2013-11-13

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. 42 631 25 13, mwalczak@matel.p.lodz.pl

3 X 2013 2

Organizacja semestru

14 godzin wykładu

1 godzina kolokwium

15 godzin laboratorium- 7 kolokwiów

laboratoryjnych do każdego ćwiczenia

http:/matel.p.lodz.pl , Zakładka- Informacje dla

studentów, użytkownik : student,

3 X 2013 3

Plan wykładu Istota inżynierii materiałowej w elektrotechnice i elektronice-

budowa 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 2013 4

Elektronika

Komputery

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 2013 5

Urządzenie elektroniczne a jego

schemat 1

[1] „Elektronika praktyczna” 1/2008, Tomasz

Włostowski „Wolfenstein 3D na str.9-11

www.ep.com.pl

3 X 2013 6

Urządzenie elektroniczne a jego

schemat 2 [1]

2013-11-13

2

3 X 2013 7

Płytka PCB [1]

3 X 2013 8

Wykaz elementów do układu:

Rezystory

Kondensatory

Półprzewodniki-

diody, tranzystory

i układy scalone

Inne- rezonator kwarcowy

Wyświetlacz

Podstawki

3 X 2013 9 3 X 2013 10

Elektrotechnika

Elektroenergetyka

Trakcja, linie przesyłowe

Maszyny elektryczne i transformatory

Elektrotechnika samochodowa- czujniki, MEMS

Systemy grzewcze, wentylacyjne, klimatyzacyjne

3 X 2013 11

Czy potrafimy żyć bez energii

elektrycznej?

Ujarzmienie prądu elektrycznego nastąpiło dzięki rozwojowi inżynierii materiałowej. Ciało stałe - skupisko wielkiej liczby elementów:

w 1 cm3 ~ 1023 atomów!!!!!!!!!!

3 X 2013 12

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…

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego - przykłady

2013-11-13

3

3 X 2013 13

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego

Tranzystor

grudzień 1947

Bardeen, Bratain, Schockley

1,4 miliarda

tranzystorów !!!!

Procesor

Intel i7-3770K

2012

160 mm2

technologia 22 nm

3 X 2013 14

Zdobycze Fizyki Ciała Stałego

1,4 miliarda

tranzystorów !!!!

Procesor

Intel i7-3770K

Ivy Bridge (2012)

160 mm2

technologia 22 nm

3 X 2013 15

Klasyfikacja materiałów

PRZEWODNIKI metale, stopy metali -

materiały przewodowe,

warstwy grube i cienkie

PÓŁPRZEWODNIKI krzem, german,

arsenek galu

- podzespoły elektroniczne

DIELEKTRYKI powietrze, szkło,

guma, tworzywa sztuczne

- izolacja, obudowy urządzeń

NADPRZEWODNIKI

= 0

ze względu na przewodnictwo elektryczne

kryterium – rezystywność ρ

lub szerokość pasma zabronionego Wg

Wg

3 X 2013 16

Klasyfikacja materiałów

DIAMAGNETYKI

μr < 1 np. złoto, miedź, grafit

PARAMAGNETYKI

μr > 1 np. aluminium, sód

FERROMAGNETYKI

i FERRIMAGNETYKI

μr >> 1 żelazo, nikiel, kobalt

stopy: np. stal, stopy żelazowo-niklowe

spieki (ferryty)

ze względu na właściwości magnetyczne

kryterium – przenikalność magnetyczna względna μr (miara zdolności do magnesowania)

i zachowanie w zewnętrznym polu magnetycznym

zastosowanie:

obwody magnetyczne

np. transformatorów,

magnesy trwałe,

zapis informacji

3 X 2013 17

Budowa ciał stałych

Z czego wynikają

zróżnicowane

właściwości ciał

stałych?

3 X 2013 18

Powstawanie ciał stałych

Rodzaje budowy ciał stałych

Ciała krystaliczne (monokryształy, polikrystaliczne)

Ciała amorficzne

Polimery

Kompozyty (ciała o budowie złożonej)

2013-11-13

4

3 X 2013 19

Budowa ciał stałych

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.

3 X 2013 20

Budowa ciał stałych - wiązania

Siły odpychające - bliskiego zasięgu Wynikają z: 10 - zasady nieoznaczoności; 20 – kwantowej natury atomów

Siły przyciągające - dalekiego zasięgu Wynikają z oddziaływania elektromagnetycznego

U

R RO

Umin

3 X 2013 21

Budowa ciał stałych - wiązania

siły Van der Waalsa

Wiązania

van der Waalsa

Na+

Cl-

Wiązanie jonowe

Kryształy jonowe

Wiązanie

kowalencyjne Wiązanie

metaliczne

3 X 2013 22

Budowa ciał stałych - struktura krystaliczna

14 typów sieci krystalicznych

7 układów krystalograficznych, zbudowanych na figurach geometrycznych

- komórki prymitywne.

7 dodatkowych układów krystalograficznych, poprzez umieszczenie

dodatkowych węzłów sieci na przecięciu się przekątnych głównych

komórki prymitywnej lub na przecięciu się przekątnych ścian bocznych.

T

3 X 2013 23

Defekty

punktowe

Struktura krystaliczna - defekty

defekt Schottky’ego atom międzywęzłowy

defekt Frenkla domieszki substytucyjnei międzywęzłowe

Właściwości rzeczywistych ciał stałych silnie zależą od różnorodnych

„odstępstw” od idealnej budowy, czyli defektów struktury

Dla miedzi w pobliżu temperatury topnienia (1356 K)

1 atom na ok. 1300 nie jest na „swoim” miejscu 3 X 2013 24

Defekty liniowe kryształów

Dyslokacja krawędziowa (liniowa)

Istnienie dyslokacji tłumaczy, dlaczego obserwowane wytrzymałości

mechaniczne materiałów są 103-104 razy mniejsze od teoretycznych

(materiałów bez defektów).

2013-11-13

5

3 X 2013 25

Defekty przestrzenne kryształów

Granice ziaren

Błędy ułożenia

Dyslokacja śrubowa

3 X 2013 26

Ciała niekrystaliczne - polimery

Cechy polimerów

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)

Polimery – materiały organiczne zbudowane ze związków

węgla, wodoru i pierwiastkow niemetalicznych

3 X 2013 27

Ciała niekrystaliczne - polimery

atom C atom H

3 X 2013 28

Elektrony w ciele stałym

3 X 2013 29

Elektrony w ciele stałym

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.

V= 0

V V

1s1

2s2

3s1

3s1

2p6

2p6

2s2

1s1

x> > a

Na Na

3 X 2013 30

Zbliżanie atomów na odległość (rzędu stałej sieci krystalicznej) powoduje

rozszczepienie poziomów energetycznych na szereg podpoziomów,

nieznacznie od siebie odległych (zakaz Pauliego).

V

1s

2s

3s

2p

x= a

Na Na NaNa

Elektrony w ciele stałym

Różnice pomiędzy podpoziomami: 10-23eV, czyli prawie ciągłe widmo

energii w granicach pasma.

Pasma energii dozwolonej oddzielone są pasmami zabronionymi

2013-11-13

6

3 X 2013 31

Właściwości elektryczne ciał są określone

przez wzajemne usytuowanie pasma

walencyjnego i pasma przewodnictwa

Elektrony w ciele stałym

3 X 2013 32

Elektrony w sieci krystalicznej

E

dielektryk przewodnik

półprzewodnik

Pasma wewnętrzne

„(całkowicie zapełnione)

0

Pasma

zabronione

Pasma

walencyjne

Pasma

przewodnictwa

0

3 X 2013 33

Surowce- materiał- układ-

urządzenie

TECHNOLOGIA