Мэт метода. В. И. Ульянова (Ленина) материалы электронной техники лабораторный практикум
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Лабораторный практикум Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2017 УДК 621.382.(07) ББК З я М Авторы Б. Л. Антипов, Г. Н. Виолина, Л. Н. Гарькин, А. А. Кальнин, Н. П. Лазарева, АИ. Максимов, Л. А. Марасина, В. П. Мирошкин, С. А. Тарасов. М Материалы электронной техники лабораторный практикум / под ред. А. В. Соломонова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 84 с. ISBN 978-5-7629-2079-7 Приводится описание лабораторно-практических работ, выполнив которые, студенты получат представление о свойствах различных электротехнических материалов, методиках исследования их характеристики расчета параметров. В каждой лабораторной работе рассматриваются основные физические закономерности, определяющие свойства материалов электронной техники. Практикум предназначен для проведения лабораторных работ по дисциплине Материалы электронной техники, входящей в образовательные программы подготовки бакалавров по направлениям 11.03.04 Электроника и наноэлектроника», 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника, а также для подготовки бакалавров по направлениям 13.03.02, 27.03.04, изучающих дисциплины Электротехническое и конструкционное материаловедение и Материаловедение. УДК 621.382.(07) ББК З я Рецензенты кафедра нано- и микроэлектроники ФГБОУ ВО Пензенский государственный университет др физмат. наук, проф. Н. Т. Сударь (Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого. Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия ISBN 978-5-7629-2079-7 СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017 3 ВВЕДЕНИЕ Лабораторный практикум Материалы электронной техники имеет целью изучение физических закономерностей, определяющих свойства электротехнических материалов в различных условиях их эксплуатации во взаимосвязи с конкретными применениями в компонентах и устройствах электротехнического назначения, овладение навыками проведения экспериментальных исследований, обработки и анализа результатов эксперимента при изучении электрофизических свойств материалов. В результате выполнения лабораторных работ студенты знакомятся с физической сущностью явлений и процессов, происходящих в материалах при взаимодействии с электрическими магнитным полем при различных условиях внешней среды, а также основными параметрами и характеристиками пассивных и активных электротехнических материалов. Лабораторный практикум призван способствовать более глубокому усвоению лекционного материала и акцентировать внимание студентов на наиболее важных свойствах материалов твердотельной электроники, определяющих их применимость при создании пассивных и активных элементов электронной техники. При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с основными материалами современной электроники, которые широко используются при создании пассивных и активных электронных компонентов. Исследуя физические процессы и явления, протекающие в проводниковых, диэлектрических, полупроводниковых и магнитных материалах при различных управляющих внешних воздействиях в зависимости от условий окружающей среды, они получают представление о параметрах и характеристиках электротехнических материалов, определяющих области их применения. Для анализа экспериментальных результатов, полученных при выполнении лабораторных работ, студенты должны пользоваться лекционным материалом, справочниками, учебной литературой, список которой помещен в конце пособия. Авторы 4 ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1. Лабораторные работы студенты выполняют в составе бригад по 2–3 человека с соблюдением правил по технике безопасности. Каждый член бригады оформляет протокол исследования, который проверяет и подписывает преподаватель. Протокол исследования является документом, подтверждающим выполнение лабораторной работы, и включается в отчет по лабораторной работе. 2. После выполнения работы каждый студент представляет индивидуальный отчет, выполненный в соответствии с требованиями к оформлению учебных документов. Отчет должен содержать цель работы описание исследуемых материалов описание установки для исследований формулы, по которым производились расчеты, и примеры расчетов результаты исследований в виде таблиц и графиков аналитические выводы, в которых следует оценить соответствие полученных экспериментальных результатов и расчетов с теоретическими и литературными данными, дать физическое объяснение полученных характеристики зависимостей. 3. Студент допускается к следующей по графику работе только при наличии отчета по предыдущей. Преподаватель проверяет отчет и подписывает его к защите. Отчеты, имеющие замечания преподавателя, после исправления должны быть представлены к следующему занятию. 4. Студенты, пропустившие лабораторную работу по уважительной причине, допускаются к отработке преподавателем, ведущим занятия в данной группе, в течение семестра при наличии разрешения из деканата. 5. Студенты, пропустившие лабораторные занятия без уважительной причины, допускаются к отработке только в сроки, определяемые приказом ректора об экзаменационной сессии. 6. Защита подписанных преподавателем отчетов по лабораторным работам проводится на коллоквиумах, предусмотренных графиком занятий. После защиты всех работ студент получает допуск к экзамену по дисциплине. 5 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Цели работы измерение сопротивлений объемных и тонкопленочных резисторов исследование зависимостей удельных электрических сопротивлений и их температурных коэффициентов от температуры и состава резистивных материалов, а также зависимостей термоЭДС термопар от разностей температур контактов. 1.1. Основные понятия и определения Проводники электрического тока – это материалы и среды с малым удельным электрическим сопротивлением, значения которого находятся в пределах 10 −5 …10 −8 Ом∙м, обладающие высокой удельной проводимостью, обусловленной наличием в них большой концентрации электрических зарядов, способных свободно перемещаться. Все металлы и сплавы на их основе в твердом и жидком состоянии и некоторые модификации углерода, механизм протекания электрического тока в которых обусловлен движением свободных электронов, относятся к проводникам электрического тока с электронной электропроводностью или проводникам первого рода. Электролиты и расплавы ионных соединений относятся к проводникам с ионной электропроводностью, или проводникам второго рода. Ионизированный газ в состоянии плазмы тоже является проводящей средой, в которой объемные плотности положительно и отрицательно заряженных частиц практически одинаковы. Высокая проводимость проводников позволяет использовать их для передачи электрической энергии, возбуждения электромагнитных полей, создания электрических межсоединений, контактирования и др. К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов относят удельное сопротивление ρ и температурный коэффициент удельного сопротивления Наилучшими проводниками электрического тока являются металлы, механизм протекания тока в которых заключается в коллективном движении свободных электронов под действием приложенного электрического поля. В процессе направленного движения электроны испытывают рассеяние на статических (атомы, вакансии, междоузельные атомы и т. д) и динамических (тепловые колебания ионов в узлах кристаллической решетки) дефектах структуры. Интенсивность рассеяния определяет среднюю длину свободного пробега электрона ив конечном счете, значение удельного сопротивления проводника, которое может быть выражено следующим образом 0 2 n e u m , где m – масса электрона u – средняя скорость теплового движения e – заряд электрона n 0 – концентрация свободных электронов λ – средняя длина свободного пробега. Электронный газ в металлах находится в вырожденном состоянии. Поэтому концентрация электронов и их средняя энергия практически не зависят от температуры, нос повышением температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, что приводит к более интенсивному рассеянию электронов в процессе их направленного движения. Соответственно уменьшается средняя длина свободного пробега и возрастает удельное сопротивление. Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин называют температурным коэффициентом удельного сопротивления 1 d dT В области линейной зависимости ρ(t) справедливо выражение 0 0 1 t t , где 0 и – удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления, отнесенные к температуре 0 t (начало отсчета в рассматриваемом температурном диапазоне. В технике широко применяются сплавы, имеющие структуру неупорядоченных твердых растворов. Все сплавы имеют повышенное удельное сопротивление в сравнении с компонентами, входящими в их состав. Полное удельное сопротивление сплава ост , где t – сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов решетки ост – сопротивление, связанное с рассеянием 7 электронов на статических дефектах кристаллической структуры сплава, остающихся в металле и при температуре абсолютного нуля. Для многих двухкомпонентных сплавов значение остаточного сопротивления от состава хорошо описывается параболической зависимостью ост А x Cx x , (1.1) где x A , x B – атомные доли компонентов в сплаве С – константа, определяемая природой сплава. Температурные коэффициенты удельного сопротивления сплавов всегда значительно меньше температурных коэффициентов чистых металлов, образующих сплав. В некоторых сплавах может быть даже отрицательным. В микроэлектронике широко применяются в качестве различных элементов схем тонкие металлические пленки, получаемые методами конденсации. В очень тонких слоях такие пленки могут иметь не сплошную, а остров- ковую структуру. Но электропроводность пленки возникает при некотором минимальном количестве осажденного металла 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. Механизмами, ответственными за перенос заряда, являются термоэлектронная эмиссия и туннелирование. Сопротивление пленки ост- ровковой структуры во многом определяется и поверхностным сопротивлением диэлектрической подложки. В процессе конденсации металла на подложке происходит слияние островков и образование сначала проводящих цепочек и каналов, а затем – сплошного однородного слоя. Но ив сплошной пленке удельное сопротивление больше, чем удельное сопротивление объемного проводника, что является следствием высокой концентрации дефектов – вакансий, дислокаций, границ зерен, образующихся при срастании островков. Вследствие поверхностного рассеяния электронов и повышенной степени дефектности структуры удельное сопротивление тонких металлических пленок существенно превосходит удельное сопротивление объемного материала. Для сравнительной оценки проводящих свойств пленок пользуются таким параметром, как удельное поверхностное сопротивление (сопротивление 8 квадрата поверхности) R □ = / d, где ρ – удельное сопротивление слоя толщиной Параметр R □ не зависит от размера квадрата. Подбором толщины пленки можно изменять R □ независимо от удельного сопротивления. При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от вида контактирующих металлов и температуры. Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, называют термопарой. При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникнет термоэлектрический ток. Если цепь разорвать в произвольном месте, тона концах разомкнутой цепи появится термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). В относительно небольшом температурном интервале термоэлектродви- жущая сила U пропорциональна разности температур контактов (спаев 2 1 U t t , где – удельная термоэлектродвижущая сила. ТермоЭДС в контуре складывается из трех составляющих. Первая обусловлена температурной зависимостью внутренней контактной разности потенциалов U i , которая, в свою очередь, связана с температурным изменением положения уровня Ферми. В металлах с увеличением температуры уровень Ферми хотя и слабо, но смещается вниз по энергетической шкале. Поэтому на более холодном конце проводника он должен располагаться несколько выше, чем на более нагретом. Следствием смещения уровня Фермии является возникновение контактной составляющей термоЭДС. Вторая составляющая термоЭДС, называемая объемной, обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Средняя кинетическая энергия электронов в металле также несколько изменяется с температурой. Отсюда следует, что электроны, сосредоточенные на более горячем конце, обладают несколько большей кинетической энергией и большей скоростью теплового движения по сравнению с носителями заряда холодного конца. Поэтому они в большем количестве диффундируют от горячего конца к холодному. Диффузионный поток, перенося заряд от горячего конца к холодному, создает между ними разность потенциалов. 9 Третья составляющая термоЭДС возникает в контуре вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии (фононами. Их поток также распространяется к холодному спаю (фононный ветер. Основной вклад в термоЭДС металлических термопар вносит первая причина, те. разность уровней Ферми. Для точного измерения температуры используются металлические термопары с наибольшим значением термоЭДС. Точность измерения температуры обычно составляет 0,1...1,0 C , а диапазон измеряемых температур зависит от материалов термопары. Явления возникновения контактной разности потенциалов и термоЭДС следует учитывать при создании измерительных приборов и образцовых сопротивлений, где эти явления нежелательны, и, значит, следует применять металлы и сплавы с возможно меньшими значениями термоЭДС, которая может внести погрешность при измерениях. 1.2. Описание установки Измерение сопротивления исследуемых проводников и термоЭДС термопар производится с помощью мультиметра, постоянно подключенного к испытательному стенду. Все исследуемые образцы расположены в корпусе стенда резисторы R 1 , R 2 , R 3 и один из спаев каждой из трех термопар помещены в общий термостат. Подключение образцов к измерительному прибору осуществляется нажатием соответствующей контактной кнопки на лицевой панели стенда. Маркировка кнопок соответствует маркировке образцов. При измерениях следует удерживать кнопку контакта к соответствующему образцу в утопленном положении. Геометрические размеры образцов указаны на лицевой панели. 1.3. Проведение испытаний 1.3.1. Определение удельного сопротивления различных проводников при комнатной температуре Включить измерительный прибор в сеть и прогреть его в течение 5 мин. Тумблер Установка температуры не включать. Мультиметр установить в режим измерения сопротивления, а переключатель пределов измерений в положение «200 Ом. 10 Последовательно измерить сопротивление пленочных (поз. 1...3) и проволочных (поз. 6...10) резисторов, производя переключение мультиметра на более высокий предел измерения сопротивления при перегрузке прибора. Таблица 1.1 Материал (1…3) R, Ом b, мм l, мм R □ Ом Таблица 1.2 Материал (6…10) R, Ом l, мм d, мм ρ, мкОм.м Результаты измерений и геометрические размеры резисторов занести в табл. 1.1 и табл. 1.2. 1.3.2. Определение температурных зависимостей сопротивления проводников и термоЭДС Измерить значения сопротивлений резисторов R 1 , R 2 , R 3 при комнатной температуре. Включить тумблер Установка температуры и установить регулятор температуры в положение «min». После стабилизации температуры в термостате произвести измерение сопротивлений резисторов R 1 , R 2 , R 3 . Притом же значении установившейся температуры, поставив переключатель мультиметра в режим измерения постоянного напряжения, измерить термоЭДС термопар медь–железо, медь– константан, медь–манганин. Аналогичным образом провести измерения сопротивлений резисторов R 1 , R 2 , R 3 и термоЭДС всех термопар при повышении температуры вплоть до 150 °C . При каждом измерении термоЭДС термопар регистрировать температуру холодного спая, находящегося вне термостата. Таблица 1.3 Никель Медь Константан t, °C Ом α ρ , КОм α ρ , КОм α ρ , К 11 Таблица 1.4 t гор, °C t хол , °C Δt, °C ΔU, мВ Медь–железо Медь– константан Медь– манганин Результаты измерения сопротивлений записать в табл, а значения термоЭДС занести в табл. После окончания измерений регулятор температуры поставить в крайнее левое положение. Выключить термостат нагрев. Обработка результатов 1. Поданным рассчитать удельное сопротивление металлических проводников, используя соотношение ρ = RS/l, где R – сопротивление образца S – площадь поперечного сечения l – длина проводника. Рассчитать сопротивление квадрата поверхности металлических пленок R □ = Rb/l, где R – сопротивление образца b и l – ширина и длина пленочного резистора соответственно. Результаты занести в табл и табл. 2. Поданным табл построить температурные зависимости сопротивления) для исследованных резисторов. 3. Рассчитать температурный коэффициент удельного сопротивления металлов и сплавов как α ρ |