|
|
Материалы электронных средств. Контрольная работа По дисциплине Материалы электронных средств Группа Вариант 2 Проверил
Федеральное агентство связи
Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики
Межрегиональный центр переподготовки специалистов
Контрольная работа
По дисциплине: Материалы электронных средств
Выполнил:
Группа:
Вариант: 2
Проверил: ___________________
Новосибирск, 2019 г.
Задача № 3.1.1.
Пленочный резистор состоит из трех участков, имеющих различные сопротивления квадрата пленки R1=10 Ом; R2=20 Ом; R3=30 Ом. Определить сопротивление резистора.
Рисунок 1
Дано:
 Ом
 Ом
 Ом
Найти: R
Решение:
Пусть удельное сопротивление материалов пленок 
Тогда сопротивление пленки, имеющей форму параллелепипеда определяется выражением
Так как задано сопротивление квадрата, 
Для заданного пленочного резистора имеем
Тогда сопротивление пленок:
Аналогично
Представим пленки в виде эквивалентных сопротивлений на схеме:
Общее сопротивление последовательно соединенных  и 
Соответственно
 =
Ответ: R=60 Ом
Задача 1.6.
Определить температуру, до которой нагреется алюминиевый провод сечением 15 мм2, длиной 1000 м, если по нему течет ток 40А и падает напряжение 225 В.
Решение.
Зная ток и падение напряжения, получим сопротивление проводника. Зная длину и сечение, от сопротивления проводника перейдём к удельному сопротивлению металла. Которое зависит от температуры. Принимая зависимость линейной, и зная удельное сопротивление при 20С и температурный коэффициент сопротивления, получим температуру.
Для решения этой задачи потребуются следующие законы и формулы:
1 - Ома -  .
2 - зависимость сопротивления от длины, сечения и материала проводника -  .
3 - зависимость сопротивления от изменения температуры -  .
Температура которая нас интересует может быть найдена как  +  .
температура при которой измеряется начальное значение ро -  (наведена в таблице).
При температуре 20 градусов Цельсия = 4,3 *  1/ .
Далее.
Из (1) находим R. R = U/I. R = 5 Ом.
Из (2) находим  . =  . Переводить в десятичный дробь пока не будем, так как получится бесконечный дробь. Хотя если большая точность не нужна, можно его округлить и посчитать.
(3) же перепишем так, чтобы выразить дельта т. -  .
Отсюда  390,4 гр. Цельсия. А температура алюминия 390,4 + 20 = 410. 4 градусов.
Задача № 3.2.1
Вычиcлить собственную концентрацию носителей заряда в кремнии при
Т=300 К, если ширина его запрещенной зоны ΔW=1,12 эВ, а эффективные
массы плотности соcтояний mc=1,05m0, mv=0,56m0.
Решение.
Концентрация собственных носителей заряда рассчитывается по формуле:
где Nc– эффективная плотность состояний в зоне проводимости,
Nv– эффективная плотность состояний в валентной зоне.
Рассчитаем эффективные плотности: Nc=2,69·1019 см-3, Nv=1,05·1019 см-3.
Подставим эти значения в формулу концентрации собственных носителей заряда.
Ответ: ni=6.45·109см-3,Nc=2,69·1019 см-3, Nv=1,05·1019 см-3.
Задача № 3.2.8
Определить, как изменится концентрация электронов в арсениде галлия, легированном цинком до концентрации NZn=1022м-3, при повышении температуры от 300 К до 500 К. Полагать, что при 300 К все атомы цинка полностью ионизированы.
Решение:
Концентрация электронов в донорном полупроводнике
Так как считаем, что все атомы донора ионизированы
Концентрация электронов, за счет собственных носителей арсенида галлия определяется выражением
Где ширина запрещенной зоны арсенида галлия  , NC и NV – эффективные плотности состояний электронов и дырок в зонах проводимости и валентной зоне соответственно:
 эффективная масса электронов в зоне проводимости полупроводника,  эффективная масса дырок в валентной зоне полупроводника,  - постоянная Планка,  - постоянная Больцмана.
Тогда отношение концентраций для разных температур:
Для арсенида галлия  , ,  - масса электрона.
Ответ: 
Задача № 3.3.1
В чем различие между ионной и ионно-релаксационной поляризацией? Что характеризует время релаксации и от каких факторов оно зависит?
Ответ:
Ионная поляризация характерна для тел с ионным строением и обусловлена
смещением упруго связанных ионов на расстояния, меньше периода решетки. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах и в некоторых кристаллических веществах. В этом случае слабосвязанные ионы веществ под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.
Время релаксации–это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения, т. е. система из не равновесного состояния приближается к равновесному. Время релаксации сильно зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопротивления повороту диполей в вязкой среде, тем меньше время релаксации.
Задача № 3.3.9
Почему диэлектрические свойства газа не характеризуют значением удельного электрического сопротивления?
Ответ:
Наличие у материала удельного сопротивления подразумевает его постоянное значения, и следовательно, линейную зависимость падения напряжения на нем от протекающего тока. В газах носителями электрического тока являются ионы и электроны, которые появляются только в результате ионизации. Однако количество диссациированных молекул зависит от величины приложенного напряжения, поэтому проводимость и удельное сопротивление так же зависит от приложенного напряжения. Таким образом изоляционные свойства газов не характеризуются удельным сопротивлением.
Задача № 3.3.15
Чем отличается пробой газа в однородном и неоднородном электрических полях? Каким образом в газе можно создать однородное поле? Почему при увеличении расстояния между электродами пробивное напряжение газа в однородном поле возрастает?
Пробой газа в неоднородном электрическом поле отличается от пробоя в однородном поле. Неоднородное поле образуется между остриём и плоскостью, коаксиальными цилиндрами, между сферическими поверхностями, если расстояние между ними больше радиуса сферы.
Пробой газа в неоднородном электрическом поле происходит при меньшем напряжении по сравнению с пробоем того же слоя газа в однородном электрическом поле. Вначале наступает неполное электрическое разрушение слоя газа у электрода с меньшим радиусом, так как у его поверхности наблюдаются наибольшие напряженности электрического поля. При повышении напряжения возникает разряд в виде короны. При дальнейшем повышении напряжения корона переходит в искровой разряд, а при достаточной мощности источника – в дуговой.
Однородное поле реализуется между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами, если расстояние между ними не более их диаметра.
В однородном электрическом поле при T=const пробой газообразного диэлектрика выражается следующей формулой:
Uпр=Aph
где Uпр = пробивное напряжение слоя газа, В;
р – давление газа
h – расстояние между электродами, м;
А – коэффициент.
Из формулы видно, что при увеличении расстояния между электродами прямо пропорционально возрастает и пробивное напряжение.
Рис.1 Зависимость пробивного напряжения газа от расстояния между электродами при постоянном давлении
 создаются наиболее благоприятные условия для развития ударной ионизации. Это, повидимому, связано с тем, что расстояние между электродами оказывается соизмеримым с длиной свободного пробега электронов. В этом случае электроны, двигаясь в электрическом поле и, достигнув электрода, меняют свое направление движения одновременно при изменении полярности приложенного напряжения. За счет этого они быстрее накапливают энергию, необходимую для развития ударной ионизации.
При дальнейшем уменьшении расстояния между электродами до значений  см условия развития ударной ионизации практически не меняются, и пробивное напряжение также остается практически постоянным. При расстояниях между электродами меньших, чем  см пробивное напряжение вновь начинает падать. Это связано с тем, что при столь малых расстояниях пробой газа уже обусловлен не ударной ионизацией, а другими процессами, связанными, например, с вырыванием электронов из катода возросшими силами электрического поля.
Задача № 3.3.23
В каких материалах и в каких условиях проявляются нелинейные оптические эффекты? Приведите примеры практического использования нелинейности оптических свойств кристаллических диэлектриков.
Ответ:
Нелинейные оптические эффекты - это нелинейные отклики на мощное оптическое излучение. К ним относятся эффект Рамана и эффект Бриллюэна. Эффектом Рамана называют рассеяние монохроматического излучения (излучения одной длины волны) в веществе, при котором в спектре рассеянного света появляются новые, характерные для данного вещества линии, отличающиеся от спектральной линии источника. Эффект Бриллюэна - это рассеяние, возникающее в результате взаимодействия акустического фонона с оптическим излучением со смещением линий на частоту фонона. Вынужденный эффект Бриллюэна возникает под действием сильно интенсивных световых пучков возбуждающего света.
В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений, важнейшими из которых следует считать:
1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью;
2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;
3) использование сегнетоэлементов в счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти;
4) использование кристаллов сегнето- и антисегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения;
5) изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.
В материале Т-900 кристаллическая фаза представляет собой твердый раствор титанатов стронция (SrTiO3) и висмута (Bi4Ti3O12).
Материал СМ-1 изготавливают на основе титаната бария с добавкой окислов циркония и висмута. Его применяют для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения.
Материал Т-8000 имеет кристаллическую фазу, представляющую собой твердый раствор ВаТiO3 - ВаZr03. Точка Кюри этого материала находится в области комнатной температуры, поэтому вблизи нее диэлектрическая проницаемость имеет максимальное значение. Данный материал используют для изготовления конденсаторов, работающих при комнатной температуре (в нешироком интервале температур), в том числе и высоковольтных.
Распространены и другие сегнетокерамические материалы для конденсаторов, отличающиеся большей диэлектрической проницаемостью и более сглаженной зависимостью ее от температуры.
Материалы для варикондов имеют резко выраженные нелинейные свойства; применяются для изготовления нелинейных конденсаторов - варикондов.
Одна из основных характеристик варикондов - коэффициент нелинейности К, определяемый как отношение максимального значения диэлектрической проницаемости при некоторой, максимальной для данного материала, напряженности электрического поля к начальному значению диэлектрической проницаемости. Численное значение коэффициента нелинейности для различных марок варикондов может изменяться от 4 до 50 (в переменном поле). Основной кристаллической фазой в таких материалах являются твердые растворы системы Ba(Ti,Sn)03 или Pb(Ti, Zr, Sn)03.
Вариконды предназначены для управления параметрами электрических цепей за счет изменения их емкости при воздействии как постоянного или переменного напряжения, так и нескольких напряжений, приложенных одновременно и различающихся по значению и частоте. В простейшем случае им приходится работать при одновременном воздействии переменного (синусоидального) и постоянного электрических полей, причем Е_>> E. Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой разнообразных радиотехнических устройств - параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения, управляемых фильтров и др.
В качестве примера использования варикондов приведем принципиальную схему диэлектрического усилителя, основанного на изменении емкости нелинейного конденсатора Свар под влиянием поля входного сигнала Uвх, обусловливающем изменение тока в нагрузке Iн.
Сегнетоэлектрики с ППГ. В адресных регистрах вычислительных машин многократно используются переключатели, с помощью которых производится выбор требуемой ячейки памяти. При разработке вычислительных машин предпринимаются меры для уменьшения времени срабатывания этих переключателей число необходимых селекторов.
Сегнетоэлектрики с хорошей прямоугольной петлей гистерезиса можно использовать в качестве элементов запоминающих устройств вычислительных машинах с возможной матричной селекцией. Для этих целей необходим материал с возможно более прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), что характерно для монокристаллов (например, триглицинсульфата). В отсутствие внешнего поля сегнетоэлектрик с ППГ имеет два устойчивых состояния, соответствующих различным направлениям остаточной электрической индукции. Одно из этих состояний в запоминающей ячейке означает хранение единицы, а другое - хранение нуля. Подавая внешнее напряжение различной полярности, сегнетоэлектрик можно переводить из одного состояния в другое. На этом основаны запись, считывание и стирание информации. Считывание информации можно осуществить без её разрушения, например, оптическим методом или измерением сопротивления тонкой полупроводниковой пленки, нанесенной на поверхности сегнетоэлектрика.
Пьезоэлектрические и пироэлектрические преобразователи. Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического материала находит сегнетоэлектрическая керамика. Полярную сегнетокерамику, предназначенную для использования в пьезоэлектрических преобразователях, называют пьезокерамикой.
Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3 - PbTiO3 (ЦТС). Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов. Такие ультразвуковые генераторы применяются также в химической промышленности для ускорения различных процессов и в полупроводниковой технологии для эффективной промывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны. Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители, слуховые аппараты, детонаторы, различные устройства поджига в газовых системах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций. Двойное преобразование энергии положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов.
Задача № 3.4.1
Почему диамагнетики намагничиваются противоположно направлению вектора напряженности внешнего магнитного поля? Как влияет температура на диамагнитную восприимчивость?
Ответ: К диамагнетикам относятся такие вещества, у которых магнитный момент атома или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля равен нулю:
При внесении диамагнетика в магнитное поле в электронных оболочках его атомов, в силу явления электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи. Созданный этими токами индуцированный магнитный момент, в соответствии с правилом Ленца, направлен противоположно внешнему полю. Соответственно, противоположно полю будет направлен и вектор намагниченности диамагнетика. Следовательно, магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна  . По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость  мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры, т.е. температура не влияет на диамагнитную восприимчивость.
(правило Ленца: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.)
Задача № 3.4.7
Какими причинами обусловлен различный характер температурных зависимостей магнитной проницаемости магнитомягкого материала, измеряемой в слабом и сильном магнитных полях?
Для технического применения наиболее широко используются ферро-и ферримагнетики.Оба класса материалов характеризуются кристаллическим строением и доменной структурой в определённом интервале температур:
- нелинейной зависимостью магнитной проницаемости μ от напряжённости внешнего поля Н и температуры Т;
- способностью намагничиваться до насыщения,
- гистерезисом
- температурой Кюри или Нееля, выше которой разрушается атомный магнитный порядок и теряются магнитные свойства.
Магнитные материалы принято разделять на магнитомягкие, магнитотвёрдые и материалы специального назначения.
Для магнитомягких материалов характерна способность намагничиваться до насыщения даже вслабых полях и малые потери на перемагничивание. Это свидетельствуето высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силе.
Именно значение ( величина) коэрцитивной силы является классификационным признаком деления магнетиков на первые две группы.
Принято считать, что магнитомягкие материалы имеют 0,4 [А/м] <Нс< 800 [А/м],амагнитотвёрдые-Нс>4 [кА/м]. Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с малой Нс,амагнитотвёрдые- широкую петлю с большой Нс.
Следует подчеркнуть, что границы рассматриваемых групп материалов в значительной степени условны.Кроме того,термины «магнитомягкий»и«магнитотвёрдый»не относятся к характеристике механических свойств материала.
К магнитомягким материалам, используемым в технике, относятся:
−технически чистое железо,которое содержит ограниченное количество примесей и прежде всего углерода(менее0,05%), благодаря чему часто употребляют термин «низкоуглеродистая
сталь»;
−электролитическое и карбонильное железо-разновидности технически чистого железа;
−кремнистая(электротехническая) сталь,представляющая собой твёрдый раствор кремния Si в железе Fe; введение Si повышает удельное сопротивление ρv и , следовательно, снижает потери, увеличивает μ и снижает Нс ;содержание Si обычно не превышает 5%;
−пермаллои – это низкокоэрцитивные сплавы железа с никелем (Fe-Ni) или железа с никелем и кобальтом ( Fe-Ni-Co) с различными легирующими добавками (Мо,Сrит.д.);
−альсиферы – тройные сплавыAl-Si-Fe, применяемые восновном в качестве магнетика в магнитодиэлектриках;
−ферриты (оксиферы) –представляющие собой систему оксидов железа и двух- (Mn, Zn) или одновалентных ( Li ) металлов,среди которых наибольшее распространение получили низкочастотные до 1 МГц марганеццинковые (MnO⋅Zn⋅Fe2O3),высокочастотные до 100 МГц никельцинковые (NiO ⋅Zn⋅Fe2O3)и высокочастотные до 1000 МГцлитийцинковые ( Li2О⋅Zn⋅Fе2О3) ферриты;
−магнитодиэлектрики получаемые прессованием измельчённого магнетика с изолирующей его частицы органической или неорганической связкой, которая повышает удельное сопротивление и снижает потери на вихревые токи.
Магнитомягкие материалы должны удовлетворять следующим требованиям:
−легконамагничиватьсяиразмагничиватьсяприминимальныхпотерях,т.е. иметь узкую петлю гистерезиса и , соответственно, малую Нси большие значения μнач, μmax; поэтим параметрам лучшими являются пермаллои;
−иметь большие значения индукци и насыщения BS≡Bmax,что обеспечивает прохождение максимального магнитного потока через единичное сечение магнитопровода, уменьшает габариты и вес изделия; наибольшим значением B, обладают сплавы Fe и Со ,технически чистое железо и электротехнические стали;
−обеспечивать малые потери при работе в переменных полях, в том числе на высоких частотах, что снижает температуру нагрева изделия, габариты и
вес, повышает КПД и рабочую индукцию ; по этим требованиям лучшими являются ферриты и магнитодиэлектрики;
−удовлетворять дополнительным требованиям, которые связаны с механическими свойствами, возможностью автоматизации процесса изготовления изделия и снижением его стоимости, стабильностью параметров во времени и при различных температурах.
Процесс намагничивания и количественные параметры магнитных свойств веществ
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов по направлениям расположены хаотически, взаимно компенсируются , и результирующее внутреннее магнитное поле равно нулю. При помещении магнетика во внешнее магнитное поле происходит его намагничивание , т.е. магнитные моменты доменов ориентируются по направлению внешнего поля.
Рассматривают два механизма ориентации магнитных моментов:
- смещение стенок доменов и увеличение их объёма;
- вращение магнитных моментов из направления лёгкого намагничивания в более трудное, параллельное направлению внешнего поля.
В результате этих механизмов намагничивания наступает техническое насыщение, при котором все магнитные моменты образца ориентированы по направлению внешнего магнитного поля. При этом наступает техническое насыщение.
Процессы смещения границ доменов требуют меньших затрат энергии, чем процессы вращения. Считается, что в магнитомягких материалах на магничивание происходит в основном за счёт смещения границ доменов, а в магнитотвёрдых- за счёт вращения магнитных моментов доменов или вектора намагниченности.
В реальных магнетиках оба процесса, в неравной степени, происходят одновременно и характеризуются зависимостью магнитной индукции В от напряжённости внешнего поля Н, которую принято называть основной или первоначальной кривой намагничивания. По этой кривой (рис. 3.1.) удобно анализировать процесс намагничивания магнетика.
В слабых внешних полях ( участок I) происходит ориентация магнитных моментов доменов, имеющих наименьший угол отклонения от направления внешнего поля. При этом увеличивается объём таких доменов за счёт смещения границ и уменьшения объёмов доменов, достаточно сильно отличающихся по направлению магнитных моментов от направления поля. Данный процесс является практически обратимым, т.е. после снятия внешнего поля доменная структура возвращается в исходное состояние.
На участке II происходит необратимое смещение границ доменов. При этом векторы магнитных моментов доменов поворачиваются на 90°и180°,что соответствует крутому ходу кривой намагничивания.
При снятии внешнего поля домены будут стремиться к исходному состоянию, что и происходит, если отклонение векторов магнитных моментов доменов было небольшим. При достаточно больших отклонениях границы доменов и их магнитные моменты могут не вернуться в исходное состояние.Это новое состояние определяет остаточную намагниченность вещества и характеризуется остаточной магнитной индукцией Вr.
В области сильных внешних полей (участок III) происходит вращение векторов магнитных моментов доменов из направления лёгкого в направление трудного намагничивания. При этом все магнитные моменты ориентированы вдоль поля, наступает магнитное насыщение и магнитная индукция достигает значения Вmax.
Если от точки с координатами Нmaxи Вmax постепенно снять внешнее поле до Н=О,то индукция будет равна остаточной индукции Вr. Таким образом, остаточная индукция Вr-это индукция при напряжённости внешнего поля ,равной нулю.
Для получения в магнетике В=О, т.е. для его полного размагничивания, необходимо приложить поле обратного направления, величина напряжённости которого будет равна коэрцитивной силе Нс.Таким образом, коэрцитивная сила – это напряжённость внешнего поля,при которой магнитная индукция В равна нулю.
Количественно зависимость магнитной индукции В от напряжённости поля Н определяется соотношением
где - μ0-магнитнаяпостоянная, равная4π⋅10^-7Гн/м,μ- относительная магнитная проницаемость вещества или просто магнитная проницаемость, характеризующая способность вещества к намагничиванию,которая определяется из(1) как
Численное значение магнитной проницаемости определяется по основной кривой намагничивания как тангенс угла наклона секущей ОА к оси абсцисс,т.е.
Различают начальную μнач и максимальную μmax магнитные проницаемости.
Ониопределяютсясоотношениями:
т.е. начальная магнитная проницаемость есть магнитная проницаемость вещества при напряжённости поля , стремящейся к нулю,
Характерной особенностью магнетиков является нелинейная зависимость магнитной проницаемости μ от напряжённости внешнего поля Н (рис. 3.2, а) и температуры T (рис. 3.2,б).
Из кривой (рис. 3.2,а)следует, что с увеличением H увеличивается степень ориентации магнитных моментов доменов, за счёт чего растёт μ. При полной ориентации магнитных моментов доменов вдоль поля магнитная проницаемость достигает максимального значения μмах, что соответствует состоянию технического насыщения. При этом магнитная индукция также максимальна-Вmax. С дальнейшим ростом Н магнитная индукция уже не растёт, следовательно, магнитная проницаемость уменьшается, что следует из формулы (2).
При изменении температуры изменяется магнитный порядок атомов вещества. Увеличение температуры вначале облегчает ориентацию магнитных моментов доменов, поэтому растёт магнитная проницаемость. При повышенных и высоких температурах за счёт тепловых колебаний атомов нарушается магнитный порядок. В результате магнитная проницаемость уменьшается, и при температуре, называемой точкой Кюри у ферромагнетиков и точкой Нееля у анти- и ферримагнетиков, магнитная проницаемость становится равной нулю. Это означает, что полностью разрушился атомный магнитный порядок и вещество перестаёт обладать магнитными свойствами вещество вещество перестаёт обладать магнитными свойствами перестаёт, обладать магнитными. свойствами, т.е. превращается в парамагнетик. |
|
|
Скачать 216.58 Kb.