Электрические характеристики проводниковых материалов

Электрические характеристики проводниковых материалов

ВНИМАНИЕ! САЙТ ЛЕКЦИИ.ОРГ проводит недельный опрос. ПРИМИТЕ УЧАСТИЕ. ВСЕГО 1 МИНУТА.

Электрическим свойством проводниковых материалов является электропроводность – способность материала проводить электрический ток. К основным электрическим параметрам относят: удельное электрическое сопротивление, удельную электрическую проводимость, температурный коэффициент удельного сопротивления и коэффициент теплопроводности.

Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы:

(2.1)

где R – сопротивление образца, Ом; S – площадь поперечного сечения образ­ца, м 2 ; l – длина образца, м.

С точки зрения электронной теории твердого тела:

, (2.2)

где n – концентрация электронов, м -3 ; e – заряд электрона, Кл; μ – подвижность электронов, м 2 /В·с.

Величину ρ измеряют в Ом·м, однако для прак­тических целей 1 Ом∙м слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах, напри­мер в микроомах на метр. Диапазон значений ρ металлических про­водников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОм·м для некоторых сплавов.

Значения ρ металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз.

Сопротивление проводников Rs на высоких частотах существен­но больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхност­ного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на дан­ной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2,7 раза по сравнению с ее значением на повер­хности проводника.

Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению ρ, называют удельной электрической проводимостью (См/м):

(2.3)

Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от тем­пературы. Эта зависимость определяется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления (К -1 ), который при данной температуре вычисляют по формуле:

(2.4)

где ∆ρ — элементарное приращение сопротивления проводника, соответствую­щее элементарному приращению температуры ∆T.

Кривая изменения удель­ного сопротивления металлического про­водника в зависимости от температу­ры представлена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 – Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры в широком диапазоне температур:

а, б, в – варианты изменения удельного сопротивления у различных расплавленных металлов.

В узкой области I, составляющей несколько градусов Кельвина, у ряда метал­лов может наступить состояние сверхпроводимости и на рисунке виден скачок удельного сопротивления при температуре Tсв. У чистых металлов совершенной структуры при стремлении температуры к 0 К удельное сопротивление также стремится к 0 (пунктирная кривая), а длина свободного пробега устремляется в бесконечность. Даже при обычных температурах длина свободного пробега электронов в металлах в сотни раз превышает расстояние между атомами.

Средняя длина свободного пробега электронов при 0˚С

для ряда металлов ( 10 10 , м)

Li 110 Na 350 K 370 Ni 113 Cu 420 Ag 570 Au 410 Fe 220

В пределах переходной области II наблюдается быстрый рост удельного сопротивления ρ

Т n , где п может быть до 5 и постепенно убывает с ростом температуры

до 1 при Т = θDD – температура Дебая определяет максимальную частоту тепловых колебаний).

Линейный участок (область III) в температурной зависимости ρ(Т) у большинства металлов простирается до температур, близких к точке плавления. Исключение из этого правила составляют ферромаг­нитные металлы, в которых имеет место дополнительное рас­сеяние электронов на нарушениях спинового порядка. Вблизи точки плавления, т.е. области IV, начало которой отмечено на рисунок 1 температурой Тнл, и в обычных металлах может наблюдаться некоторое отступление от линейной зависимости.

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства ме­таллов наблюдается увеличение удельного сопротивления приблизительно 1,5 – 2 раза, хотя имеют­ся и необычные случаи: у веществ со сложной кристаллической струк­турой, подобных висмуту и галлию, плавление сопровождается умень­шением ρ.

Читайте также:  Производство вагонки из осины

Эксперимент выявляет следую­щую закономерность: если плавление металла сопровождается уве­личением объема, то удельное со­противление скачкообразно воз­растает; у металлов с противопо­ложным изменением объема проис­ходит понижение ρ.

Металлические пленки широко используются в микроэлектронике в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов, магнитных и резистивных элементов интегральных схем. Электрические свойства тонких пленок металлов и сплавов могут значительно отличаться от свойств объемных образцов исходных проводниковых материалов.

На рисунке 2.2 приведены типичные зависимости удельного сопротивления ρδ и температурного коэффициента удельного сопротивления αρδ от толщины пленки.

Рисунок 2.2 – Зависимости удельного сопротивления (а)и температурного коэф­фициента удельного сопротивления (б) тонкой металлической пленки от ее толщины.

Пунктиром показаны значения ρ и αρ для объемного образца проводника. У большинства пленок в функциональной зависимости ρ(δ) наблю­даются три различные области. Область I соответствует толщине около 0,1 мкм и выше. В этой области удельное сопротив­ление близко к сопротивлению массивного образца. Область II охватывает диапазон изменения δ от 10 -1 до 10 -2 мкм. На этом участке удельное сопротивление пленки уже существенно больше сопротивления массивного образца, а αρδ приближается к нулю. Область III, соответствующая толщине порядка 10 -3 мкм, характеризуется очень высоким удельным сопротивлением и отрицательным температурным коэффициентом удельного сопротивления.

Для объяснения показанной зависимости надо принять во внимание, что тонкие пленки на ранних стадиях конденсации имеют островковую структуру, т. е. при малом количестве осажденного металла его час­тицы располагаются на диэлектрической подложке в виде отдельных разрозненных зерен – островков. Электропроводность пленки воз­никает при некотором минимальном количестве осажденного металла, однако еще до образования соединительных мостиков между остров­ками металла. При приложении электрического поля (в плоскости пленки) происходит переход электронов через узкие диэлектрические зазоры между соседними островками. Переход электронов облегчается при повышении температуры. Кроме того, сопротивление пленки островковой структу­ры во многом определяется поверхностным сопротивлением участков подложки, на которых нет зерен металла. А поверхностное сопротив­ление диэлектриков с увеличением температуры падает. Эти причины и обусловливают отрицательный αρ пленок малой толщины.

При увеличении количества осажденного металла величина зазо­ров между островками уменьшается, проводимость пленок растет,отрицательный αρ становится меньше по модулю, а затем меняет знак. Значение толщины пленки, при которой происходит смена знака αρ , зависит от рода металла, условий формирования пленки, концентра­ции примесей, состояния поверхности подложки и в реальных случаях составляет несколько нанометров.

В процессе дальнейшей конденсации вещества на подложке проис­ходит слияние островков и образование сначала проводящих цепочек и каналов, а затем – сплошного однородного слоя. Но и в сплошной пленке удельное сопротивление больше, чем удельное сопротивление исходного проводника, что является следствием высокой концентра­ции дефектов – вакансий, дислокаций, границ зерен, образующихся при срастании островков.

Для сравнительной оценки проводящих свойств тонких пленок поль­зуются параметром сопротивление квадрата R(или сопротивление на безразмерный квадрат, или удельное поверхностное сопротивление), численно равным сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные гра­ни параллельно поверхности подложки.

Ввиду того, что R не зависит от величины квадрата, сопротивление тонкопленочного резистора легко рассчитать по формуле:

R = R (2.5)

где l – длина резистора в направлении прохождения тока; d – ширина пленки.

Для изготовления тонкопленочных резисторов обычно требуются пленки с поверхностным сопротивлением 500 – 1000 Ом/квадрат.

По агрегатному состоянию.

Газы при низких значения напряжённости электрического поля не являются проводниками. При высоких значениях напряжённости электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма.

Читайте также:  Угловая раковина на кухню цена

Применение: газоразрядные приборы.

а) Электролиты (водные растворы кислот, щёлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, при этом состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза.

Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование).

б) Расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg tплавHg=-39 0 С и галлий Ga tплавGa=29,7 0 С) – носители заряда электроны.

Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.

Металлы и сплавы – носители заряда электроны.

Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.

По удельному электрическому сопротивлению.

Высокой проводимости (ρ≤0,05 мкОм∙м).

Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели.

Применение: жилы проводов и кабелей.

Применение: контакты, электроды, фотоэлементы.

Применение: провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей.

Применение: провода ЛЭП не большой мощности.

е) Металлический натрий Na.

Применение: провода и кабели в полиэтиленовой оболочке.

Высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м).

а) Манганин сплав Cu – Mn – Ni.

Применение: образцовые резисторы.

б) Константан сплав Cu – Ni – Mn.

Применение: реостаты и электронагревательные приборы.

в) Сплавы на основе железа (нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al).

Применение: электронагревательные элементы.

Сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 0 С.

Алюминий Al, олово Sn, свинец Pb.

Криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 0 С, но не переходя в сверхпроводящее состоянии.

Алюминий Al, медь Cu, бериллий Be.

Применение: провода ЛЭП большой мощности, жилы кабелей, электрические машины, трансформаторы.

Электропроводность проводниковых материалов Электропроводность твёрдых проводников.

Металлы и сплавы являются кристаллическими телами. Кристаллическое строение характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в пространстве, связанных с соседними при помощи валентных электронов, которые могут перемещать. Если соединить атомы линиями, то получиться пространственная кристаллическая решётка.

Электроны в металле, при отсутствии внешнего электрического поля, совершают хаотическое движение, а ионы в узлах кристаллической решётки совершают тепловые колебания. Под действием внешнего электрического поля электроны приобретают направленное движение, причём энергия, которую электрическое поле затрачивает на перемещение электронов, переходит в запас самих электронов. Когда на пути электронов оказывается ион, происходит столкновение, это и естьсопротивление проводника. Во время столкновений электроны отдают энергию ионам и начинают новый разбег и т.д. Ион, получив от электрона энергию, начинает колебаться с большей амплитудой, поэтому увеличивается температура проводника.

Удельная проводимость металлов и сплавов

где q – заряд электрона;

n – число электронов в единице объёма;

µ – подвижность электрона;

λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решётки;

m – масса электрона;

υт – средняя скорость теплового движения свободного электрона.

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

К проводникам относят материалы, удельное электрическое сопротивление которых в нормальных условиях лежит в диапазоне 10 -8 …10 -5 Oм м. Основными электрическими характеристиками проводниковых материалов являются:

1. Удельное электрическое сопротивление ρ.

2. Температурный коэффициент удельного сопротивления αρ.

3. Коэффициент термоэлектродвижущей силы αT .

Наилучшими проводниками электрического тока являются металлы. Механизм протекания тока в металлах заключается в коллективном движении свободных электронов под действием приложенного электрического поля. В процессе направленного движения электроны испытывают рассеяние на статических и динамических дефектах структуры. К статическим дефектам структуры относятся примеси, вакансии, междуузельные атомы, границы зёрен и т.п. К динамическим – тепловые колебания ионов в узлах кристаллической решётки. Интенсивность рассеяния определяет среднюю длину свободного пробега электрона и, в конечном счёте, значение удельного сопротивления проводника, которое может быть выражено следующим образом:

Читайте также:  Как называется махровая ткань

( 1.1.)

где m, e – масса и заряд электрона, vср – средняя скорость теплового движения, n — концентрация свободных электронов, λср – средняя длина свободного пробега.

Электронный газ в металлах находится в вырожденном состоянии. Поэтому концентрация электронов и средняя скорость их теплового движения слабо зависят от температуры. Но с повышением температуры увеличиваются амплитуды колебаний ионов в узлах кристаллической решётки, что приводит к более интенсивному рассеянию электронов в процессе их направленного движения. Соответственно уменьшается средняя длина свободного пробега и возрастает удельное электрическое сопротивление. Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин называется температурным коэффициентом удельного сопротивления:

В области линейной зависимости ρ(T) справедливо выражение:

где ρ и αρ – удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления, отнесённые к температуре T; ρ – удельное сопротивление при температуре T. Значения αρ для многих материалов близки к 1/T, что для нормальных условий составляет около 0,004 K –1 .

В технике широко применяются металлические сплавы, имеющие структуру неупорядоченных твёрдых растворов. Все сплавы имеют повышенное сопротивление в сравнении с компонентами, входящими в их состав. Полное удельное сопротивление сплава можно выразить в виде суммы двух слагаемых:

где ρT – удельное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов решётки; ρост – добавочное (остаточное) удельное сопротивление, связанное с рассеянием электронов на неоднородностях структуры сплава.

Для многих двухкомпонентных сплавов изменение удельного сопротивления от состава хорошо описывается параболической зависимостью вида:

где xa, xb – атомные доли компонентов в сплаве.

Чем больше удельное сопротивление сплава, тем меньше его αρ. В некоторых случаях сплавы могут иметь отрицательное значение αρ.

В микроэлектронике широко применяются в качестве различных элементов схем тонкие металлические плёнки. Вследствие поверхностного рассеяния электронов и повышенной степени дефектности структуры удельное сопротивление металлических плёнок может существенно превосходить удельное сопротивление массивного материала. В очень тонких слоях плёнки имеют островковую структуру, характеризующуюся неметаллическим типом электропроводности. Для сравнительной оценки проводящих свойств плёнки пользуются сопротивлением квадрата поверхности , где ρ – удельное сопротивление слоя толщиной d.

Параметр RS, измеренный в омах на квадрат, не зависит от размеров квадрата. Подбором толщины плёнки можно изменять RS независимо от удельного сопротивления.

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов. Если в замкнутой цепи из двух металлических проводников один контакт нагреть до более высокой температуры, чем другой, то возникает термоэлектродвижущая сила ΔU, которая для данной пары металлов является функцией только разности температур:

Подбирая проволоки с большой удельной относительной термо-ЭДС, изготавливают термопары, предназначенные для точного измерения температуры.

1.2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Измерение сопротивления и термо-ЭДС термопар производится с помощью ампервольтметра, постоянно подключенного к установке. Все исследуемые образцы расположены в корпусе установки, причём резисторы R1, R2, R3 и один из спаев термопар помещены в термостат. Подключение образцов к измерительному прибору осуществляется путём нажатия соответствующей кнопки на лицевой панели установки. Маркировка кнопок соответствует маркировке образцов. Геометрические размеры образцов также указаны на лицевой панели. На время измерения следует удерживать кнопку контакта в утопленном положении.

1.3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

Последнее изменение этой страницы: 2016-09-05; Нарушение авторского права страницы

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector