Материалы, как отражение научно-технического прогресса.

В помощь молодому преподавателю.

Вступительная лекция по предметам: “Электронное материаловедение”, “Материаловедение, электрорадиоматериалы и радиокомпоненты (ЭРМ и РК )”, “Электрорадиоматериалы”.

1. Введение. В недалеком прошлом материал был самой косной, то есть трудно изменяемой, частью производства. Недаром историки обозначают эпохи по главному материалу: век каменный, век бронзовый, век железный. Последние два века характеризуются стремительным научно – техническим прогрессом и, связанным с этим, поиском и открытием новых материалов. С полным правом можно сказать, что открытие новых физических эффектов приводит к созданию новых приборов и устройств, а для совершенствования этих устройств ведется постоянный поиск новых материалов. С этой же точки зрения можно рассматривать предмет “Электрорадиоматериалы и радиокомпоненты”. Почему так быстро стали изменяться названия предметов по материаловедению: металловедение, электротехнические материалы, электрорадиоматериалы, электронное материаловедение? Чем отличаются медь и алюминий, которые применяются в электротехнике, от применяемых в радиотехнике? Чем они должны отличаться? C каким физическим параметром это связано?

Основные причины, изменяющие требования к применяемым материалам это:

- ответственность новых сфер применения;

- необратимость производства в новых сферах применения этих материалов в большинстве случаев, то есть окончательность брака.

Развитие технического прогресса неуклонно движется в сторону все более высоких частот.

Итак, начинаем рассматривать шкалу электромагнитных волн и, связанные с этим материалы и изменения требований к ним. Каждая область применения не отменяет предыдущие требования, а только добавляет новые.

2. Электротехника, частота 50 Гц, длина волны 6000 км.:

• необходимые электрические и магнитные свойства в зависимости от назначения;

• механическая прочность, ударная прочность, удароустойчивость, вибропрочность, виброустойчивость и т.д.;

• требования, связанные с методами обработки и изготовления: пластичность, ковкость, твердость и т.д.;

• надежность в эксплуатации в определенных климатических условиях.

3. Радиотехника: 3х10⁵ - 3х10¹¹ Гц, 1 мм-1км.

К вышеперечисленным требованиям добавляются:

- по возможности, простота технологии;

- по возможности, более низкая стоимость и взаимозаменяемость, т.к. многие применяемые в этой области материалы крайне дороги.

Все радиотехнические устройства можно разделить на электровакуумные приборы и полупроводниковые. Они отличаются принципом действия, который и определяет специфику применяемых материалов и требования к ним.

3. 1. Электровакуумные приборы - ЭВП.

Прообразом первой электронной лампы явилась лампа накаливания. Изобретателем лампы накаливания является русский физик Александр Николаевич Лодыгин: в 1972 году он подает заявку на изобретение, а в 1874 г. получает патент. Лампа Лодыгина представляла собой стеклянный сосуд с угольным стержнем, воздух из сосуда откачивали. У первых ламп срок службы был 30-40 минут, затем, усовершенствовав конструкцию, Лодыгин довел этот срок до 800-1000 часов. В 1880г. Американский ученый -изобретатель Томас Алва Эдисон получает патент на изобретение лампы накаливания удобную для промышленного производства, но также с угольной нитью. Изобретая лампу накаливания в 1878 г., Эдисон провел более 6000 опытов в поисках лучшего материала, но вольфрам в качестве нити накаливания предложил в 90-х годах А.Н. Лодыгин.

Надо сказать, что "свет" миру дали русские ученые. В 1876г. Французские газеты писали, что "русский физик лишил работы парижских фонарщиков" - это связано с изобретением электротехником Павлом Николаевичем Яблочковым мощного источника света, который назывался "русский свет" и использовался для освещения улиц.

Вернемся к простейшей электронной лампе - диоду. Еще в конце века Эдисон обнаружил, что раскаленная нить обычной лампы накаливания испускает большое количество электронов. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. Его открыл и изучил английский ученый Оуэн Уилланс Ричардсон, который в 1928г. за работы в этой области получил Нобелевскую премию. На основе этих работ в 1904г. английский ученый Флеминг изобрел первый вакуумный диод. Любая электронная лампа представляет собой металлический, стеклянный или керамический баллон, в котором создан вакуум и имеющий два электрода катод и анод. Из раскаленного катода вылетает "электронное облако". Если катод соединить с "минусом" источника питания, а на анод подать "плюс", то внутри диода возникнет ток. Если же знаки поменять, то ток прекратится, т.е. диод пропускает ток только в одном направлении и его можно использовать для выпрямления переменного тока. В 1906 г. Американский ученый Ли де Форест вводит еще один электрод- сетку, которая может управлять сигналом.

Такая подробная историческая справка связана с тем, что бурное развитие радиотехники и электроники, создание новых приборов потребовало появления и применения новых материалов и добавило специфические требования к ним:

- чистота всех материалов, степень которой зависит от ответственности детали;

- применение тугоплавких металлов, т.к. все детали лампы работают при высоких температурах, а рабочая температура катода - до2600К;

- малая скорость испарения в вакууме;

- хорошие вакуумные свойства: не выделять газы, а еще лучше поглощать их в процессе работы;

- хорошие механические свойства: пластичность, ковкость, твердость, т.к. электроды и детали имеют сложную форму;

- высокое качество диэлектриков, т.к. все электроды должны быть изолированы друг от друга: керамика, слюда.

С появлением кинескопов появляется новый класс материалов - люминофоры, которые преобразуют кинетическую энергию электронов в энергию излучения в видимой части спектра: сульфиды металлов.

3.2. Полупроводниковые приборы.

Сначала опять не много истории. Первый полупроводниковый диод изобрел в 1923г. русский радиофизик из Нижнего Новгорода Олег Владимирович Лосев. Он представлял собой структуру: медь, закись меди и электроды из свинца, алюминия или цинка. Если у нас были бы"пророки в своем отечестве" и оба направления: полупроводниковые и электронные приборы развивались параллельно, то судьба отечественной микроэлектроники могла сложиться иначе. Чуть позже О.В.Лосев наблюдал в темноте свечение п/п диода, но не запатентовал свое открытие. Это сделали американцы, но уже в 50-х годах, открыв инжекционную люминесценцию, которая используется в светоизлучающих диодах. В 1947г. американскими учеными Шокли, Браттейном и Бардиным был изобретен первый транзистор.

Опять появляются новые материалы и новые, очень жесткие, требования к ним:

- чистота всех материалов в высшей степени, т.к. все параметры приборов напрямую зависят от малейших примесей в применяемом полупроводнике; это требование относится ко всем материалам, используемым в технологии: воде, газам, кислотам, щелочам, металлам, диэлектрикам и пр.; более того, это относится и к воздуху в технологических помещенияк, в котором ограничено количество пылинок на один литр;

- появление полупроводниковых материалов: германий, кремний, арсенид галлия и т.д.;

- появление легирующих материалов для создания полупроводников n- и р- типа: бор, фосфор, сурьма и др.;

- новые материалы для технологии: химические реактивы, фоторезисты и пр.;

- новые материалы для защиты приборов и микросхем;

- новые материалы для корпусов и для герметизации корпусов: эмали, пленки, пластмассы, стекла и т.д.;

- материалы для электродов и контактов: олово, золото, алюминий, никель и т.д.;

- вспомогательные материалы: газы - аргон, азот, аммиак, моносилан и др.; для оснастки - графит, кварцевое стекло, фторопласт и др.;

- деионизованная вода с удельным сопротивлением до 20 Мом х см.

4. СВЧ электроника: частота более 300МГц.

В диапазоне СВЧ, во-первых, все элементы схем и приборов можно сравнить с длиной электромагнитной волны, а, во-вторых, время пролета электронов между электродами становится сопоставимым с периодом ВЧ-колебаний и его надо учитывать.

Кроме специальных электронных ламп и полупроводниковых приборов для этого диапазона, в конструкции которых до минимума сведены паразитные емкости и индуктивности, имеющие место на высоких частотах, в области СВЧ применяются специальные устройства для передачи энергии электромагнитной волны-волноводы. В них электрон рассматривается не как частица, а как волна, энергию которой надо передать на расстояние.

В этом диапазоне применяются:

- серебро, как самый хороший проводник;

- арсенид галлия - полупроводник с самой высокой подвижностью носителей заряда;

- магнитодиэлектрики;

- керамика, в качестве диэлектрика и др.

5. Оптоэлектроника: 3х10¹⁵-3х10¹⁷. Многие знают, что даже в диапазоне СВЧ электромагнитная волна ведет себя, как световая - "тень" для сотового телефона.

Оптоэлектроника - это самая перспективная и наиболее динамично развивающаяся область электроники. Одной из основных причин является то, что микроэлектроника не решила проблем микроминиатюризации в целом. Вес бортового компьютера измеряется килограммами, а комплект кабелей с изоляцией для соединения с датчиками и индикаторами для управления электроприводами имеет вес, измеряемый тоннами. Кроме того, имеет место большой перепад в мощности интегральной схемы и силовыми элементами: реле, трансформаторами, двигателями и пр., которыми эта схема, в конечном итоге, должна управлять. К тому же все они являются источниками помех для ИС.

Решение этих проблем возможно при совместном использовании оптических и электронных явлений.

Оптоэлектронные приборы также, как и радиоэлектронные, делятся на две группы: вакуумные фотоэлектронные приборы и полупроводниковые.

5.1. Вакуумные фотоэлектронные приборы.

В них используется внешний фотоэффект: на фотокатод падает свет определенной длины волны и вызывает из него эмиссию фотоэлектронов, то есть световой сигнал превращается в электрический. Необходимо отметить, что достойных конкурентов из п/п приборов в этой области для электровакуумных приборов нет.

- ФЭУ - фотоэлектронные умножители: фототок в этих приборах усиливается в 10⁶ -10⁷ раз за счет вторичной эмиссии с промежуточных электродов - динодов. Основной материал для этих приборов - это, конечно, материалы для фотокатодов и динодов: соединения сурьмы, цезия, серебра, кислорода, состав зависит от длины волны применяемого излучения;

- ЭОП - электронно-оптические преобразователи: приборы преобразующие излучение в невидимой части спектра, УФ, ИК, рентгеновское излучение, в излучение в видимом диапазоне и усиливающие многократно. Материалы для фотокатодов этих приборов также имеют сложный состав и зависят от длины волны излучения, в котором работают.

5.2. Полупроводниковые оптические приборы.

Их принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте.

- СИД - светоизлучающие диоды, преобразуют электрическую энергию в энергию излучения в различных частях оптического диапазона: носители заряда в полупроводниках, переходя с более высокого энергетического уровня на более низкий, излучают при этом квант энергии определенной длины волны: карбид кремния, фосфид галлия, арсенид галлия и др.

- ФП - фотоприемники - это фотодиоды, фототранзисторы и т д., преобразуют энергию светового излучения в электрический сигнал: германий, кремний, арсенид галлия и др.

5.3. Оптроны.

Это оптоэлектронные приборы, которые состоят из излучателя и фотоприемника, связанные оптически. Принцип действия оптрона основан на двойном преобразовании энергии: в излучателе электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение, это излучение по оптическому каналу, это может быть воздух, световод, передается на фотоприемник, в котором излучение преобразуется опять в электрический сигнал. Таким образом, в оптроне на входе и выходе электрические сигналы, а связь между ними оптическая. Это дает высокую степень электрической изоляции между входом и выходом, бесконтактное управление, невосприимчивость к помехам.

5.4. Лазеры.

Лазер - это источник очень качественного излучения: высоконаправленного, когерентного и монохроматического. Бурное развитие лазерной техники началась в 60-х годах. Лазеры могут быть полупроводниковыми: арсенид галлия; твердотельными: корунд с ионами хрома, гранат с атомами неодима; газовые: гелий с неоном.

Суть лазерного излучения заключается в том, что частицы: в полупроводниках - это электроны или дырки, в газовых - это молекулы газа, в твердотельных - атомы примеси, накачкой, то есть подведением энергии, переводятся на более высокий уровень энергии, а затем их "вынуждают" дружно и одновременно перейти на более низкий уровень энергии одинаковый для всех частиц. При этом они испускают совершенно одинаковый квант энергии.

Следует сказать, что за качество излучения платится очень высокая цена: КПД газовых лазеров - меньше 1%, твердотельных - 2%, полупроводниковых - 10%.

6. Нанотехнологии.

Согласно многочисленным прогнозам специалистов , магистральный путь развития науки и техники и электроники, в ближайшие десятилетия будет неразрывно связан связан с освоением нанотехнологии, как многообещающего способа управления размерами и формой синтезируемых структур. Под термином "нанотехнология" понимают создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом диапазоне: от десятых долей до сотен нанометров. Этому диапазону соответствуют средние размеры атомов, молекул и надмолекулярных структур. В нанотехнологии реализуется принцип конструирования материалов и структур "снизу вверх", т.е. от простого к сложному, базирующийся на процессах самоорганизации частиц и субмикронной молекулярной "самосборке". В нанотехнологии роль модулей (сравнивая модульный принцип монтажа электронной аппаратуры) исполняют нанообъекты, содержащие поддающееся счету количество атомов или молекул. Управляя размерами и формой наноструктур, таким объектам можно придавать совершенно новые функциональные свойства, резко отличающиеся от свойств объемных объектов.

Нанотехнология принципиально изменяет методы изготовления материалов и устройств. Возможность управлять точными размерами и составом, а затем собирать такие элементы в более крупные образования с уникальными свойствами и функциями, неизбежно приведет к революционным изменениям во многих отраслях материаловедения и промышленности, в том числе в области электронного материаловедения и электронной техники. К объектам нанотехнологии относятся частицы, пленки, стержни, волокна, трубки, а также нанопористые материалы. Например, монокристаллические частицы CdSe в полимерных матрицах рассматриваются как возможные эффективные источники излучения и оптические переключатели для лазерных систем. Углеродные нанотрубки в настоящее время рассматривают как одну из наиболее перспективных разновидностей нанообъектов для создания элементов электронной аппаратуре нового поколения. Они могут быть полупроводниками или обладать металлической проводимостью в зависимости от диаметра и особенностей молекулярной симметрии.

7. Заключение.

Сделаем вывод из всего вышесказанного. В электротехнике нас интересуют, можно сказать, макропараметры - сила тока, напряжение, сопротивление. По мере развития электронной техники мы уже переходим сначала от электронов, которые нужный материал должен дать при нагревании, и они должны двигаться в нужном направлении к электронам и дыркам в полупроводниках. Нам важно их количество, их энергия, изменение энергии, количество примесей и т.д. То есть с развитием техники мы все глубже и глубже проникаем в само вещество и в физические процессы в нем происходящие. Все сложнее и сложнее становится такое понятие как материаловедение. Нанотехнологии тому еще более яркий пример.

Cодержание.

1. Введение.

2. Электротехника.

3. Радиотехника.

3.1. Электровакуумные приборы.

3.2. Полупроводниковые приборы.

4. Приборы СВЧ диапазона.

5. Оптоэлектроника.

5.1. Электровакуумные электронные приборы.

5.2. Полупроводниковые электровакуумные приборы.

5.3. Оптроны.

6. Нанотехнологии.

7. Заключение.

Литература.

1. Материалы и элементы электронной техники, В.С.Сорокин, Б.Л.Антипов, Н.П.Лазарева, Москва, ACADEMIA, 2006г.

2. Электроматериаловедение, Л.В.Журавлева, Москва, ACADEMIA, 2004г.

3. Википедия.