Проводниковые материалы

Введение

Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) содержит огромное количество электрорадиокомпонентов, т.е. самостоятельных (комплектующих) изделий, выполняющих определенные функции. В качестве компонентов могут выступать резисторы, транзисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д., а также интегральные микросхемы (ИМС), которые в свою очередь состоят из большого числа элементов, реализующих функции транзистора, резистора и т.д.

Электрорадиоэлементы делятся на активные и пассивные. К активным относятся транзисторы, электронные лампы, микросхемы и т.д., т. е. элементы, способные усиливать или преобразовывать электрические сигналы. К пассивным относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, коммутационные элементы, т. е. такие элементы, которые предназначены для перераспределения электрической энергии.

Пассивные элементы могут выступать как дискретные компоненты и как элементы ИМС. Несмотря на то, что ИМС имеют большой удельный вес в РЭА, пассивные компоненты являются самыми распространенными изделиями электронной промышленности. Объясняется это в первую очередь тем, что ряд элементов трудно выполнить в микросхемном исполнении. Практически невозможно в ИМС изготовить резисторы с большим сопротивлением, конденсаторы большой емкости, практически нет интегральных катушек индуктивности и трансформаторов. Да и технические характеристики дискретных элементов лучше, чем интегральных.

В современной РЭА доля дискретных резисторов составляет от 15 до 50% всех элементов принципиальной схемы.

Для изготовления дискретных резисторов используют резистивные материалы, которые, кроме достаточно большого удельного сопротивления, должны обладать высокой стабильностью и коррозионной стойкостью, малым температурным коэффициентом удельного сопротивления и малой термо-ЭДС относительно меди. Наиболее важно выполнять эти требования по отношению к материалам, предназначенным для изготовления образцовых резисторов к электроизмерительным приборам. Для изготовления переменных резисторов, особенно низкоомных, необходимо, чтобы резистивный материал имел малое и стабильное во времени контактное сопротивление в паре с применяемым материалом скользящего контакта.

В зависимости от номинального сопротивления резистора, его назначения и условия эксплуатации в качестве резистивного материала применяют металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением, оксиды металлов, углерод, керметы, композиционные материалы.

Резистивный материал в зависимости от типа резистора может применяться в виде объемного элемента, проволоки различного диаметра или пленки, осажденной на поверхности диэлектрического основания.

Микропровода в стеклянной изоляции изготавливают диаметром проводящей жилы от 1 мкм и более. Погонное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления микропровода зависят от физико-химических свойств пары сплав-стекло, от технологических условий получения микропровода и времени литья. Удельное сопротивление тонких (толщина которых соизмерима с длинной свободного пробега электрона)проводящих и резистивных пленок больше удельного сопротивления соответствующего материала в толстых слоях рисунок 2 и зависит от толщины пленки и способа ее получения. Для сравнения оценки проводящих свойств тонких пленок вводится параметр-сопротивление квадрата (или сопротивление на квадрат, или удельное поверхностное сопротивление), численно равный сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине (при протекании тока параллельно поверхности подложки).

Сопротивление квадрата:

где δ-толщина пленки, ρ_δ – удельное (объемное) сопротивление пленки толщиной δ. Температурный коэффициент удельного сопротивления тонких металлических пленок α_ρδ может быть как положительным, так и отрицательным рисунке 3. При увеличении толщины пленки α_ρδ стремится к значению температурного коэффициента удельного сопротивления данного материала в массивных образцах α_ρ. С уменьшением толщины пленки ухудшается воспроизводимость и стабильность ее параметров, снижается надежность. Это является препятствием к использованию очень тонких (толщиной не менее 80…50 (нм)) резистивных материалов.

 

Рисунок 2-Зависимость удельного сопротивления ρ_δ тонкой металлической пленки от толщины δ.

 

 

Рисунок 3-График зависимости температурного коэффициента удельного сопротивления тонкой металлической пленки от толщины.

 

 

Цель работы:

1. Изучить теоретические основы об основных резистивных материалах, их свойств и параметрах.

2. Экспериментально исследовать свойства предложенного набора резистивных материалов, а именно определить их сопротивления, по которым вычислить удельное сопротивление.

3. Сравнить полученные результаты с табличными данными и по ним определить предложенный резистивный материал и марку резистора.

 

Описание программы.

 

Программа разработана на основе лабораторного стенда, схема которого изображена на рисунке 1 и представляющий собой электрическую схему для снятия напряжения и тока с помощью вольтметра и миллиамперметра соответственно.

 

Рисунок 1-Приципиальная схема стенда.

 

В программе использованы характеристики пяти резисторов удельные сопротивления, которых нужно найти. В разделе «Выбор резистора» выбирается исследуемый резистор: R1, R2, R3, R4, R5 соответственно, марки, номиналы и технические данные которых приведены в таблице 1, 2 и 3.

В программе имеется шкала выбора напряжения, она находится в разделе «Напряжение, В». Так же можно изменить пределы шкалы виртуального миллиамперметра в разделе «Выбор предела измерения».

С помощью кнопки «Измерить» производиться измерение тока на исследуемом резисторе при заданном напряжении. При последующем измерении необходимо нажать кнопку «Установка нуля».

 

Таблица 1. Марки резисторов

Исследуемый резистор	Марка резистора	Конструкция    резистора
R1	ОМЛТ	Постоянный, непроволочный поверхностного типа, цилиндрической формы
R2	МТ	Постоянный, непроволочный поверхностного типа, цилиндрической формы
R3	С1-4	Постоянный, непроволочный поверхностного типа, цилиндрической формы
R4	ВС	Постоянный, непроволочный поверхностного типа, цилиндрической формы
R5	ПЭВ	Постоянный проволочный

Таблица 2. Технические данные резисторов.

№	Геометрические параметры резистора и резистивной пленки
	без спиральной нарезки			со спиральной нарезкой					проволочный
	длина стержня l, мм	диаметр стержня d, мм	толщина токопроводящего слоя h, мм	число витков нарезки N	диаметр стержня d, мм	шаг нарезки t, мм	ширина нарезки a, мм	толщина токопроводящего слоя h, мм	длина намотанной проволоки l, мм	диаметр прово локи, мм
R1	12	5,2	10-4	-	-	-	-	-	-	-
R2	-	-	-	6	2,5	1	0,1	15,7∙10-6	-	-
R3	10	2,5	1,82∙10-6	-	-	-	-	-	-	-
R4	-	8	-	6	2	0,8	0,1	0,47∙10-3	-	-
R5	-	-	-	-	-	-	-	-	3425,5	0,04

 

Таблица 3. Номиналы резисторов.

Номер резистора	Марка резистора	Номинал резистора
R1	ОМЛТ	270, Ом
R2	МТ	1.5, кОм
R3	С1-4	5.6,кОм
R4	ВС	0.125 Вт; 1.6 кОм
R5	ПЭВ Х-74	3, кОм

Проводниковые материалы.

1.1. Виды проводников.

 

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

1) Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Ток в таких проводниках протекает благодаря движению свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

2) К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. В расплавленных металлах протекание тока тоже обусловлено движением свободных электронов, поэтому их так же называют проводниками с электронной электропроводностью или проводники первого рода. Электролиты (растворы кислот, щелочей и солей и расплавы ионных соединений) относятся к проводникам второго рода. В таких проводниках перенос электрических зарядов сопровождается переносом вещества и на электродах выделяются продукты электролиза.

3) Все газы при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Если же напряженность поля превышает критическое значение, газ может стать, проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями.