Materiały i technologie w elektrotechnice i elektronice wykład I

Transkrypt

1 Materiały i technologie w elektrotechnice i elektronice wykład I Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej Zakład Inżynierii Materiałowej i Systemów Pomiarowych, ul Stefanowskiego 18/22 IV p. pok. 412 dr inż. Maria Walczak tel , mwalczak@matel.p.lodz.pl Organizacja semestru 14 godzin wykładu 1 godzina kolokwium 15 godzin laboratorium- 7 kolokwiów laboratoryjnych do każdego ćwiczenia Zakładka- Informacje dla studentów, użytkownik : student, 3 X Plan wykładu Istota inżynierii materiałowej w elektrotechnice i elektronicebudowa materiałów, defekty struktury Właściwości materiałów- przewodnictwo elektryczne, właściwości termiczne, elektromagnetyczne Materiały w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych: Przewodniki- materiały przewodowe, przewodniki cienkowarstwowe, kompozyty Nadprzewodniki Półprzewodniki Materiały elektroizolacyjne Magnetyki Czynniki narażeniowe, starzenie, metody ochrony Technologie inżynierii materiałowej- elektronowe, laserowe, plazmowe, próżniowe, mikroelektroniczne, nanotechnologie 3 X Komputery Elektronika Układy automatyki i sterowania, klawiatury Elektronika użytkowa( TV, radioodbiorniki, telekomunikacja itp..) Elementy elektroniczne i układy różnego stosowania, MEMS, MOEMS, czujniki, mikrokontrolery Aparatura medyczna Lasery 3 X Urządzenie elektroniczne a jego schemat 1 Urządzenie elektroniczne a jego schemat 2 [1] [1] Elektronika praktyczna 1/2008, Tomasz Włostowski Wolfenstein 3D na str X X

2 Płytka PCB [1] Wykaz elementów do układu: Rezystory Kondensatory Półprzewodnikidiody, tranzystory i układy scalone Inne- rezonator kwarcowy Wyświetlacz Podstawki 3 X X Elektroenergetyka Elektrotechnika Trakcja, linie przesyłowe Maszyny elektryczne i transformatory Elektrotechnika samochodowa- czujniki, MEMS Systemy grzewcze, wentylacyjne, klimatyzacyjne 3 X X Czy potrafimy żyć bez energii elektrycznej? Ujarzmienie prądu elektrycznego nastąpiło dzięki rozwojowi inżynierii materiałowej. Ciało stałe - skupisko wielkiej liczby elementów: w 1 cm 3 ~ atomów!!!!!!!!!! Zdobycze Fizyki Ciała Stałego - przykłady Elektronika półprzewodników: od tranzystora do mikroprocesora Lasery: telekomunikacja, zastosowania technologiczne, zapis i odczyt informacji, medycyna Inżynieria materiałowa: półprzewodniki, nanomateriały, supersieci, nadprzewodniki i ferromagnetyki, materiały cienkowarstwowe,polimery fluorescencyjne i przewodzące, materiały fotoniczne i optyczne, materiały żaroodporne, trudnotopliwe 3 X X

3 Zdobycze Fizyki Ciała Stałego Zdobycze Fizyki Ciała Stałego Tranzystor grudzień 1947 Bardeen, Bratain, Schockley Procesor Intel i7-3770k 2012 Procesor Intel i7-3770k Ivy Bridge (2012) 160 mm 2 technologia 22 nm 1,4 miliarda tranzystorów!!!! 3 X mm 2 1,4 miliarda tranzystorów!!!! technologia 22 nm 3 X PRZEWODNIKI metale, stopy metali - materiały przewodowe, warstwy grube i cienkie NADPRZEWODNIKI = 0 Klasyfikacja materiałów ze względu na przewodnictwo elektryczne kryterium rezystywność ρ lub szerokość pasma zabronionego W g PÓŁPRZEWODNIKI krzem, german, arsenek galu - podzespoły elektroniczne W g DIELEKTRYKI powietrze, szkło, guma, tworzywa sztuczne - izolacja, obudowy urządzeń 3 X DIAMAGNETYKI μ r < 1 np. złoto, miedź, grafit Klasyfikacja materiałów ze względu na właściwości magnetyczne kryterium przenikalność magnetyczna względna μ r (miara zdolności do magnesowania) i zachowanie w zewnętrznym polu magnetycznym PARAMAGNETYKI μ r > 1 np. aluminium, sód FERROMAGNETYKI i FERRIMAGNETYKI μ r >> 1 żelazo, nikiel, kobalt stopy: np. stal, stopy żelazowo-niklowe spieki (ferryty) zastosowanie: obwody magnetyczne np. transformatorów, magnesy trwałe, zapis informacji 3 X Budowa ciał stałych Z czego wynikają zróżnicowane właściwości ciał stałych? Powstawanie ciał stałych Rodzaje budowy ciał stałych Ciała krystaliczne (monokryształy, polikrystaliczne) Ciała amorficzne Polimery Kompozyty (ciała o budowie złożonej) 3 X X

4 Budowa ciał stałych Budowa ciał stałych - wiązania Ciała stałe krystaliczne Atomy rozmieszczone w ściśle określony sposób w całej objętości monokryształu. Ciała stałe powstają z cieczy poprzez zestalanie, najczęściej w wyniku procesu krystalizacji. Ciała stałe amorficzne Brak porządku geometrycznego poza obszarem najbliższych sąsiadów Ciała stałe amorficzne powstają poprzez zwiększenie lepkości cieczy przy obniżaniu temperatury. Siły odpychające - bliskiego zasięgu Wynikają z: zasady nieoznaczoności; 2 0 kwantowej natury atomów Siły przyciągające - dalekiego zasięgu Wynikają z oddziaływania elektromagnetycznego U min U R O R 3 X X Budowa ciał stałych - wiązania Budowa ciał stałych - struktura krystaliczna Wiązanie jonowe Kryształy jonowe Wiązanie kowalencyjne Wiązanie metaliczne T Na + Cl - Wiązania van der Waalsa 14 typów sieci krystalicznych 7 układów krystalograficznych, zbudowanych na figurach geometrycznych - komórki prymitywne. siły Van der Waalsa 3 X dodatkowych układów krystalograficznych, poprzez umieszczenie dodatkowych węzłów sieci na przecięciu się przekątnych głównych komórki prymitywnej lub na przecięciu się przekątnych ścian bocznych. 3 X Struktura krystaliczna - defekty Właściwości rzeczywistych ciał stałych silnie zależą od różnorodnych odstępstw od idealnej budowy, czyli defektów struktury Defekty liniowe kryształów Dyslokacja krawędziowa (liniowa) Defekty punktowe defekt Schottky ego atom międzywęzłowy defekt Frenkla Dla miedzi w pobliżu temperatury topnienia (1356 K) domieszki substytucyjne i międzywęzłowe Istnienie dyslokacji tłumaczy, dlaczego obserwowane wytrzymałości mechaniczne materiałów są razy mniejsze od teoretycznych (materiałów bez defektów). 3 X atom na ok nie jest na swoim miejscu 3 X

5 Defekty przestrzenne kryształów Dyslokacja śrubowa Błędy ułożenia Ciała niekrystaliczne - polimery Polimery materiały organiczne zbudowane ze związków węgla, wodoru i pierwiastkow niemetalicznych Cechy polimerów Granice ziaren 3 X Mery silnie powiązane w długie łańcuchy, dzięki skłonności do uwspólniania par elektronów (silne wiązania kowalencyjne) Elastomery - niewielki stopień usieciowania duża podatność na odkształcenia nietrwałe (guma) Termoplasty Termoutwardzalne (duże możliwości modyfikacji właściwości) 3 X Ciała niekrystaliczne - polimery atom C atom H 3 X X W pojedynczym atomie - dyskretne, skwantowane wartości energii elektronów. Jeżeli atomy znajdują się w dużej odległości - w każdym z nich takie same poziomy energii potencjalnej elektronów. Na Na V= 0 V 2s 2 1s 1 3s 1 3s 1 2p 6 2p 6 x> > a 3 X s 2 1s 1 V Zbliżanie atomów na odległość (rzędu stałej sieci krystalicznej) powoduje rozszczepienie poziomów energetycznych na szereg podpoziomów, nieznacznie od siebie odległych (zakaz Pauliego). Na Na Na Na V x= a Różnice pomiędzy podpoziomami: ev, czyli prawie ciągłe widmo energii w granicach pasma. 2s 1s Pasma energii dozwolonej oddzielone są pasmami zabronionymi 3 X s 2p 5

6 Właściwości elektryczne ciał są określone przez wzajemne usytuowanie pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa E 0 Elektrony w sieci krystalicznej Pasma przewodnictwa Pasma walencyjne Pasma zabronione Pasma wewnętrzne (całkowicie zapełnione) dielektryk przewodnik półprzewodnik 3 X X Surowce- materiał- układurządzenie TECHNOLOGIA 3 X