Контрольная работа по "Материаловедение"

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ФГБОУ ВПО  «Уральский государственный экономический  университет» 

Центр дистанционного образования 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

по дисциплине: Материаловедение

Вариант 7 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Исполнитель: студент

Специальность:Управление качеством в производственно-технологических системах

     Группа  УК-11Кт

     Ф.И.О  Соловьев Н.В. 
 
 
 

Екатеринбург

2011

Задание 1.

     Дайте полную характеристику диэлектрикам: воздух, совтол, капрон по следующим параметрам:

     - по виду поляризации;

     - по виду диэлектрических потерь,

     - по виду электропроводимости,

     - по величине электрической прочности. 

     Приведите и объясните вид зависимости  диэлектрической проницаемости  от температуры и величины тока в  диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения.

     Определите  класс диэлектриков.

     Укажите величины механических и физико-химических свойств данных диэлектрических  материалов и их область применения. 

     Решение: 

Воздух – газообразный диэлектрик.

Вид поляризации - электронная

Вид электропроводимости - несамостоятельная

Вид электрических  потерь – на электропроводность

Величина электрической  прочности –3кВ/мм

Класс диэлектриков – неполярный диэлектрик

Механические  свойства:

Физико-химические свойства: e=1,00058,  Температура кипения – 79К, плотность – 1,3кг/м³, теплопроводность – 24мВт/(мК) , теплоемкость – 1,01кДж/(кгК)

     Область применения – основной диэлектрик внешней изоляции - не подвержен старению, т.е. независимо от воздействующих на изоляцию напряжений и режимов работы оборудования его средние характеристики остаются неизменными во времени. 

Совтол – синтетический жидкий диэлектрик. Хлорированный углеводород с несимметричным строением молекул.

Вид поляризации  – дипольно-релаксационная и электронная поляризация (e=3-6).

Величина электрической  прочности –18-20МВ/м 

По виду диэлектрических потерь – релаксационные потери

Класс диэлектриков - полярный диэлектрик.

Область применения – заменитель трансформаторного масла.

Физико-химические свойства: e=5.

     Область применения – для изоляции взрывобезопасных трансформаторов 

Капрон – твердый диэлектрик, полиамидное волокно.

Вид поляризации - дипольно-релаксационная и электронная поляризация

По виду диэлектрических  потерь – потери на электропроводность, релаксационные потери

Класс диэлектриков – полярный диэлектрик

Механические  свойства:

Физико-химические свойства: e=4,3, плотность – 1,15-1,16Мг/м³, теплопроводность – 0,3-0,24Вт/(мК)

Область применения – обмотка проводов (изоляция) 
 
 

     Зависимость диэлектрической  проницаемости от температуры

     Для сравнения на рис. 1 показана зависимость  диэлектрической проницаемости от температуры.   

       

Рис. 1. Зависимость  диэлектрической проницаемости  ε от температуры T при поляризации: 1 – электронной, 2 – ионной, 3 – дипольно-релаксационной, 4 – спонтанной.  

      Зависимость величины тока в диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения 

     В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — I_см (рис. 2), обусловленный быстрыми видами поляризации. Токи смещения очень кратковременны и их не удается зафиксировать с помощью измерительного прибора.

     В однородных неполярных диэлектриках затем  устанавливается ток сквозной проводимости — I_скв.

     При длительной работе диэлектрика под  напряжением протекание сквозного  тока  вызвано электрической очисткой в случае, когда  проводимость материала обусловлена ионами посторонних примесей. В случае, когда проводимость материала обусловлена собственными ионами, при длительном приложении напряжения может наблюдаться старение диэлектрика, сопровождающееся уменьшением электрического сопротивления.

     

Рис. 2. Зависимости  токов, протекающих через неполярный диэлектрик при включении и выключении напряжения  
 
 

Задание 2.

     Опишите основные технологии получения полупроводниковых  материалов, укажите, что служит сырьем для их получения.

     Приведите основные параметры полупроводниковых  материалов.

     Объясните температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике. Опишите явление фотопроводимости.

             Для каждого полупроводникового  материала (мышьяк, арсенид индия) определите класс и приведите значение электрических параметров и других основных физических  свойств. Укажите область применения указанных полупроводников.

 

Решение:

     Технология  получения

     1. Вытягивание из расплава по методу Чохральского (выращивание монокристаллов). Этим методом получают монокристаллы германия и кремния соединения типа A^IIIB^V, A^IIB^VI, A^IVB^VI и т. д. Вытягивание монокристаллов неразлагающихся полупроводниковых материалов проводят в атмосфере Н₂, инертных газов или в условиях глубокого вакуума. При выращивании монокристаллов разлагающихся соединений расплав герметизируют слоем жидкого флюса (В₂О₃) и вытягивают монокристаллы, погружая затравку в расплав через флюс и поддерживая в рабочем объёме над расплавом определённое давление инертного газа. Часто процесс вытягивания осуществляют в камерах высокого давления, совмещая процесс выращивания монокристаллов с предварительным синтезом соединений под слоем флюса.

     Для выращивания монокристаллов используют методы направленной и зонной кристаллизации расплава в контейнере. В случае разлагающихся соединений процесс  проводят в запаянных кварцевых  ампулах, поддерживая равновесное  давление паров летучего компонента над расплавом. При получении  монокристаллов необходимой кристаллографической ориентации используют ориентированные  соответствующим образом монокристаллические  затравки.

     Для выращивания монокристаллов полупроводниковых  материалов, обладающих подходящим сочетанием плотности и поверхностного натяжения  расплава, используют метод бестигельной зонной плавки. Наибольшее распространение этот метод получил в технологии получения монокристаллов кремния, имеющего сравнительно невысокую плотность и достаточно большое поверхностное натяжение расплава. Отсутствие контакта расплава со стенками контейнера позволяет получать этим методом наиболее чистые монокристаллы. Обычно процесс выращивания монокристалла совмещают с предварительной дополнительной очисткой полупроводниковых материалов зонной плавкой.

     2. Для получения монокристаллов ряда тугоплавких разлагающихся полупроводниковых соединений используют кристаллизацию из газовой фазы (методы сублимации и химических транспортных реакций). В случае если при выращивании монокристаллов не удается получить соединение требуемого стехиометрического состава, кристаллы разрезают на пластины, которые подвергают дополнительному отжигу в парах недостающего компонента. Наиболее часто этот прием используют в технологии получения монокристаллов узкозонных соединений типа A^IIB^VI и A^IVB^VI, где собственные точечные дефекты сильно влияют на концентрацию и подвижность носителей тока, то есть проявляют высокую электрическую активность. При этом удается снизить концентрацию носителей заряда в кристаллах на несколько порядков.

     3. Получение полупроводниковых материалов в виде монокристаллических пленок на монокристаллических подложках. Такие пленки называют эпитаксиальными, а процессы их получения — эпитаксиальным наращиванием. Возможности получения тонких и сверхтонких однослойных и многослойных структур разнообразной геометрии с широкой вариацией состава и электрофизических свойств по толщине и поверхности наращиваемого слоя, с резкими границами р-n-переходов и гетеропереходов обусловливают широкое использование методов эпитаксиального наращивания вмикроэлектронике и интегральной оптике, в практике создания больших и быстродействующих интегральных схем, а также оптоэлектронных приборов.

     4. Методы жидкостной, газофазной и молекулярно-пучковой эпитаксии. Методом жидкостной эпитаксии получают гомо- и гетероэпитаксиальные структуры на основе соединений типа A^IIIB^V, A^IIB^VI, A^IVB^VI и их твёрдых расплавов. В качестве растворителя обычно используют расплав нелетучего компонента соответствующего соединения. Наращивание эпитаксиального слоя проводят либо в режиме программируемого снижения температуры, либо из предварительно переохлажденного расплава. Этим методом можно воспроизводимо получать многослойные структуры с толщинами отдельных слоев до ~ 0,1 мкм при толщинах переходных слоев на гетерограницах порядка десятков нм. 
 

     Основные  параметры

     Основные  параметры – ширина запрещенной  зоны, подвижность носителей тока, температура плавления, плотность, период кристаллической решётки, удельная проводимость полупроводников,

     Чем больше ширина ЗЗ, тем выше допустимая рабочая температура и тем  более сдвинут в коротковолновую  область спектра рабочий диапазон приборов, создаваемых на основе соответствующих  материалов.

     Подвижность носителей тока в значительной мере определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. Для создания приборов сверхвысокочастотного диапазона необходимы полупроводниковые материалы, обладающие высокими значениями m.

     Температура плавления и период кристаллической решётки, а также коэффициент линейного термического расширения играют первостепенную роль при конструировании гетероэпитаксиальных композиций.  

     Плотность полупроводниковых материалов определяет такие важные технические характеристики, как удельный расход материала, масса прибора.  

     Зависимость концентрации носителей  от температуры

     Концентрация  носителей в полупроводнике, например, n- типа, зависит от температуры и концентрации примесей. В области низких температур,  участок с нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон  прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает до тех пор, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). на участке б-в примеси уже истощены, а электроны еще не проходят через запрещенную зону. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют  областью истощения примесей.  Дальнейший рост температуры приводит к быстрому росту концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону (в-и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника W. Угол наклона участка а-б зависит от концентрации примесей, потому что энергия активации примесных атомов определяется их  взаимодействием, а последнее зависит от расстояния между ними.