elektrotechnice i 14 godzin wykładu elektronicematel.p.lodz.pl/~mwalczak/mitweie/1materiały i...
Post on 28-Feb-2019
216 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
top related