Коммерциялық емес акционерлік қоғам

АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА  және БАЙЛАНЫС  УНИВЕРСИТЕТІ

Өнеркәсіптік жылуэнергетика кафедрасы

 

  

РАДИОМАТЕРИАЛДАР ХИМИЯСЫ

 Дәрістер конспектісі

 

5B071900 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар,

5B070400 – Есептеуіш техника және бағдарламамен қамтамасыз ету,

5B070300 – Ақпараттық жүйелер, мамандықтары бойынша барлық оқу түрінің студенттері үшін

дәрістер конспектісі

 

 

Алматы 2012  

ҚҰРАСТЫРҒАНДАР: А.А. Туманова, Қ.С. Идрисова. Радиоматериалдар химиясы. Дәрістер конспектісі. 5B071900 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар, 5B070400 – Есептеуіш техника және бағдарламамен қамтамасыз ету, 5B070300 – Ақпараттық жүйелер мамандықтары бойынша барлық оқу түрінің студенттері үшін. – Алматы: АЭжБУ, 2012. – 33б.

      

Радиоматериалдар химиясы пәнінен дәрістер конспектісі техникалық бағыттарға арналған оқу стандарты бойынша дайындалған және  5В071900 – Радиотехника, 5В070400 – Есептеу техникасы және бағдарламамен қамтамасыз ету, 5B070300 – Ақпараттық жүйелер мамандықтары бакалавриатының 1 курс студенттеріне арналған.

Без. - 15, библиогр. - 14 атау.

 

Пікірші: хим.ғыл.канд., Қ.Сәтбаев атындағы ҚазҰУ доц.Г.Д.Елигбаева

  

«Алматы энергетика және байланыс университетінің» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2011 ж. жоспары бойынша басылады.

 

 © «Алматы энергетика және байланыс университетінің» КЕАҚ, 2012 ж.

Кіріспе

 

Радиотехникалық материалдар (ары қарай - радиоматериалдар) деп электрорадиоаппаратурасында электр магниттік өрістің әсерінен ерекше тағайындалуы бар, жақсы электрлік және магниттік қасиеттері бар материалдарды айтады. Радиотехникада және электроникада қолданылатын материалдарды былай жіктейді:

·                    электроизоляциялық (диэлектрлік)

·                    өткізгіш

·                    жартылай өткізгіш

·                    магниттік.

Радиотехника және электроника салалары дамыған сайын өнеркәсіп материалдарының  мағынасы да артады. Радиоаппаратурасының габариттері мен салмағын азайту мәселелері (микроминиатюраландыру), байланыстың қашықтығы мен іріктелуін арттыру, сенімділігін (беріктігін) арттыру (әсіресе жер бетіндегі және ғарыштық қолданудың экстремалды жағдайларында), кванттық электрониканы енгізу осы радиоматериалдардың сапасына байланысты. Радиоэлектроника және электрондық техниканың дамуы, радиолокация, радиофизика, кибернетика, биоэлектроника сияқты ғылым және техника салаларының дамуы жаңа қасиеттері бар жаңа материалдарды шығарып қолдануды талап етеді. Осы тұрғыдан электрониканың кейбір бағыттарын қарастырайық.   

Жартылай өткізгіш электроника заттардың кристалдық торының қасиеттеріне, кристалдың ішіндегі электрлік және магниттік өрістердің әсерінен зарядтардың қозғалуы мен таралуына негізделген. Жаңа жартылай өткізгіш материалдарды жасап шығару электроника саласын ары қарай дамытады (мысалы, жұмыстың жиілік диапазонын кеңейтіп, жартылай өткізгіш аспаптар жұмысының жылдамдықтарын арттырады).

Молекулалық электроника кристалдарда резисторлар, конденсаторлар, диодтар мен  транзисторлар функцияларын орындайтын зоналарды түзетін бор, фосфор, сурьма, мышьяк электр активті қоспаларының көмегімен қатты денеде радиосұлбаларды жасауға мүмкіндік береді. Бұл сұлбалардың мөлшерлері өте кіші (мұнда элементтің минималды ені ≤0,2 мкм) болғандықтан, радиоаппаратураны жасау технологиясына, есептеулеріне жаңа көзқарастар мен теориялық алғышарттар енгізеді.

Кванттық электроника заттың атомдары мен молекулаларының ішінде өтетін кванттық процестерін зерттеуде физиканың ең соңғы жетістіктерін қолданады. Мұнда толқынның ұзындығы бір микронға жұық болатын (инфрақызыл тербелістер ауданы) аса жоғары тербелісті электр магниттік энергиясы бөлінеді. Бұл типті генераторлар мен күшейткіштер жоғары тығыздылықты энергияны қолданып, нашар балқитын заттардың химиялық реакцияларының жаңа түрлерін, балқытуы мен дәнекерлеуін және басқа жоғары температуралық процестерді іске асыруға мүмкіндік береді. Кванттық-оптикалық қасиеттері бар жаңа материалдарды жасау кванттық электрониканың дамуының негіздерінің бірі. Радиоматериалдардың барлығы  келесі талаптарға сәйкес болуы қажет:

-  жоғары электрлік (магниттік) сипаттамаларының болуы;

-  жоғары, кейде төменгі температураларда қалыпты жұмыс істеуі;

- шайқалу, вибрация, соққыларға тұрақты, сонымен әртүрлі жүктемелерде жеткілікті механикалық тұрақты болуы;

-  ылғалға жеткілікті тұрақты, химиялық тұрақты, сәулеленуге тұрақты болуы;

-  тез уақытта тозбауы;

-  өңделуі оңай болуы;

- бағасы арзан және дефицитті болмауы.

Электрондық және радиотехникада бірнеше мыңнан асатын әр түрлі материалдар қолданылады. Олар туралы дұрыс хабардар болу үшін материалдардың жіктелуін білу қажет.

Дәрістер конспектісіне төрт тақырып кіреді:

1.                Диэлектриктер;

2.                Өткізгіш материалдар;

3.                Жартылай өткізгіш материалдар;

4.                Магниттік материалдар.

Әр тақырыпта материалдардың қасиеттері, сипаттамалары, алу әдістері және қолдану аймақтары келтірілген.

 

1 дәріс.  Металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктердің ерекше қасиеттері

1.1 Металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер туралы жалпы түсініктер

Сұйық және қатты денелер арқылы электр тоғының өтуі электр өрісінің әсерінен электрондардың немее иондардың (немесе екеуінің де) бағытталған қозғалысына байланысты. Зарядты тасымалдағыш рөлін иондар атқарғанда электролиз процесі байқалады. Жоғары иондық өткізгіштігі бар заттарға электролиттердің сулы ерітінділері мен балқымалары жатады. Қатты денелерде иондардың зарядты тасымалдауы өте қиын, ал электрондық өткізгіштігі бар қатты денелерде электролиз процесі жүрмейді.

Электрондық өткізгіштігі бар қатты денелердің негізгі топтарын қарастырайық.

Металдар өте жақсы электрондық өткізгіштігі бар заттарға жатады (бірінші ретті өткізгіштер). Олардың меншікті электр өткізгіштігі 10⁴ - 10⁶ ом^-1см^-1 (немесе СИ жүйесінде  10⁶ - 10⁸ сим м^-1 (1 сим= 1 ом^-1 ) құрайды. Таза металдарға қарағанда құймалардың, интерметалдық қосылыстардың және металдардың әртүрлі нитридтері, карбидтері, гидридтерінің өткізгіштігі төменірек болады. Металдардың меншікті өткізгіштігі келесі теңдеумен сипатталады:

σ = пеи,

мұнда  п — өткізгіштік электрондарының концентрациясы, см^-3;

 е — электрон заряды, = 1,6-10^-19 К;

 и — электрондардың қозғалғыштығы, см²/(в-сек).

Металдың 1 см³–да атомдар саны 10²² құраса, әрбір атомның валентті электрондар саны = 1 болса,  и = 100 см²/(в-сек) жағдайда  σ = 10⁵  ом^-1 см^-1.

Берілген металда өткізгіштік электрондарының концентрациясы (п) тұрақты және температураға тәуелсіз болғандықтан, σ электронның қозғалғыштығына (и) әсер ететін факторларға ғана тәуелді болады. Мысалы, температура жоғарылағанда металдық тордың оң зарядталған иондарының тербеліс амплитудасы артады. Осы себептен электрондар қарқынды шашырайды да олардың қозғалғыштығы азаяды, нәтижесінде қыздыру кезінде металдардың электр өткізіштігі төмендейді. Керісінше, абсолюттік нөлге жақындағанда иондардың тербеліс амплитудасы азаяды да, кристалдық тор реттеліп, иондардың өткізгіштік электрондарына әсері азайып, электрондардың металда қозғалуы жеңілдейді. Металдардың көбісі ерекше кванттық жағдайларға байланысты төменгі температураларда аса өткізгіштерге айналады.

Диэлектриктер,керісінше, валентті электрондардың көрші атомдармен коваленттік байланыста болатын белгілі атомдардың қасында таралуымен сипатталады. Типтік иондық торларда да электрондар әрбір ионның қасында мықты ұсталады. Осы себептен диэлектриктердің меншікті электр өткізгіштігі өте аз шама (10^-10 - 10^-22 ом^-1  см^-1 ) болады және олар изоляциялық қасиеттерге ие болады.

Диэлектриктерге кейбір жай заттар (алмаз), көптеген органикалық қосылыстар, керамикалық материалдар, слюда, силикатты шынылар және т.б. жатады. Жақсы изоляциялық қасиеттері бар диэлектриктерге жататын полимерлы материалдардың маңызы зор. Газ тәрізді диэлектри­ктерге N₂, SF₆ және т.б. жатады. Диэлектриктердің құрамына металдық элементтердің атомдары кіруі мүмкін, бейметалдар атомдары міндетті түрде кіреді, өйткені оларсыз атомдар арасында мықты коваленттік, иондық немесе иондық-коваленттік байланыстар түзілмейді.

Жақсы электрондық өткізгіштігі бар металдар мен жоғары изоляциялаушы қасиеттері бар диэлектриктердің арасында меншікті электр өткізгіштігі 10^-10 - 10⁴ ом^-1 см^-1  болатын жартылай өткізгіштер деп аталатын заттардың үлкен тобы орналасқан. Бұл заттарға тоқтың электрондық механизмі бар бейметалдық өткізгіштер жатады.

Температураны жоғарылатқанда, металдарға қарағанда, жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі артады. Диэлектриктердің де электр өткізгіштігі артады.  Абсолюттік нөлге жақын температурада  жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің өткізгіштігі нөлге тең болады. Электрлік қасиеттері бойынша жартылай өткізгіштер металдарға емес, диэлектриктерге жақынырақ болады.

Қоспалардың өте аз мөлшерлерін енгізгенде, кристалдық тордың құрылысының басқа дефектілері пайда болғанда, әртүрлі сәулеленулердің әсерінен жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі жоғарылайды. Жартылай өткізгіш қосылыстардың электр физикалық қасиеттері стехиометриялық құрамнан ауытқуларға өте сезімтал. Металдарға қарағанда жартылай өткізгіштер сынғыш, жылу өткізгіштігі төменірек болады. Жартылай өткізгіштерді салқындатқанда σ  мәнінің төмендеуі өткізгіштік электрондар санының (n) тез азаюына байланысты, өйткені электрондардың қозғалғыштығы салқындатқанда артатыны белгілі. Т→ 0 жағдайда σ мен п нөлге ымтылуы жартылай өткізгіштерде өткізгіштік электрондары жылулық қозғалыстың арқасында (немесе сырттан әкелінген энергияның басқа түрлерінен) пайда болатынын көрсетеді. Бұл жартылай өткізгіштердің металдардан негізгі айырмашылығы.

 

1.2 Қатты  денелер зоналық теориясы туралы түсінік. Өткізгіштік зонасы, валенттік және тыйым салынған зоналар

Металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктердің өткізгіштігі кристалдық денелер құрылымының кванттық теориясы – зоналық теория негізінде түсіндіріледі.

Осы теорияның негізгі тұрғыларын қарастырайық. Атомдар буының кристалдық затқа айналуын химиялық реакция ретінде қарастыруға болады, өйткені қатты денелердің оптикалық, термодинамикалық, электрофизикалық және басқа қасиеттері газдар қасиеттерінен ерекшеленеді. Газдардың атомдық спектрлері сызықтық, ал қатты денелер спектрлері тұтас (жаппай) немесе жолақ өте күрделі құрылымды болады. Екі бірдей атом әрекеттескенде дискреттік атомдық энергетикалық деңгейлер ыдырап, жолақтарға айналады. Атомдардың көп саны N, мысалы литийдің, алыс ара қашықтардан кристалдық тордағы ара қашықтықтарға жақындағанда деңгейлердің ыдырауы дәрежесі жоғарырақ болады.  1,а-суретте ядролар арасындағы бұл ара қашықтық абсцисса осінде d₀ әрпімен белгіленген. Ординат осінде энергия көрсетілген. Үлкен ара қашықтықтарда атомдар бір бірімен әрекеттеспейді, сондықтан деңгейлер диаграммасы литийдің жеке атомының диаграммасына ұқсас болады (ls²2s¹). Атомдар жақындасқанда, олардың арасында әрекеттесу басталады, оның алдында әрқайсысынынң валентті электрондар деңгейі (2s) ыдырап бастайды. (2s) деңгейі өте жақын орналасқан N деңгейлердің жүйесіне ыдырап, деңгейлердің жолақтарын (зонасын) түзеді. Тереңірек деңгейлер кристалл түзілгенде мұлдем ыдырамаған немесе аз ғана ыдыраған болады.

Егер кристалда валенттік күйлер зонасының ені  1 эв, ал кристалдың 1 см³ түзетін атомдар санының (N) реті 10²²  құраса, зонадағы энергетикалық деңгейлер бірінен бірі  1/10²² эв ара қашықтықтарда орналасады. Литий кристалының 1s пен 2s күйлері зоналарының арасында рұқсат етілмеген күйлердің ауданы (тыйым салынған зона) орналасқан.

Рұқсат етілген зоналар деңгейлерін электрондармен толтыру Паули қағидасына бағынады, сондықтан электрондар саны берілген зонада мүмкін болатын күйлердің санынан аспайды. Зонадағы электрондардың максималды саны ≤ qN тең (мұнда q — атомның бастапқы деңгейлерінің құлдырау дәрежесі).  s зонасында тек 2N электрондары болуы мүмкін, өйткені s-деңгейлердің құлдырау дәрежесі екіге тең (бұл спин санының екі әртүрлі мәндеріне байланысты).  р зонасында электрондардың максималды саны 6N  

(р-деңгейлердің алты еселенген құлдырауына байланысты).

 

 

 

 

 

 

 

 

1-сурет. Қатты денеде атомдардың әрекеттесуі кезінде атом энергетикалық деңгейлерінің зоналарға ыдырауы: а — литий үшін; б —  бериллий үшін.

 

1.3 Металдардың жартылай өткізгіштерден және диэлектриктерден ең негізгі ерекшелігі.  Электрондық және тесіктік өткізгіштік

Зоналық теория негізінде қатты дененің электр өткізгіштігі оңай түсіндіріледі. Мысалы, литийдің және басқа сілтілік металдардың электр өткізгіштігін қалай түсіндіруге болады? Олардың валенттік зонасы жартылай ғана толтырылған, өйткені N атомдарының N валентті электрондары бар (әр атомға бір s-электрон келеді), ал s-зонасындағы орындар саны 2N тең. Жоғарғы (валенттік) зонаның толмауы металға тән электрондық өткізгіштікті тудырады. Электр өрісінің әсерінен валентті электрондар қозғалысын оң зарядталған полюсқа қарай бастау міндетті, яғни қосымша энергияға ие болуы қажет. Мұндай энергияның үздіксіз өте аз мөлшерлермен ұлғаюы мүмкін, егер валентті күйлер зонасында электрондары жоқ бос деңгейлер болса. Валентті күйлер зонасы электрондармен толық толтырылған жағдайда өткізгіштік нөлге тең болады, яғни денеге диэлектрик қасиеттері тән келеді. Толық толтырылған зонада электрондар энергияны аз мөлшерлермен ұлғайта алмайды, өйткені Паули қағидасы толтырылған зонаның ішінде ауысуларға тыйым салады.

Бұл көзқарастан, бериллий атомдарында және 2-ші топтың басқа элементтерінде валентті күйлердің s-зонасы толық толтырылған: кристалды түзетін N ато­мдар зонадағы мүмкін болатын күйлердің санына сәйкес келетін 2N электрон әкеледі (әрқайсысы екі s-электроннан). Бірақ бұл заттардың кристалдары золяторларға (диэлектриктерге) жатпайды және металдар сияқты тоқты жақсы өткізеді. Оны былай түсіндіруге болады: бериллийдің (2-ші топтың басқа да элементтерінің) атомдары тор параметрлеріне тең (d₀) ара қашықтығына  жақындасқанда,  s- және р-күйлерінің ыдыраған деңгейлері бір-бірімен бүркесіп (1,б-сурет), SN орындары бар sp-күйлердің біріктірілген зонасын түзеді. Осылайша, 2-ші топ элементтері кристалдарында жоғарғы sp-зонасының ¹/₄ ғана толтырылған, ал ³/₄ орны – бос. Осы себептен бұл заттарға металдық өткізгіштік тән  келеді. Басқа металдарда да жоғарғы (валенттік) энергетикалық зона электрондармен жарым-жартылай толтырылған.

Егер атомда немесе молекулада электрондар толтырылған топты түзсе, оларды қатты немесе сұйық денеге біріктірген кезде барлық деңгейлері толтырылған зоналар түзіледі. Мұндай заттарға абсолюттік нөлде изоляторлар (диэлектриктер) қасиеттері тән келеді. Оларға асыл ғаздар торлары, қаныққан байланыстары бар қосылыстардың молекулалық және иондық торлары жатады. Алмаз, кремний, германий, α-қалайы, A^IIIB^v, A^IIB^VI, CSi типті қосылыстардың торларында әрбір атом қасындағы төрт жақын көршілерімен жеке валенттік байланыстармен байланысқан, сондықтан оның айналасында s²p⁶ электрондарының толтырылған тобы түзіледі және валенттік зонасы толтырылған болады.

Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің металдардан айырмашылығы келесі: Т ≈ 0°К олардың валентті зонасы электрондармен әрқашан толық толтырылған, ал қасындағы бос зона (өткізгіштік зонасы) валентті зонадан тыйым салынған күйлердің зонасымен бөлінген. Жартылай өткізгіштердің тыйым салынған зонасының ені ∆Е— 0,1 - 3 э-в (электрон-вольт)  аралығында, ал  диэлектриктерде — 3 - 5 эв құрайды. Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің арасында тек сандық айырмашылық болса, олардың металдардан айырмашылығы сапалы. Металл арқылы тоқ өту үшін электр өрісінің әсерінен басқа әсер қажет емес, өйткені метадың валенттік зонасы толтырылмаған немесе өткізгіштік зонасымен бүркеседі (2,а-сурет).

Жартылай өткізгіштің өткізгіштігін қоздыру үшін толтырылған валенттік зонадағы электронға тыйым салынған күйлердің зонасынан өтуге қажетті энергияны жеткізу қажет. Электрон валентті зонаның жоғарғы жағынан бос зонаға (өткізгіштік зонасына) ≥ ∆Е энергиясын жұтқанда ғана өтеді.  Бұл энергетикалық шектен өткен таза жартылай өткізгіш электрондық өткізгіштікке ие болады. Тыйым салынған зонаның ені  ∆Е неғұрлым төмен болса, соғұрлым берілген температурада өткізгіштігі жоғары болады. Диэлектриктердің ∆Е мәні  өте үлкен болғандықтан, олардың өткізгіштігі өте аз шама болады.

Абсолюттік нөлге жақындағанда термиялық қоздыру жеткіліксіз болғандықтан жартылай өткізгіштер диэлектриктерге, ал металдар аса өткізгіштерге айналады. Температура жоғарлаған сайын және жартылай өткізгіш ∆Е мәнінен төмен емес hv энергиясы бар кванттармен белсенді сәулеге шалдыққан сайын жартылай өткізгіштің өткізгіштігі соғұрлым жоғарылайды (өйткені валентті зонадан өткізгіш зонасына ауысатын электрондар саны жоғарылайды).

Таза жартылай өткізгіштер үшін түсетін сәуленің жиілігі азайғанда, жұтылу коэффициенті де күрт азайып, материал төменгі жиіліктегі сәулелер үшін мөлдір болады. Жұтылудың мұндай тез азаю бөлігі өзінің жұтылу шегі деп аталады. Толқын ұзындығы (λ) және өзінің жұтылу шегіне сәйкес келетін жиілік (υ) келесі шартпен жұықтап анықталады

hυ = hC/λ=∆E,

мұнда ∆Е -  тыйым салынған зонаның оптикалық ені деп аталады.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     а                          б                         в

 

2-сурет -  Энергетикалық зоналар сұлбасы:

а —  металда;      б — жартылай өткізгіште;     в — диэлектрикте;  

∆Е  — тыйым салынған зонаның ені

 

Көрінетін сәуле кванттарының энергиясы 1,5—3,0 эв құрайды, яғни әдетте өткізгіштікті қоздыру энергиясынан (∆Е) жоғары болады. Егер жартылай өткізгіштің құрамында қоспалар болса, ол жиіліктердің кең аймағында (ультракүлгіннен радиожиіліктерге дейін) мөлдір емес болады.

Металдар сәулемен шалдыққанда өткізгіштігін өзгертпейді, өйткені оларда өткізгіштік электрондарының саны өзгермейді. Жартылай өткізгіштердің  металдардан тағы қатты ерекшеленетін қасиеттері - кристалдар құрылымының дефектілеріне және құрамының өзгеруіне жоғары сезімталдығы.

Электронның жартылай өткізгіштің валентті зонасынан өткізгіштік зонасына ауысуы электрон зарядына тең болатын оң заряды бар валентті зонада бос орынды (тесікті) қалдырады. Тесік деп жеке оң заряды бар жартылай өткізгіштің көрші атомдарын қосатын бұзылған коваленттік байланыс аймағында электроннан босаған орынды айтады.

3-суретте элементарлы жартылай өткізгіштің атомдық торында тесіктің түзілу сұлбасы және өткізгіштік электронынынң түзілуі көрсетілген. Түйіндер арасында пайда болған электрон зарядтың қозғалатын тасығышы болады. Мұндай электрондар, тесіктер секілді, кристалдың бойында бос қозғалыста болады (диффузияға ұшырайды). Егер кристалды оңнан солға қарай түсетін кернеуі бар электр өрісіне орналатса, «бос» электрон өріске қарсы бағытталған қозғалысқа ие болады (оңға қарай). Түзілген тесік (+) орнына сол жағындағы көрші байланыс орнынан электрон ауысады. Алдыңғы тесіктің орнына жаңа тесік пайда болады. Яғни, 3,а-суретте сағат тілдерімен  көрсетілген валентті зонада электрондар солдан оңға қарай секіргенде, тесік өріс бағытымен солға қарай ауысады. Зарядты валентті зона электрондарының тасымалдауы тесіктік өткізгіштік деп аталады. Сонымен, жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі екі түрлі болады: электрондық және тесіктік.

 

 

 

 

  

а                                         б

 

3-сурет – Валенттік байланыстың үзілу сұлбасы және заряд тасымалдағыштары ретінде бос электрон мен тесіктің  пайда болуы: а – жазық көрінісі; б - иондық энергетикалық диаграммасы; А- кремний немесе германий атомдары; (:) – көрші атомдардың байланысын қамтамасыздандыратын валентті электрондар; (+) – тесік; (-) – бос электрон; Е_с – бос зонаның төменгі деңгейі;

Е_в – валентті зонаның жоғарғы деңгейі.

 

 Жартылай өткізгіштің меншікті электр өткізгіштігі келесі теңдеумен өрнектеледі:

                        σ= пеи_п +  реи_р,

мұнда и_п және  и_р — сәйкесінше электрондар мен тесіктердің қозғалғыштықтары; п және р — олардың концентрациялары.

Меншікті жартылай өткізгіште

                                                    

мұнда k — Больцман тұрақтысы, 1,38- 10^-16 эрг/град немесе

0,863  10^-4 эв/град тең.

          А мәні ковалентті байланыстары бар жартылай өткізгіштер үшін (мысалы, кремний мен германий)  Т^1,5 пропорционалды, ал заряд тасығыштардың қозғалғыштықтары Т^-1,5 пропорционалды, сондықтан үлкен қателіксіз былай жазуға болады:

                   ,

мұнда    — берілген жартылай өткізгіш үшін тұрақты мән. Соңғы теңдеуді логарифмдесек, келесі теңдеуді аламыз:

                  

Бұл бұрыштық коэффициенті  тура сызықтың теңдеуі .  

Осыдан     , мұнда  — тура сызық пен  1/Т осінің оң бағытының арасындағы бұрыш.

Бұл бұрыш әрқашан доғал болатындықтан   < 0, ал  > 0. Мұнда  тыйым салынған зонаның термиялық зонасы деп аталады, яғни өткізгіштіктің температуралық қисығынан есептелген.

Нормалы толтырылған байланыстың бұзылуы нәтижесінде электрон – тесік жұбының түзілуін (НЗ) қайтымды реакция теңдеуі түрінде жазуға болады: 

(мұнда  — өткізгіштік электроны, е⁺ — тесік). Берілген температурада динамикалық тепе-теңдік туындайды. Солдан оңға қарай жүретін процесс – электрондар мен тесіктердің генерациясы болады, ал оған кері жүретін процесс электрондар мен тесіктердің рекомбинациясы деп аталады. Ле-Шателье қағидасына сәйкес температура жоғарылағанда бұл тепе-теңдік оңға қарай ығысады. Берілген температурада массалар әсер ету заңы бойынша тепе-теңдік тұрақтысын былай өрнектеуге болады:

 [HЗ] үлкен мәні іс жүзінде тұрақты болатындықтан

пр = const.

Нормалы толтырылған байланыстар саны  1 см³–дегі байланыстар санына тең болады.

Мысалы, германийдің 1 см³ -де байланыстар саны:

                             (6,02-10²³-5,32/72,59) х 2 = 9,0-10²²

(мұнда 5,32 —германий тығыздығы, г/см³; 72,59 — оның атомдық массасы). Жақшадағы сандар көбейтіндісі германийдің 1 см³–дегі атомдар санын көрсетеді. Бұл санның екіге көбейтілу себебі: әрбір атомның көрші атомдармен 4 байланысы болады, әрбір байланыс екі атомды байланыстырады.

Қоспалары жоқ жартылай өткізгіш үшін п = р = п_i (i — intrinsic сөзінен — озінің), сондықтан:

пр=п_i²

Мұның мағынасы келесі: тұрақты температурада жартылай өткізгіште өткізгіштік электрондары концентрациялары мен тесіктердің көбейтіндісі тұрақты шама болады. Бұл шама тұрақты температурада олардың өзінің жартылай өткізгішіндегі концентрациялар көбейтіндісіне тең және құрамындағы қоспалардың мөлшері мен сипаттамасына тәуелсіз болады.

300⁰К-де германий үшін пр = 6,25 10²⁶. Осыдан қоспасыз германийде электрондар мен тесіктердің концентрациясы п = р = п_i = 2,5-10¹³ см^-3.  Кремний үшін n_i жуықтағанда үш реттілікке төмен болады.

 

2 дәріс.  Диэлектриктер

 

2.1 Диэлектрлік материалдардың жіктелуі

Қолдану аймағы бойынша барлық диэлектрлік материалдарды электр изоляциялаушыға және электр конденсаторларындағы диэлектриктерге бөлуге болады.

Біріншілері электр қондырғыларының ток жүргізетін бөліктерін қоршайтын және әртүрлі электрлік потенциалдары бар бөліктерді бір-бірінен бөлетін электрлік изоляцияны жасауда қолданылады.

Екіншілері конденсатордың электрлік сиымдылығының белгілі мәнін қамтамасыз ету үшін, кейбір жағдайларда, бұл сиымдылықтың температураға және басқа факторларға тәуелділіктің белгілі түрін қамтамасыздандыру үшін қолданылады.

Электрлік қасиеттерін басқару мүмкіндігі бойынша диэлектрлік материалдарды тұрақты қасиеттері бар пассивті және активтіге бөледі (сегнетоэлектриктер, пьезоэлектриктер, пироэлектриктер, электреттер және т.б.).

Диэлектрлік материалдар  агрегаттық күйі бойынша газ тәрізді, сұйық және қаттыларға бөлінеді. Ерекше топқа қатаятын материалдарды бөліп тастауға болады. Булар бастапқы күйінде сұйықтықтарға жатады, одан кейін қатаяды да пайдалану кезінде дайын күйінде қатты денелерге айналады (лактар және компаундтар).

Химиялық табиғатына сәйкес диэлектриктердің барлығы  органикалық және бейорганикалыққа бөлінеді. Органикалық заттар ролін көміртек қосылыстары атқарады. Олардың құрамында, әдетте, сутек, оттек, азот, галогендер немесе басқа элементтер болады. Қалған заттар бейорганикалық деп саналады; олардың көбісінің құрамында кремний, алюминий және басқа металдар, оттек және т.б. болады.

 

2.2. Диэлектриктердің полярлануы

Бос электрлік зарядтары бар немесе жоқ болуына тәуелсіз кез келген затта әрқашан байланысқан зарядтар болады: атомдар қауыздарының электрондары, атомдық ядролар, иондар. Сыртқы электр өрісінің әсерінен диэлектриктің байланысқан зарядтары тепе-теңдік күйлерінен ығысады: оң зарядталғандары - өріс кернеуі (Е) векторы бағытында, теріс зарядталғандары – кері бағытта.

Нәтижесінде диэлектриктің әрбір элементарлы көлемі (dV)  индуцирленген электрлік моментке (dp) ие болады.

Диэлектрикте индуцирленген электрлік моменттің (p) түзілуі полярлану құбылысына жатады. Сапалы жағынан диэлектрик полярлануының қарқындылығы полярлылықпен (Р) анықталады (dV  ):

.

Полярлану – векторлы шама: оның бағыты электрлік момент бағытымен беттеседі – теріс зарядтан оң зарядқа. Электрлік момент [Кл×м], ал көлем - [м³] өлшенеді, полярлану модулінің бірлігі - [Кл/м²].

Полярланудың бірнеше түрі бар: электрондық, иондық, дипольдік және миграциялық.

Электрондық полярлану – бұл электрондық орбиталардың оң зарядталған ядроға қатысы. Бұл құбылыс кез келген заттың барлық атомдарында, сонымен қатар полярланудың басқа түрлерінің бар немесе жоқтығына қатыссыз - барлық диэлектриктерде жүреді.

Электр өрісін қосқанда электрондық полярлану өте тез орнығады - 10^-14 - 10^-15 сек ішінде. Электрондық полярлану электр өрісінің барлық жиіліктерінде (оптикалыққа дейін) байқалады.

Атом мөлшері артқан сайын электрондық полярлану артады, себебі сыртқы қауыз электрондарының атом ядросымен байланысы әлсірегенде ядро заряды  (q) артады.  

Иондық полярлану – иондық байланыстары бар заттардағы қарама-қарсы таңбалы зарядталған иондардың бір-біріне қатысты ығысуы. Электр өрісі қосылмай тұрғанда ұяшық иондарының оң және теріс зарядтарының (q) беттесетін центрлері полярлану кезінде өрістің әсерінен қарама-қарсы зарядталған иондардың қарама-қарсы бағыттарда біраз ара қашықтыққа айырылады. Нәтижесінде элементарлы ұяшық индуцирленген электрлік моментке ие болады р_u = q_x.

Иондық полярлану да тез уақытта орнайды (бірақ электрондық полярланудан тез емес) - 10^-13 - 10^-14 с.

Иондық полярлану көбінесе көп валентті заттарда, яғни иондары бір-бірімен әлсіз байланысқан және жоғарырақ электрлік зарядтары бар заттарда болады.

 Дипольдық полярлану полярлы диэлектриктерге тән келеді. Бұл полярлану тұрақты электрлік моменті бар молекулаларының электр өрісінің бағытында бұрылуына негізделген.

Диэлектриктерді полярлыға (қайта ориентациялануға тұрақты дипольдері бар) және полярсызға (ориентацияланатын дипольдері жоқ) бөледі.

Дипольдық полярлануды былай түсіндіруге болады: үздіксіз ретсіз жылулық қозғалыстағы молекулалардың сыртқы электрлік өрістің әсерінен полярлы молекулалар тәртібінің реттелуі. Табиғаты бойынша дипольдік полярлану молекулалардың жылулық қозғалысымен байланысқан және оған температура үлкен әсер етеді.

Дипольдік полярлану жай түрінде газдарда, сұйықтықтарда және аморфты тұтқыр заттарда байқалады.

Миграциялық полярлану кейбір диэлектриктер мен изоляциялау жүйелерінде кездеседі (бір текті емес диэлектриктерде, әсіресе жартылай өткізетін қоспалары бар). Полярланудың бұл түрінде зарядтар осы қоспалардың шекараларына дейін көшіп бөлу бетінде жиналады.

Миграциялық полярлану әдетте өте төмен жиіліктерде кездеседі.

 

2.3 Диэлектриктердің электр өткізгіштігі

Диэлектрлік материалдардың барлығы тұрақты кернеу әсерінен аз мөлшерде ток өткізеді. Ол кеміп қалу тогы деп аталады.  Материал меншікті кедергісі (r) жоғары болған сайын, электр изоляциялаушы материалдың сапасы да жоғары болады. Диэлектриктердің электр өткізгіштігінің келесі ерекшеліктері бар.

Біріншіден, диэлектриктің өте жоғары меншікті кедергісіне байланысты, изоляция бөлімі көлемінен өтетін ток көлемі  (көлемдік тесіп өтетін ток I_V)- өте аз шама болып келеді және онымен беттік токты (беттік тесіп өтетін ток I_S) салыстыруға болады. Осы себептен изоляциялаушы бөлімінің жалпы тоғын есептегенде, көлемдік токпен қатар беттік токты да ескеру қажет:

.

Олай болса,  өткізгіштік G = I / U   көлемдік G = I_V / U   және   беттік

 G = I_S / U өткізгіштіктерден тұрады:

.

Бұл өткізгіштіктерге кері шамалар изоляциялаушы бөлімінің кедергілері деп аталады (көлемдік R_V және беттік R_S). Изоляцияның жалпы кедергісін осы екі параллельді қосылған кедергілердің салдарлыдан анықтайды:

.

Диэлектриктің меншікті кедергісі (ρ) деп әдетте меншікті көлемдік кедергіні түсінеді, ал R_S сипаттау үшін меншікті беттік кедергі (r_S) түсінігін енгізеді.

Диэлектриктердің екінші ерекшелігі: тұрақты кернеуді қосқаннан кейін токтың уақытта ақырындап азаюы. Диэлектрик көлемінде бос зарядтардың қайта таралуын қамтамасыз ететін токтың ақырындап өзгеретін құрастырушысын абсорбция тогы I_абс деп атайды.

Абсорбция тогы диэлектрик көлемінің заряд тасығыштарын жутумен байланысты: заряд тасығыштардың бір бөлігі өз жолында зарядтарды ұстап қалатын тордың деффекттерін кездестіреді. Біраз уақыттан кейін, деффекттердің барлығы тасығыштармен толғанда, абсорбция тогы бітеді де уақытта өзгермейтін  тесіп өтетін ток (I_скв) қалады. Бұл ток бір электродтан екіншіге дейін заряд тасығыштардың өтуіне байланысты және көлемдік пен беттік тесіп өтетін токтардың қосындысына тең:

.

Абсорбция тогы диэлектриктің белгілі жерлерінде (тор деффектілерінде, бөлу беттерінде, бір текті емес бөліктерінде)  заряд тасығыштардың жиналуына әкеледі. Көлемдік зарядтардың түзілуіне байланысты диэлектриктің өріс кернеуінің таралуы бір текті болмайды.

 

2.4 Диэлектриктердің химиялық қасиеттері

Ұзақ уақыт жұмыс істегенде диэлектриктер жанама өнімдерді түзумен бүлінбеу және олармен беттесетін металдардың коррозиялануын болдырмау; әртүрлі заттармен (газдармен, қышқылдармен, сілтілермен, тұздар ерітінділерімен және т.б.) әрекеттеспеу қажет. Бұл заттардың әсеріне әртүрлі диэлектриктардың тұрақтылығы әртүрлі болады.

Детальдарды өндірудегі материалдар әртүрлі химиялық-технологиялық әдістермен өңделуі мүмкін: клейлену, лактардың түзілуіне әкелетін еріткіштерде еруі және т.б. Қатты материалдардың ерігіштігі еріткішпен беттесетін беттің бірлігінен уақыт бірлігінде ерітіндіге ауысатын материалдың мөлшерімен бағаланады. Мұнымен қатар, кейде ерігіштікті берілген ерітіндіде еритін заттың ең үлкен мөлшерімен анықтайды (яғни қаныққан ерітінді концентрациясы бойынша). Химиялық табиғаты бойынша еріткішке жақын және молекулаларында атомдардың ұқсас топтары бар заттардың еруі оңайырақ болады: дипольдік заттар дипольдік сұйықтықтарда оңай ериді, бейтараптылар – бейтараптыларда. Мысалы, полярсыз немесе әлсіз полярлы көмірсутектер (парафин, каучук) сұйық көмірсутектерде (бензинде) оңай ериді; гидроксильды топтары бар полярлы шайырлар (фенолформальдегидті және т.б.) спиртте және басқа полярлы еріткіштерде ериді. Полимерлену дәрежесі жоғарлаған сайын ерігіштік төмендейді: сызықты құрылымы бар жоғары молекулалық заттар кеңістік құрылымдағылармен салыстырғанда оңай ериді. Температура жоғарлағанда ерігіштік де артады.

 

3 дәріс. Өткізгіштер

3.1 Өткізгіштер туралы жалпы мәліметтер

Электр тоғын тасымалдаушылар ретінде қатты денелер, сұйықтықтар, кейбір жағдайларда иондану күйінде газдар болуы мүмкін.

Металдық өткізгіш материалдар нормалы температурада меншікті кедергісі ≤ 0.05 мкОм·м жоғары өткізгіштігі бар металдарға  және меншікті кедергісі ≥ 0.3 мкОм·м жоғары кедергілі құймаларға бөлінеді.

Мұнымен қатар төмен температураларда меншікті кедергісі өте аз шама болатын аса өткізгіштер мен криоөткізгіштер деп аталатын материалдарға көп назар бөлінеді.

Сұйық өткізгіштерге балқытылған металдар мен электролиттер жатады. Металдардың көбісінің балқу температурасы жоғары, тек балқу температурасы (-39°С) болатын сынап нормалы температурада сұйық металдық өткізгіш ретінде қолданылуы мүмкін. Басқа металдар сұйық өткізгіш рөлін тек жоғары температураларда атқарады.

Қатты және сұйық күйлерінде металдарда токтың өту механизмі электр өрісінің әсерінен бос электрондардың қозғалуына байланысты, сондықтан металдарды электрондық электр өткізгіштігі бар өткізгіштер немесе бірінші ретті өткізгіштер деп атайды. Екінші ретті өткізгіштерге немесе электролиттерге қышқылдар, негіздер және тұздардың сулы ерітінділері жатады. Фарадей заңдарына сәйкес бұл заттардан токтың өтуі электрлік зарядтармен бірге иондардың тасымалдануына байланысты. Нәтижесінде электролит құрамы бірте-бірте өзгеріп, электродтарда электролиз өнімдері бөлінеді. Балқытылған күйдегі иондық кристалдар да екінші ретті өткізгіштерге жатады.

Барлық газдар мен булар, оның ішінде металдар буы да, электр өрісінің төменгі кернеулерінде өткізгіштерге жатпайды. Егер өрістің кернеуі соққыгер және фотоионданудың басталуын қамтамасыздандыратын белгілі ауыспалы мәннен асып кетсе, газ электрондық және иондық өткізгіштігі бар өткізгішке айналуы мүмкін. Электрондар саны көлем бірлігіндегі оң зарядталған иондар санына теңескенде қатты ионданған газ плазма деп аталатын ерекше өткізетін орта рөлін атқарады.

 

3.2 Металдар электр өткізгіштігі

Металдардың классикалық электрондық теориясы бойынша  өткізгіш – ішінде бос электрондардан тұратын электрондық газы бар иондық кристалдық тордың түйіндерінен тұратын жүйе болып табылады. Бос күйге әрбір атомнан 1-2 электрон өтеді. Электрондық газға кәдімгі газдардың түсініктері мен статистика заңдары қолданылады. Электр өрісінің әсерінен электрондардың жылулық және бағытталған қозғалысын қарастыру Ом заңының теңдеуін ашуға мүмкіндік берді. Электрондар кристалдық тор түйіндерімен соқтығысқанда, электр өрісінде электрондарды тездеткенде жиналған энергия өткізгіштің металдық негізіне беріліп, нәтижесінде оның қызуы жүреді. Бұл процесті зерттеу Джоуль-Ленц заңының туындауына әкелді.

Металды оң зарядталған иондар бірімен бірі бос қозғалатын электрондар арқылы байланысқан жүйе ретінде қарастыру металдардың барлық негізгі қасиеттерінің (иілімділігінің, соғымдылығының, жақсы жылу өткізгіштігінің және жоғары электр өткізгіштігінің) табиғатын оңай түсінуге мүмкіндік береді.

 

3.3 Өткізгіштер қасиеттері

Өткізгіш материалдардың қасиеттерін сипаттайтын негізгі параметрлерге жатады:

- меншікті өткізгіштігі  немесе оған кері шама – меншікті кедергісі,
- меншікті кедергінің температуралық коэффициенті ТК немесе ,
- жылу өткізгіштігі , 
- потенциалдар мен термо-Э.Қ.К. контактті айрымы,
- электрондардың  металдардан шығу жұмысы,
- созу кезіндегі беріктік шегі    және үзілу кезіндегі салыстырмалы ұзартылуы .

 

3.3.1 Өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі мен меншікті кедергісі

Өткізгіштегі ток тығыздығы (J, А/м²) мен электр өрісі кернеулігінің (Е, В/м)  арасындағы байланыс келесі теңдеумен өрнектеледі:

Мұнда , См/м – меншікті өткізгіштік деп аталатын өткізгіш материалының параметрі. Ом заңына сәйкес,  электр өрісінің кең аймақта өзгеруіне тәуелді емес. Меншікті өткізгіштікке кері шама  - меншікті кедергі. Кедергісі  R, ұзындығы 1 м, тұрақты көлденең қимасы S болатын өткізгіштің меншікті кедергісі келесі формуламен есептеледі:

ρ = R·S/l     [Ом·м]

Қалыпты температурада металл өткізгіштердің ρ мәндерінің диапазоны өте аз болады: 0.016 – күміс үшін және жұықтағанда 10 мкОм·м – темірхромалюминийді құймалар үшін. Кристалдық торы дұрыс келетін барлық таза металдар меншікті кедергінің ең кіші мәндерімен сипатталады; ал металдың құрамында қоспалары болса - торды бұрмалап, ρ мәнін арттырады.

 

3.3.2 Металдар меншікті кедергісінің температуралық коэффициенті

Температура жоғарылағанда металл өткізгішіндегі зарядты тасымалдағыштардың саны өзгермейді. Сонымен қатар температура жоғарылағанда электр өрісінің әсерінен кристалдық тор түйіндерінің тербелісінен бос электрондар қозғалысының жолында кедергілер артады да металдардың меншікті өткізгіштігі азайып, меншікті кедергісі артады. Яғни металдар меншікті кедергісінің температуралық коэффициенті оң шама болады.

 

3.3.3 Балқыту кезінде  металдар меншікті кедергісінің өзгеруі

Қатты күйден сұйыққа ауысқанда металдардың көбісінде меншікті кедергінің өсуі байқалады (4 сурет), бірақ кейбір металдардың балқуы кезінде ρ мәні артады.

4 сурет –Мыстың меншікті кедергісінің температураға тәуелділігі.

 

Қисықтың кенет өзгеруі мыстың балқу температурасына  (1083°С) сәйкес келеді.

Балқыту кезінде көлемі ұлғаятын, яғни тығыздығы азаятын  металдардың меншікті кедергісі артады және керісінше жағдайда (мұз-су фазалық ауысуда) ρ азаяды.

 

3.3.4 Деформациялар кезіндегі металдар   

Созылу немесе  қысылу кезінде меншікті кедергісінің өзгеруі былай бағаланады:

ρ = ρ₀ (1± σ ·s)

мұнда ρ – механикалық кернеу (σ) кезіндегі металдың меншікті кедергісі, ρ₀ – механикалық әсерге ұшырамайтын металдың меншікті кедергісі, s – берілген металды сипаттайтын механикалық кернеу коэффициенті; формуладағы «плюс» таңбасы созылуға, ал «минус» таңбасы – қысылуға сәйкес келеді.

Серпімді деформацияларда ρ мәнінің өзгеруі металл кристалдық торы түйіндері тербелістерінің амплитудасының өзгеруіне байланысты болады. Созылғанда бұл амплитудалар артады,  қысылғанда – азаяды.

 

3.3.5 Құймалардың меншікті кедергісі

Екі металды балқытқанда олар қатты ерітінді түзсе,  ρ мәнінің елеулі өсуі байқалады, яғни қатайғанда бірлескен кристалдануды түзеді және бірінші металл атомдары екіншісінің кристалдық торына енеді. ρ мәнінің құйма компоненттерінің белгілі қатынасына сәйкес келетін максимумы пайда  болады. Н.С.Курнаков компоненттердің бір-бірімен белгілі қатынасында химиялық қосылыстар (интерметаллидтер) түзілгенде құрам функциясының ρ қисықтарында сынықтар байқалатынын ашты (5 сурет).

5 сурет- Мырыш–магний құймаларының меншікті кедергісінің құрамына тәуелділігі. 1 нүкте - таза Mg, 2– MgZn қосылысы, 3 - Mg₂Zn₃, 4 – MgZn₄,  5 – MgZn₆, 6 – таза мырыш.

 

А.Ф.Иоффе зерттеулері көптеген интерметаллидтердің металдық сипаттамасы бар заттар емес, электрондық жартылай өткізгіштер екендігін көрсетті.

Егер екі металдың құймасы бөлек кристалдануды түзсе және қатайған құйма құрылымы әр компонент кристалдарының  қоспасы болса (яғни әрбір компоненттің кристалдық торы бұзылмаса), құйманың меншікті өткізгіштігі γ  құрамның өзгеруімен жұықтағанда сызықты өзгереді (араластырудың арифметикалық ережесімен анықталады) (6 сурет).

 

6 сурет – Мыс-вольфрам құймалары меншікті өткізгіштігінің құрамына тәуелділігі (масса бойынша пайызбен)

 

3.3.6  Металдардың жылуөткізгіштігі

Металдың электр өткізгіштігін анықтайтын бос электрондар металл арқылы жылуды өткізуге жауапты. Олардың саны көлем бірлігінде өте көп болады. Сондықтан металдардың жылу өткізгіштігі γ_т диэлектриктердің жылу өткізгіштігінен көп есе жоғары болады. Олай болса, металдың меншікті электр өткізгіштігі γ неғұрлым жоғары болса, оның жылу өткізгіштігі де соғұрлым жоғары болуы керек. Температура жоғарылағанда металл электрондарының қозғалғыштығы мен сәйкесінше меншікті өткізгіштігі азаяды да  γ_т/γ  қатынасы артады.

 

3.3.7  Термоэлектрқозғаушы кұші

Екі металл өткізгіштері түйіскенде олардың арасында потенциалдардың контактті айырымы пайда болады. Оның түзілуінің себебі: әртүрлі металдардан электрондардың шығу жұмысы мәндерінің бірдей еместігінде, сонымен қатар әртүрлі металдар мен құймаларда электрондар концентрациясы және электрондық газ қысымы әртүрлі болуы мүмкін. Металдардың электрондық теориясынан А және В металдар арасындағы потенциалдардың контактті айырымы:

мұнда U_А және U_В – беттесетін металдардың потенциалдары; n_А және n_В – А және В металдарындағы электрондар концентрациялары.

Дәнекерлеп біріктірілген металдардың температуралары бірдей болса, потенциалдар айырымдарының қосындысы нөлге тең болады. Ал егер бірінші металдың температурасы Т₁, ал екіншісінің – Т₂  болса, олардың арасында термо-э.қ.к. пайда болады.

Бұл теңдеуді былай да өрнектеуге болады: 

 

мұнда с – өткізгіштердің берілген жұбы үшін термо-э.қ.к коэффициенті (ол  металдар температураларының айырымына пропорционал болады).

 

7 сурет – Терможұп сұлбасы

 

Әртүрлі металдар немесе құймалардың екі бөлек сымдарынан құрастырылған сым (терможұп) температураны өлшеуде қолданылуы мүмкін.

 

3.3.8 Өткізгіштердің механикалық қасиеттері

Мехинакалық қасиеттерге созылу кезінде беріктік шегі σ_р және айырылу кезіндегі салыстырмалы ұзартылуы Δl/l, сонымен қатар сынғыштығы, қаттылығы және т.б. жатады. Металл өткізгіштерінің механикалық қасиеттері механикалық және термиялық өңделуге, қоспаланған қоспалардың бар болуына және т.б.  тәуелді болады.

 

3.4 Жоғары өткізгіш материалдар

Бұл материалдарға, біріншіден, мыс және алюминий жатады.

Температура төмендегенде металдардың меншікті кедергісі азаяды. Электрлік кедергінің жоғалуы, яғни материалдың шексіз электрлік өткізгіштігінің пайда болуы аса өткізгіштік деп аталады, ал заттың аса өткізгіш күйіне ауысатын кездегі салқындататын температура – аса өткізгіш ауысудың температурасы Т_с. Аса өткізгіш күйге ауысу қайтымды процесс: температура Т_с мәніне дейін жоғарылағанда аса өткізгіштік бұзылады да материал меншікті өткізгіштіктің γ  соңғы мәніне жетіп, қалыпты күйге ауысады. Қазіргі кезде 27 жай (таза металдар) және > 1000 күрделі (құймалар мен химиялық қосылыстар) аса өткізгіштер белгілі.

Аса өткізгіштерді аса өткізгіш электр магниттерінде қолданады, сонымен қатар электр машиналарын, трансформаторларды және тағы басқа кіші габаритті және кіші массалы, бірақ ПӘК мәндері жоғары болатын құрылғыларды; алыс ара қашықтықтарға жоғары құатты электр беретін жолдарды, толқын жүргізгіштерді, энергия жинаушыларды және т.б.  жасауда қолданады.

Аса өткізгіштік құбылысымен қатар қазіргі электр техникада  криоөткізгіштік құбылысы кеңінен қолдануда, яғни криогенді температураларда (бірақ аса өткізгіштік ауысу температурасынан жоғарырақ) кейбір металдардың меншікті өткізгіштігінің ең төменгі мәндеріне жету. Криогенді температуралар жағдайларында өткізгіштер ретінде қолдануға қолайлы қасиеттері бар материалдар  криоөткізгіштер  немесе гиперөткізгіштер деп аталады.

Криоөткізгіштер электр машиналары мен трансформаторлардың орағыштары ретінде, кабельдердің ток өткізетін желілері ретінде және т.б. қолданылуы мүмкін.

 

4 дәріс. Жартылай өткізгіштер

 

4.1 Жалпы мәліметтер

Барлық жартылай өткізгіш материалдар жай (немесе элементтер) (ЖЖ), жартылай өткізгіш химиялық қосылыстарға және жартылай өткізгіш комплекстарға бөлінеді.  Соңғы кездері шыны тәрізді және сұйық күйіндегі жартылай өткізгіштер зерттелуде. Жай жартылай өткізгіштер (ЖЖ) саны 10 шақты. Қазіргі техникада кремний (Si), германий (Ge) және жарым –жартылай селенге (Se) ерекше мән беріледі.

Жартылай өткізгіш химиялық қосылыстарға кейбір оксидтер мен күрделі құрамдағы заттар, сонымен қатар А^IIВ^VI (CdS, ZnSe), А^IIIВ^V(InSb, GaAs, GaP), А^IVВ^VI (PbS, PbSe, PbTe) формулаларына сәйкес келетін, Менделеев кестесінің әртүрлі топтар элементтерінің қосылыстары жатады.

Жартылай өткізгіш комплекстарға керамикалық немесе басқа тізбекпен тіркелген графиттің, кремний карбидінің жартылай өткізгіш немесе өткізгіш фазасы бар заттарды жатқызуға болады. Олардың ішінде кең таралғандарға тирит және силит жатады.

 

4.2 Меншікті (таза) жартылай өткізгіштер

Жай өткізгіштер атомдарының сыртқы қауызында 4 валенттік электрондары болады. Атомдар кристалдық торға байланысқанда, бұл электрондар қасындағы төрт атом үшін жалпыланады. Мұндай байланыс  коваленттік деп аталады.

 

                                                                             

8 сурет – Меншікті жартылай өткізгіштің кристалдық торы

 

Қозымаған күйде бос электрондар болмайды. Сырттан энергетикалық әсер етілгенде электрондардың біреуі қосымша энергияға ие болып, атомнан бөлінеді де кристалдың ішінде бос қозғалып бастайды. Бұл кезде оның орынында электрондық тесік пайда болады, яғни меншікті өткізгіштегі тасығыштардың  генерация процесі – электрондық-тесіктік жұптың түзілуі жүреді. Ал бұл жұптың жойылу процесі, яғни тесік электронмен кездескенде – рекомбинация процесі деп аталады.

Генерация процесінде түзілген тесіктер мен электрондар n_{i ,} p_i зарядтарының меншікті тасығыштары болып табылады.

 

4.3 Қоспалы жартылай өткізгіштер

Жартылай өткізгіш аспаптарының көбісінде қоспалы жартылай өткізгіштер қолданылады. Сондықтан іс жүзінде зарядты  меншікті тасығыштардың концентрациясы жеткілікті жоғары температурада елеулі болатын, яғни тыйым салынған зонасының ені үлкен болатын жартылай өткізгіштер маңызды рөл атқарады. Мұндай ЖЖ температуралардың жұмыстық интервалында зарядтардың бос тасығыштарын қоспалар жеткізеді.

Жай жартылай өткізгіштерде қоспалар рөлін бөгде атомдар атқарады. Ал химиялық қосылыстарда оларға бөгде атомдар ғана емес, сонымен қатар стехиометриялық құрамы бойынша артық болатын элементтердің атомдары келеді. Мұнымен қатар, қоспалар рөлін кристал торының деффектілері орындайды.

Жартылай өткізгіштің тыйым салынған зонасында дискреттік энергетикалық деңгейлерді тудыратын атомдар қоспаларының рөлін қарастырайық.

 

4.3.1 Донорлы қоспалар

Егер IV валентті элементтің кристалл торына валенттілігі V тең элемент атомын енгізсе, сыртқы қауызының төрт электроны IV валентті элемент атомдарымен байланысады, ал бір электрон артық қалып, өзінің атомымен әлсіз байланысқан болады. Бұл электрон жылулық энергияның әсерінен жартылай өткізгіштің бойымен бос қозғалыста болады. Электр өрісінің әсерінен оның қозғалуы бағытпен жүреді (n типті электр өтккізгіштік), ал электронды берген атом жартылай өткізгіш торының белгілі жерінде қозғалмай тұрады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 сурет – Мышьяк донорлы қоспасы бар Ge кристалдық торының сұлбасы

 

Энергетикалық диаграммалар тұрғысынан донорлы қоспалар тыйым салынған зонада өткізгіштік зонасы түбінің қасында толтырылған энергетикалық деңгейлерді түзеді. Қоспа атомдарының активтендіру энергиясы тыйым салынған зонаның енінен аз болғандықтан, денені қыздырғанда қоспа электрондарының ауысуы тор электрондарының қозуының алдын алады.

 

 

 

 

  

10 сурет – Донорлы жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграммасы

 

4.3.2 Акцепторлы қоспалар

IV валентті жартылай өткізгіштің торына III валентті элементті (мысалы, борды) енгізсе, бұл элемент германий атомдарымен үш ковалентті байланыс түзеді, германийдің төртінші атомымен байланысу үшін бордың электроны жоқ. Осылайша, германийдің бірнеше атомдарында коваленттік байланысы жок бір электрон болады. Сырттан аз мөлшерде әсер етілсе бұл электрондар орындарын ауыстырып, германий  атомдарында тесіктер пайда болады. Бор атомдарымен басып алынған босаған электрондар электр тоғын түзе алмайды. Ал германий атомдарының тесіктеріне көрші атомдардан, тесіктерін босатып, электрондар ауысады. Яғни оң зарядталған тесік кристалл бойымен ауысып жүреді, ал өріс әсерінен қоспалы тесіктік ток түзіледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 11 сурет - In  акцепторлы қоспасы бар Ge  кристалл торының сұлбасы

 

Зоналық теория көзқарасынан, акцепторлы қоспа тыйым салынған зонада валентті зонаның төбесінің қасында толтырылмаған энергетикалық зоналарды түзеді. Жылулық қозу, біріншіден, валентті зонадан осы энергетикалық деңгейлерге электрондарды ауыстырады. Қоспа атомдарының басы бірікпеушіл болғандықтан, қоспалы деңгейлерге лақтырылған электрондар электр тоғын түзуге қатыспайды. Мұндай жартылай өткізгіш тесіктерінің концентрациясы валенттік зонадан өткізгіш зонасына ауысқан электрондардың концентрациясынан жоғары болады. Бұл жартылай өткізгішті р-типті жартылай өткізгішке жатқызады.

 

 

 

 

 

12 сурет -  Акцепторлы жартылай өткізгіштің энергетикалық диаграммасы

 

4.4 Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

Қоспалары жоқ жартылай өткізгіш нормалы жағдайларда меншікті өткізгіштікке немесе i-типті өткізгіштікке ие болады. Меншікті өткізгіштік «электрон-тесік» жұптарының генерациясына байланысты болады. Өткізгіштіік зонасындағы электрондар концентрациясы – n_i , ал валенттік зонадағы тесіктер – p_i және n_i = p_i болса, жартылай өткізгіштің меншіікті өткізгіштігі:

σ_i = n_i е (μ_n + μ_p)

Қоспалы жартылай өткізгіште np болғандықтан электр өткізгіштік келесі формуламен өрнектеледі:

σ = е (μ_nn + μ_pp).

 

4.5 Жартылай өткізгіштегі токтар

4.5.1 Ығушы ток

Кристалда электрондар мен тесіктер ретсіз жылулық қозғалыста болады. Электр өрісі туындағанда ретсіз қозғалысқа осы өрістің әсерінен туындаған бағытталған қозғалыстың құрастырушысы қосылады. Нәтижесінде электрондар мен тесіктер кристалл бойымен қозғалып бастайды да ығушы электр тогы пайда болады.

 

 

 

 

 13 сурет – Зарядталған бөлшектердің электр тоғының әсерінен жартылай өткізгіште қозғалуы

 

4.5.2 Диффузиялық ток

Жартылай өткізгіште токтың пайда болу себебі электр өрісі ғана емес, сонымен қатар зарядты қозғалмалы тасығыштар концентрациясының градиенті болып табылады.

Егер дене электрлік бейтарап болса және оның кез келген микроауданында қосынды оң және теріс заряд нөлге тең болса, көрші аудандардағы заряд тасығыштары концентрацияларының айырмашылығы  электр тоғының және концентрацияны теңестіретін итеруші электр күштерінің түзілуіне әкелмейді. Бірақ жылулық қозғалыстың жалпы заңдарына сәйкес концентрациясы жоғары болатын ауданнан азырақ болатын жағына микробөлшектер диффузиясы туындайды. Диффузиялық токтың тығыздығы заряд тасығыштары концентрациясының градиентіне пропорционалды болады:

J_{p диф} = - е D_p dp/dx,

мұнда D_p – тесіктер диффузиясының коэффициенті, dp/dx – тесіктер концентрациясының градиенті, «-» – диффузиялық тесіктік токтың тесік концентрацияларының азаю жағына бағытталғанын көрсетеді.

J_{n диф} = e D_n dn/dx.

«-» таңбасының жоқтығы электр техникасындағы электр тоғының бағыты электрондар ағыны бағытына кері екендігін және бұл ағын да концентрацияның азаю жағына қарай бағытталғанын көрсетеді.

Жалпы жағдайда, жартылай өткізгіште электр өрісімен қатар заряд тасығыштары концентрациясының градиенті де болуы мүмкін. Сонда жартылай өткізгіш тогында ығушымен қатар диффузиялық та құрастырушылары болады.

  

4.6 Германий

Германийдің бар болуын және негізгі қасиеттерін 1870 ж. Д. И. Менделеев болжамдады. Германийді экосилиций деп атады.

Германий қатты шашыраған элементтерге жатады, әртүрлі минералдарда аз мөлшерде кездеседі. Қазіргі кезде германийді өндірістік алудың негізгі көздеріне мырыш өндірісінің, көмірлерді кокстаудың қосымша өнімдері, сонымен қатар мысқорғасынмырыш кендерінен алынатын германий концентраттары болып табылады.

Таза германий металдық жалтырауы бар, жоғары беріктігі мен сынғыштығы бар, кремний сияқты алмааз құрылымына кристалданады. Кристалдық германий бөлме температурасында ауада химиялық тұрақты. 650°С-ға дейін қыздырғанда GeO₂-ге дейін тотығады.

Бөлмелік температурада ол суда, тұз және сұйылтылған күкірт қышқылдарында ерімейді. Белсенді еріткіштері  – азот қышқылы мен HF қышқылының қоспасы. Балқу температурасы салыстырмалы жоғары емес - 936°С. Бұл температурада қаныққан бу қысымының мәні өте аз шама болады. Температура өзгергенде тыйым салынған зонаның ені  сызықтық заң бойынша өзгереді.

Жартылай өткізгіш аспаптарды жасау үшін электрлік белсенді қоспалардың белгілі қосымшалары бар германийді пайдаланады. Германий негізінде тағайындалуы әртүрлі болатын аспаптардың кең номенклатурасы, ең бірінші диодтар мен транзисторлар, шығарылады.

Түзеткіш жазықтық диодтар кернеуі   ≤ 0.5 В дейін азайғанда 0,3 - 1000 А аралығындағы тура токтарға есептелген. Германий диодтарының кемшілігіне кері кернеулер мәндерінің аз болуы жатады. Германийден жасалған транзисторлар төменгі және жоғары жиілікті, қуатты және аз қуатты болады.

Германийді тунель диодтарын, варикаптарды, нүктелік жоғары жиілікті, импульсті диодтарды жасауда қолданады. Импульсті диодтарда ауыстырып қосудың жоғары жылдамдығына жету үшін зарядтың теңсіз тасығыштарының аз уақыт өмірі бар материал қажет. Бұл талапқа алтынмен легирленген германий сәйкес келеді.

Заряд тасығыштарының салыстырмалы жоғары қозғалғыштығына байланысты германийді  Холл датчиктерін және басқа магнитсезімді аспаптарды жасауда қолданады.

Германийдің оптикалық қасиеттері оны фототранзисторлар мен фотодиодтарды, сәулесінің жоғары күші бар оптикалық линзаларды, оптикалық фильтрлерді, сонымен қатар ядролы бөлшектердің санағыштарын жасауда қолдануға мүмкіндік береді. Германий аспаптарының жұмыстық диапазоны  (-60°С-ден  +70°С-ге) дейін.

 

3.7 Кремний

Кремний ең кеңінен таралған элементтердің бірі. Кремнийдің көптеген қосылыстары тау жыныстары мен минералдардың құрамына кіреді. Құм және топырақ кремний қосылыстарынан тұрады.

Кремнийді алудың шикі заты – кремнезем. Кремнийді бұл заттан көміртегі бар материалмен электр пештерінде тотықтырып алады.

Кремний алмаз құрылымына кристалданады. Германиймен салыстырғанда кремний торындағы атомдар арасындағы ара қашықтықтары азырақ болғандықтан, коваленттік байланыстары мықтырақ болады да нәтижесінде тыйым салынған зонасы кеңірек болады.

Химиялық жағынан кремний – инертті зат. Суда ерімейді, көптеген қышқылдармен әрекеттеспейді.  HNO₃ пен HF қоспасында, қайнаған сілтілерде ериді. Ауада 900°С-ге дейін қыздырғанда тұрақты болады. Бұл температурадан жоғары мәндерде SiO₂  оксидіне дейін белсенді тотығады.

Кремнийдің балқу температурасы жоғары, балқытылған күйінде химиялық белсенділігі жоғарылайды.

Планарлы транзисторлар мен интегралды микросұлбаларды, дискреттік аспаптарды  жасауда қолданылады.

Кремнийден түзеткіш,  импульсты және аса жоғары жиілікті диодтар, төменгі және жоғары жиілікті, қуатты және аз қуатты биполярлы транзисторлар, зарядталатын байланысы бар аспаптар, стабилитрондар мен тиристорлар жасалады. Планарлы транзисторлардың жұмыстық жиіліктері 10 ГГц-ке жетеді. Материалды легірлеу дәрежесіне қарай кремнийлі стабилитрондардың тұрақтандыру кернеуі  3 - 400 В құрайды.

Кремнийлі жазықтық түзеткіш диодтар  ≤ 1500 В дейін кері кернеулерге төзімді болады. Техникада кремнийлі фотосезімді аспаптар, әсіресе тез әсерлі  фотодиодтар кеңінен таралған. Ғарыштық аппараттарын энергиямен қамтамасыздандыру жүйесінде  кремнийлі күн сәулесі батареялары қолданылады.

Мұнымен қатар, кремнийді ядролы сәулелену детекторларын, Холл датчиктерін және тензодатчиктерін жасауда қолданады.

Тыйм салынған зонасының ені кеірек болуына байланысты кремнийлі аспаптар, германийге қарағанда, жоғарырақ температураларда жұмыс істей алады. Жоғарғы шегі 180-200°С құрайды.

 

5 дәріс. Магниттік материалдар

 

Магниттік материалдар электр- және радиобайланыста, өткізгіш және диэлектрлік материалдар сияқты, маңызды рөл атқарады.  Электр машиналарында, трансформаторларда, дроссельдерде, электррадиоаспаптарында және өлшегіш аспаптарында әрқашан магниттік материалдар пайдаланылады:  магнит жүргізгіш ретінде, тұрақты магниттер ретінде немесе магнитті өрістерді экрандауда.

Магниттік өріске орналастырылған кез келген зат магниттік моментке (М) ие болады. Көлем бірлігінің магниттік моменті  магниттелгендік  (J_м) деп аталады.

J_м=M/V

Магниттік өрістің магниттелгендігі кернеулікпен  былай байланысқан: 

J_м=k_мH,

мұнда k_м – магниттік қабілеттілік деп аталатын берілген заттың магниттік өрісте магниттенуге қабілеттілігін сипаттайтын өлшемсіз шама.

Заттың магниттік қасиеттерінің ең бірінші себебі – магниттік моменттері бар элементарлы айналма токтары  түрінде елестетілетін электр зарядтары қозғалуының ішкі елеусіз формалары. Мұндай айналма токтары болып атомдағы электрондардың орбитальдік спиндері және орбитальдік айналуы келеді. Протондар мен нейтрондардың магниттік моменттері электронның магниттік моментінен жұықтағанда 1000 есе аз болады. Осы себептен атомның магниттік қасиеттері электрондармен анықталады да ядроның магниттік моментін ескермеуге де болады.

 

5.1 Заттарды магниттік қасиеттері бойынша жіктеу

Табиғаттағы барлық заттарды сыртқы магниттік өріске реакциясы бойынша және ішкі магниттік реттелуінің сипаттамасы бойынша 5 топқа бөлуге болады:

-диамагнетиктер;
-парамагнетиктер;
-ферромагнетиктер;
-антиферромагнетиктер;
-ферримагнетиктер.

Диамагнетиктердің  магниттік өткізгіштігі  m < 1, сыртқы магниттік өрістің кернеулігіне тәуелсіз.

Диамагнетизм атомды магниттік өріске енгізгенде электронның орбитальдік айналуы бұрыштық жылдамдығының аз ғана өзгеруімен қамтамасыздандырылады.

Диамагнетиктерге инертті газдар, сутек, азот, көптеген сұйықтықтар (су, мұнай), кейбір металдар (мыс, күміс, алтын, мырыш, сынап және т.б.), жартылай өткізгіштер мен органикалық қосылыстардың көбісі жатады. Коваленттік химиялық байланысы бар заттардың барлығы және аса өткізгіш күйіндегі заттар диамагнетиктер болып табылады.

Диамагнетизмнің сыртқы көрсеткіші – диамагнетиктердің біртекті емес магниттік өрістен итеріліп шығарылуы.

Парамагнетиктердің магниттік өткізгіштігі  m > 1 және сыртқы магниттік өрістің кернеулігіне тәуелсіз болады.

Сыртөы магниттік өріс атомдардың магниттік моменттерін көбінесе бір бағытта бағдарлайды. Парамагнетиктер магниттік өрістің ішіне қарай тартылады.

Парамагнетиктерге оттегі, азот оксиді, сілтілік және сілтілік жер металдар,  темір, кобальт, никель және сирек элементтер тұздары жатады.

Физикалық табиғаты бойынша парамагниттік эффект диэлектриктердің дипольдік-релаксациялық полярлануына ұқсас болады.

Ферромагнетиктерге   сыртқы магниттік өрістің кернеулігі мен температураға тәуелді болатын жоғары магниттік өткізгіштігі бар (10⁶ дейін) заттар жатады.

Ферромагнетиктерге атомдардың магниттік моменттері параллельді  бағытталған макроскопиялық аудандарынан тұратын ішкі магниттік реттеулік тән келеді. Ферромагнетиктердің негізгі ерекшелігіне олардың әлсіз магниттік өрістерде қанығуына дейін магниттену қабілеттілігі жатады.

Антиферромагнетиктер – белгілі температурадан төменгі мәндерде бірдей атомдардың немесе кристалдық тор иондарының магниттік моменттерінің антипараллельді бағытталуы спонтандық түзілетін заттар.

Қыздырғанда антиферромагнетик парамагниттік күйге ауысады. Антиферромагнетизм хромда, марганецта және кейбір сирек элементтерде (Ce, Nd, Sm, Tm және т.б.) кездеседі.

Ферримагнетиктерге магниттік қасиеттері компенсацияланбаған антиферромагнетизммен түсіндірілетін заттар жатады. Олардың магниттік өткізгіштігі жоғары және магниттік өрістің кернеулігі мен температураға қатты тәуелді болады.

Ферримагнетиктер қасиеттері кейбір реттелген металл құймаларында, әр түрлі оксидті қосылыстарда, ферриттарда болады.

Диа-, пара- және антиферромагнетиктерді әлсіз магнитті заттар тобына біріктіруге болады.  Ферро- және ферримагнетиктер күшті магнитті материалдарға жатады.

 

5.2 Материалдардың магниттік сипаттамалары

Магниттік өрістегі ферромагниттік материалды магниттенудің бастапқы қисығымен сипаттайды:

14 сурет - Магниттенудің бастапқы қисығы

 

Бұл қисық материалдағы магниттік индукцияның (В) магниттік өріс кернеулігіне (Н) тәуелділігін көрсетеді.

Магниттік материалдар қасиеттерін магниттік сипаттамаларымен бағалайды. Магниттік сипаттамалардың негізгілерін қарастырайық.

 

5.2.1 Абсолюттік магниттік өткізгіштік

Материалдың абсолюттік магниттік өткізгіштігі (m_а) берілген материал үшін магниттену қисығының белгілі нұктесінде магниттік индукцияның (В) магниттік өріс кернеулігіне қатынасы:

_а=В/Н       [Гн/м]

Материалдың салыстырмалы магниттік өткізгіштігі ()  абсолюттік магниттік өткізгіштіктің магниттік тұрақтыға қатынасымен сипатталады:

μ₀ – вакуумдағы магниттік өрісті сипаттайтын параметр (₀=1.256637·10^-6 Гн/м).

Абсолюттік магниттік өткізгіштік есептеулерде ғана қолданылады. Магниттік материалдардың қасиеттерін бағалауда таңдалған бірлік жүйесіне тәуелсіз магниттік өткізгіштік () қолданылады. Магниттік өткізгіштік магниттік өріс кернеулігіне тәуелді болады (15 сурет).

 

 

15 сурет -  Магниттік өткізгіштіктің магниттік өріс кернеулігіне тәуелділігі

 

Магниттік өткізгіштік бастапқыға  және максимальдыға  бөлінеді. Бастапқы магниттік өткізгіштікті магниттік өріс кернеуліктерінің нөлге жақын  мәндерінде өлшейді.

 және  үлкен мәндері берілген материалдың әлсіз және күшті магниттік өрістерде оңай магниттелетінін көрсетеді.

μ  мәні нөлге дейін төмендейтін температура (Т°)  Кюри температурасы деп аталады (Т_к).   Т > Т_к жағдайда магниттену процесі  материал молекулалары мен атомдарының қарқынды жылулық қозғалысына байланысты. Нәтижесінде материал ферромагниттік қасиеттерін жоғалтады.

Мысалы, таза темір үшін Т_к=768°C, никель үшін Т_к = 358°C,
кобальт үшін Т_к = 1131°C.

Болат үлгісін магнитсіздендіру үшін магниттік өріс кернеулігінің бағыты кері қарай өзгеруі қажет (–Н). Индукциясы нөлге тең болғандағы өріс кернеулігі коэрцитивтік күш (Н_с) деп аталады.  Н_с мәні неғұрлым жоғары болса, соғұрлым материалдың магнитсізденуге қабілеттілігі төмен болады. Магнитсізденгеннен кейін материалды кері бағытта магниттендірсе шекті гистерезис тұзағы деп аталатын оқшауланған тұзақ түзіледі.  Бұл оқшауланған тұзақ магниттік индукция қанығу индукциясына (В_s) теңескенде магниттік өріс кернеулігін +Н-тан  –Н-қа дейін бір қалыпты өзгерткенде түсіріледі.

 

 

5.3 Магниттік материалдардың жіктелуі

Магниттік өрістегі жүрісіне қарай барлық магниттік материалдар 2 негізгі топқа бөлінеді – магнитті-жұмсақ (МЖМ) және магнитті-қатты (МҚМ). МЖМ бастапқы және максимальды магниттік өткізгіштіктің үлкен мәндерімен  және коэрцитивтік күштің кіші мәндерімен (<4000 А/м). сипатталады. Олар оңай магниттенеді және магнитсізденеді, гистерезиске аз шығындармен ерекшеленеді.

МЖМ неғұрлым таза болса, соғұрлым оның магниттік сипаттамалары жоғары болады.

 МҚМ коэрцитивтік күші (>4000А/м) және қалдық индукциясы (> 0.1 Тл) үлкен мән болады. Олардың магниттенуі өте қиын жүреді, бірақ магниттік энергиясы ұзақ уақыт сақталады, яғни тұрақты магниттік өрістің көздері болады.

Магниттік материалдардың барлығы құрамы бойынша былай бөлінеді:

1.                металдық;

2.                бейметалдық;

3.                магнитодиэлектриктер.

Металдық магниттік материалдар - таза металдар (темір, кобальт, никель) және кейбір металдардың магниттік құймалары.

Бейметалдық магниттік материалдар – ферриттер. Олар темір оксиді мен басқа металдар оксидтерінің ұнтақ тәрізді қоспасынан алынады. Пресстелген феррит бұйымдарын жасытады да нәтижесінде қатты монолитті детальдар түзіледі.

Магнитодиэлектриктер -  60-80%-ға ұнтақ тәрізді магнитті материалдан және 40-20% -ға диэлектриктен тұратын композициялық материалдар болып табылады.

Ферриттер мен магнитодиэлектриктер металдық магниттік материалдардан үлкен ρ мәндерімен ерекшеленеді (10²-10⁸ Ом·м), бұл құйын тәрізді токтарға шығындарды азайтады. Осы себептен ферриттер мен магнитодиэлектриктер жоғары жиілік техникада қолданылады. Мұнымен қатар, ферриттердің магниттік параметрлері жиіліктердің кең диапазонында тұрақты болады.

Радиоэлектрондық аппаратурада қолданылатын негізгі магнитті-жұмсақ материалдарға карбонильды темір, пермаллои, альсиферлар және төменгі көміртекті кремнийді болаттар жатады.

  

Әдебиеттер тізімі

 

1.                Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты,  ч.1. - Радиотехнические материалы. - Б.М., 1997г.

2.                Демаков Ю.П., Радиоматериалы и радиокомпоненты, ч.2. - Компоненты электронных схем. Характеристики. Применение, расчет. - Б.М., 1997 г.

3.                Тихомиров Н.Н. Радиоматериалы и радиокомпоненты. Учебное пособие.  - М.,  1999 г.

4.                Голев И.М. Радиоматериалы. Учебное пособие. - Воронеж,  1994г.

5.                Хандогин М.С. Учебное пособие по курсу "Радиоматериалы, радиокомпоненты и основы микроэлектроники". - Минск: МРТИ, 1991 г.

6.                Свитенко В.Н. Элементы и компоненты РЭУ. Радиоматериалы.: Учебное пособие для специальности "Радиотехника". – Киев, 1990 г.

7.                Конструкционные и электротехнические материалы под редакцией В.А.Филипова. - М.: Высшая школа, 1990 г.

8.                Никулин Н.В. Электроматериаловедение. - М.: Высшая школа, 1989 г.

9.                Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники.- М.: Высшая школа, 1986 г.

10.            Богородицкий Ш.П. и др. Электротехнические материалы.

- Ленинград: Энергоатомиздат, 1985 г.

11.            Калинин Н.Н. и др. Электроматериалы.- М.:Высшая школа, 1981г.

12.            Угай Я.А. Введение в химию проводников.- М.: Высшая школа, 1975 г.

13.            Казрновский Д.И., Мианов С.А. Радиотехнические материалы.

-М.: Высшая школа, 1972 г.

14. Электроматериалы. Под редакцией Тареева Б.М. Учебное пособие для студентов. - М.: Высшая школа, 1978 г.  

 

Мазмұны

Кіріспе    …………………………………………………………………….…… 3

1. 1 дәріс. Металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктердің ерекше қасиеттері  .....…4

2.  2 дәріс Диэлектриктер    …..............................……………………………....11

3.  3 дәріс. Өткізгіштер ........…………………………………………….............15

4.  4 дәріс. Жартылай өткізгіштер .......................................................................21

5.  5 дәріс. Магниттік материалдар............................................……………......27

    Әдебиеттер тізімі  ...................…………………………………………..........32

 

2011ж. негізгі жоспары, реті  302