нелинейная зависимость удельного сопротивления от температуры. Это объясняется тем, что при повышении температуры нарушается параллельное расположение магнитных моментов атомов, а любое нарушение порядка в кристаллической структуре приводит, как следует из квантово-механической теории, к повышению удельного сопротивления. Согласно правилу Маттисена, различные механизмы дают аддитивный вклад в полное сопротивление:

ρ = ρтепл + ρост + ρМ ,

где ρтепл, ρост - сопротивления, обусловленные рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и на примесях соответственно; ρМ - магнитный вклад в электросопротивление, обусловленный беспорядком в расположении магнитных моментов атомов. Выше темпе-

30

ратуры Кюри ТК магнитная составляющая ρМ остается постоянной,

благодаря чему зависимость удельного сопротивления от температуры принимает линейный характер (см. рис. 4.2).

Удельное сопротивление железа зависит от содержания примесей, причем наибольшее влияние оказывает примесь кремния. Кремний добавляют при выплавке электротехнических сталей для увеличения удельного сопротивления, благодаря чему в стали уменьшаются потери на вихревые токи по сравнению с чистым железом.

Из-за высокой магнитной проницаемости µ в железе и сталях за-

метно сказывается поверхностный эффект, т.е. при высоких частотах плотность тока у поверхности значительно выше, чем внутри проводника.

Никель – серебристо-белый металл, широко применяется в качестве арматуры для электровакуумных приборов. Очень легко поддается механической обработке. Химически устойчив.

На основе железа, никеля, кобальта получают сплав – ковар. Он имеет низкий коэффициент линейного расширения, что позволяет использовать его для впаивания в стекла вместо вольфрама и молибдена.

4.6. Неметаллические проводящие материалы

Наряду с металлами и металлическими сплавами, в качестве резисторов, контактов и токопроводящих элементов используются различные композиционные материалы, некоторые окислы и проводящие модификации углерода.

Углеродистые материалы – графит, сажа, пиролитический углерод, антрацит. Из этих материалов изготавливаются щетки электрических машин, электроды для прожекторов и дуговых электрических печей. Для получения изделий измельченная масса, перемешанная со связующим (например, каменоугольной смолой или жидким стеклом),