[3] Проводниковые Материалы (Материалы с сайта Арсеньева)
Описание файла
Документ из архива "Материалы с сайта Арсеньева", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "материалы и элементы электронной техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "[3] Проводниковые Материалы"
Текст из документа "[3] Проводниковые Материалы"
3. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. Определение и классификация
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые тела, жидкости, а при определенных условиях и газы. Важнейшими, с точки зрения практического применения, в радиоэлектронике являются твердые проводниковые материалы, а именно металлы и их сплавы.
К жидким проводниковым материалам относятся расплавленные металлы и различные электролиты, представляющие собой растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение электрического тока в электролитах осуществляется упорядоченным перемещением ионов и сопровождается выделением на электродах составных частей растворенных веществ, т. е. электролизом. Проводники, в которых прохождение электрического тока сопровождается электролизом, называются проводниками второго рода.
Газообразные материалы, в том числе и пары металлов, при малых значениях напряженности электрического поля обладают высоким удельным электрическим сопротивлением ρ (около 1018 Ом*м) и относятся к диэлектрическим материалам. Однако в электромагнитных полях с напряженностью, достаточной для развития процессов ударной и фотоионизации, происходит значительное увеличение их электропроводности.
При этих условиях газ может стать проводником, характеризующимся как электронным, так и ионным механизмами электропроводности.
3.2. Основные параметры проводниковых материалов. Зависимость от состава проводника и внешних факторов
К основным показателям свойств проводниковых материалов независимо от их применения относятся: 1 — удельное электрическое сопротивление; 2 — температурный коэффициент удельного сопротивления; 3 — удельная теплопроводность; 4 — контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС); 5—работа выхода; 6 — предел прочности на растяжение σр и относительное удлинение при разрыве и т.д.
а) Удельное электрическое сопротивление проводниковых материалов
Под удельным электрическим сопротивлением понимают сопротивление куба с ребром в 1 м, вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба. Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ — Ом*м. Кроме единицы системы СИ — Ом*м на практике часто используют внесистемную единицу Ок*мм2/м или равную ей по размеру—мкОм*м. Связь между ними выражается в виде
1 Ом*м = 106 мкОм*м = 106 Ом*мм2/м.
Диапазон значений удельных сопротивлений металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,016 мкОм*м для серебра и примерно до 10 мкОм*м для некоторых сплавов, т. е. занимает всего три порядка.
По величине удельного сопротивления проводниковые материалы делятся на материалы высокой проводимости с удельным электрическим сопротивлением ρ, при нормальной температуре не более 0,1 мкОм*м и материалы высокого сопротивления с ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм*м.
Особую группу представляют сверхпроводниковые к крио-проводниковые материалы. К ним относятся материалы, обладающие при низких (криогенных) температурах исчезающе малым значением (близким к нулю для сверхпроводников) удельного электрического сопротивления.
Материалы высокой проводимости, а это прежде всего металлы, используют при производстве радиомонтажных проводов, токопроводящих жил кабелей, припоев, тонкопленочных контактных покрытий в микросхемах и т. п. К проводниковым материалам высокой проводимости, имеющим наибольшее практическое применение в радиоэлектронике, относятся медь и алюминий. Удельное электрическое сопротивление меди равно 0,0172 мкОм*м. Медь является дорогим и дефицитным материалом, и ее часто заменяют алюминием (р=0,028 мкОм*м).
Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении проволочных и тонкопленочных резисторов, электронагревательных элементов, реостатов и т. п. Основными представителями этой группы проводниковых материалов являются манганин и константан.
б) Зависимость удельного электрического сопротивления проводниковых материалов от температуры
Удельное электрическое сопротивление проводников растет с ростом температуры. Это вызвано тем, что с ростом температуры усиливаются колебания узлов кристаллической решетки и увеличивается вероятность рассеяния электронных волн на них, что приводит к уменьшению величин длины свободного пробега и подвижности электронов.
Вблизи абсолютного нуля рассеяние электронных волн на тепловых колебаниях решетки стремится к нулю, но рассеяние на дефектах решетки имеет конечное значение и обусловливает тем самым наличие остаточного сопротивления.
Согласно эмпирически установленному правилу Маттиссена, удельное сопротивление металлического проводника можно выразить формулой
ρ = ρо+рост (3.1)
где ро - составляющая удельного сопротивления, зависящая только от температуры; ρост – остаточная составляющая удельного сопротивления, которая не зависит от температуры и является количественной мерой степени структурного совершенства кристаллической решетки. Типичная кривая изменения удельного сопротивления металлического проводника в зависимости от температуры представлена на рис. 3.1. При низких (криогенных) температурах (в области 1) величина р практически не зависит от температуры и определяется, в основном, величиной остаточного сопротивления, которая тем меньше, чем чище и совершеннее металл. В проводниковых металлах высокой проводимости, имеющих при нормальной температуре удельное сопротивление не более
0,1 мкОм*м, содержание примесей ограничивается десятыми,
сотыми и даже тысячными долями процента. Для изготовления реостатов, резисторов, электронагревательных элементов применяются не металлы, а сплавы высокого сопротивления, обладающие повышенной величиной рост. Наибольшее значение рост имеют, как правило, сплавы, являющиеся твердыми растворами. У твердых металлов и сплавов, подверженных холодной протяжке и волочению, удельное сопротивление в результате искажения кристаллической решетки повышается. Мягкие отожженные металлы и сплавы восстанавливают искаженную при рекристаллизации структуру и их удельное сопротивление
уменьшается.
Рост удельного сопротивления с температурой в областях II и III связан с электрон-фононным взаимодействием, причем тепловые колебания кристаллической решетки при температурах меньше температуры Дебая ΘD качественно отличны от колебаний при Т> ΘD, чем и объясняются приведенные на рис. 3.1 зависимости. В области II при Т< ΘD изменение удельного сопротивления проводниковых материалов с температурой определяется изменением частотного спектра колебаний узлов кристаллической решетки, т.е. появлением все новых и новых частот тепловых колебаний решетки, максимальная из которых определяется температурой Дебая. На этом участке ρ ~Тn, где п изменяется от 5 до 1. В области III при T> ΘD изменение удельного электрического сопротивления происходит практически линейно и объясняется линейным возрастанием с температурой амплитуд колебаний узлов кристаллической решетки.
Для большинства металлов температура Дебая ΘD лежит в пределах от 100 до 500 К; для алюминия, например, она составляет 418 К.
В области IV наблюдается отступление зависимости удельного электрического сопротивления от линейной. Как правило, этот участок невелик и находится вблизи температуры плавления металла. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное сопротивление металлов изменяется скачкообразно. При плавлении металлов (область V) ρ обычно возрастает. Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма, галлий), значение удельного электрического сопротивления ρ при плавлении уменьшается.
В диапазоне температур, где зависимость ρ =f(Т) близка к линейной, допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости, и величина удельного электрического сопротивления может быть рассчитана по формуле
ρt = ρо[1+αср (t-t0)] (3.2)
(3.3)
(3.4)
В общем случае температурный коэффициент сопротивления материала представляет собой логарифмическую производную этого параметра по температуре:
Таким образом, температурный коэффициент сопротивления характеризует относительное сопротивление проводника при изменении температуры на один градус и имеет размерность, обратную температуре. Такой же физический смысл имеют и остальные температурные коэффициенты. Металлы имеют большой температурный коэффициент удельного сопротивления (например, для алюминия ТКр в диапазоне температур от 0 до 150 °С равен 4*10-3 К-1), у сплавов значение ТКр значительно меньше (10-4 – 10-6 К-1). Сплавы с ТКр =10-5 – 10-6 К-1 считают материалами с постоянным сопротивлением в широком диапазоне температур. К их числу относится, например, константан.
в) Электропроводность тонких металлических пленок
В микроэлектронике большое распространение получили также пленки проводников, использующихся для коммутации элементов схем. Для сравнительной оценки проводящих свойств металлических пленок, толщина которых d соизмерима с длиной свободного пробега электрона λ, используют параметр удельного поверхностного электрического сопротивления или сопротивление квадрата ρ□, Ом/□. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при протекании тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки:
ρ□= ρ□/4 (3.5)
где р - удельное (объемное) сопротивление пленки, а d — ее толщина. Удельное поверхностное сопротивление тонких пленок, как правило, больше удельного сопротивления этого же металла в толстых слоях и зависит от толщины пленки и способа ее получения.
Для тонких пленок (d/ λ <1) отношение проводимости γпл к проводимости массивного металла γ определяется соотношением
(3.6)
Для очень тонких пленок (d/ λ <<1) это выражение упрощается и имеет вид:
(3.7)
Приведенные соотношения используются для практических расчетов и получены в предположении того, что рассеяние электронов происходит в результате взаимодействия их друг с другом и с поверхностью пленки.
При выборе материалов для тонкопленочных элементов в микроэлектронике большое значение имеют величина и знак температурного коэффициента сопротивления ТКρ. ТКρ пленок, как правило, меньше, чем ТКρ массивных металлов, причем для очень тонких пленок он может быть отрицательным. Толщина слоя, при котором ТКρ меняет знак, зависит как от вида металла, так и от технологии получения пленки.
в) Сопротивление проводников на высоких частотах
Для проводника, помещенного в электромагнитное поле высокой частоты, характерно неравномерное распределение плотности тока по сечению проводника, причем величина плотности тока существенно отлична от нуля только в тонком слое вблизи поверхности. Это явление называется скин-эффектом или поверхностным эффектом.
Расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока уменьшается в е раз по сравнению с плотностью его на поверхности, называется эффективной глубиной проникновения переменного тока и обозначается Δ: